基于CC2531的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

引言

半導(dǎo)體技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動了具有現(xiàn)代意義的無線傳感器技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、網(wǎng)絡(luò)、通信、光學(xué)、微機(jī)械等眾多領(lǐng)域。微型、高可靠、多功能、集成化的傳感器，低功耗、高性能的專業(yè)集成電路，微型、大容量的能源，高效、可靠的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和操作系統(tǒng)，面向應(yīng)用、低計(jì)算量的模式識別，低功耗、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及現(xiàn)實(shí)環(huán)境的各種應(yīng)用模式成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課題研究的重點(diǎn)。

以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無線應(yīng)用不需要較高的傳輸帶寬，但需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列，同時需要一種低端的、面向控制的、應(yīng)用簡單的專用標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問題。ZigBee是無線個人局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Personal Area Network，WPAN)的標(biāo)準(zhǔn)之一，具有高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得ZigBee 和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已得到越來越多的關(guān)注。本設(shè)計(jì)基于ZigBee搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)硬件平臺，可以完成風(fēng)向、風(fēng)速和空氣濕度的測量。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由上位機(jī)、中轉(zhuǎn)器、匯聚節(jié)點(diǎn)和若干采集節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。采集節(jié)點(diǎn)采集并預(yù)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，在收到匯聚節(jié)點(diǎn)的上傳命令后將數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)收集采集節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)并通過中轉(zhuǎn)器將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)處理最終上傳的采集數(shù)據(jù)。上位機(jī)將用戶下達(dá)的各操作命令發(fā)送至中轉(zhuǎn)器，中轉(zhuǎn)器將命令信息傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將中轉(zhuǎn)器下發(fā)的命令通告?zhèn)€采集節(jié)點(diǎn)，同時負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)相互間的組網(wǎng)及維護(hù)。

本設(shè)計(jì)中采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)均采用CC2531作為核心控制芯片；中轉(zhuǎn)器采用ARM處理器作為核心控制芯片。采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間以ZigBee協(xié)議進(jìn)行無線通信；匯聚節(jié)點(diǎn)與中轉(zhuǎn)器間采用串口通信；中轉(zhuǎn)器與上位機(jī)以GPRS通信方式進(jìn)行交互；上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2 CC2531芯片簡介

CC2531是TI公司推出的符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。它具有很好的接收靈敏度和魯棒性以及低功耗特性，可編程輸出功率高達(dá)4．5 dBm，外部元件很少；結(jié)合RF收發(fā)器與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051微控制器的性能，具有32 KB、64 KB、128 KB或256 KB的在系統(tǒng)可編程閃存和8 KB的RAM，且該RAM具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保護(hù)能力；同時具有多種運(yùn)行模式，而且運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換時間短，使低能耗特性能夠進(jìn)一步保證。

CC2531提供了101 dB的鏈路質(zhì)量以及一套廣泛的外設(shè)集，包括2個USART、8路輸入可配置的12位ADC、21個通用GPIO、高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)安全協(xié)處理器、看門狗定時器和具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時器等設(shè)備。它支持一般的低功耗無線通信，可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制、消費(fèi)型電子、家庭控制、計(jì)量和智能能源、樓宇自動化、醫(yī)療以及更多領(lǐng)域。

3 采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個采集節(jié)點(diǎn)可以劃分為電源模塊、處理模塊、無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊4個組成部分，各部分協(xié)同工作。電源模塊負(fù)責(zé)電壓調(diào)理，為其他模塊提供所需要的電壓；處理模塊負(fù)責(zé)處理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和命令；無線通信模塊負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)、命令的傳輸；數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理。

3．1 電源模塊

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于人們不方便或者不經(jīng)常到達(dá)的地方，因此電源的選擇尤為重要。電源模塊控制著整個節(jié)點(diǎn)的能量分配，在整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中具有極其重要的意義。目前，比較容易實(shí)現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電方式是電池供電，根據(jù)不同場合和條件也可以選擇不同種類電池。鋰電池的放電曲線平滑，可以保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在平常使用時具有更好的線性特性，因此可以作為系統(tǒng)能量來源的一種選擇。但是，鋰電池額定容量較小，而且需要升壓處理，限制了節(jié)點(diǎn)的生存期。為了維持更長的工作時間和節(jié)省成本，本設(shè)計(jì)采用5節(jié)7號鎳氫電池供電。除此之外，軟件上通過合理設(shè)置節(jié)點(diǎn)的發(fā)射、接收以及待機(jī)狀態(tài)，也可以有效地延長節(jié)點(diǎn)的工作時間。新的能源解決方法也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要研究的重要課題，太陽能或者風(fēng)力充電就是目前的研究熱點(diǎn)。

數(shù)據(jù)采集模塊需要外部提供5 V直流電壓，處理模塊及無線通信模塊需要3．3 V直流電壓，因而采用了Sipex公司的低壓差電源芯片SPX-2815和SP6201EM-3．3 V將輸入的電池電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3．3V。經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后將電源繼續(xù)劃分為數(shù)字部分與模擬部分供各芯片、模塊使用，保證模擬電源、數(shù)字電源之間不互相干擾。CC2531具有8路A／D接口，使用TI公司的基準(zhǔn)電壓二極管LM4040為CC2531的8路A／D接口提供2．5 V的參考電壓，同時為傳感器信號調(diào)理電路提供2．5 V電壓。LM4040的輸出電壓穩(wěn)定性好、精度高，輸出電壓精度為O．5％，其接口電路如圖3所示。