無線傳感器的網絡節點之硬件設計

2016-03-29 21:39:23

來源：網絡

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關鍵詞：無線傳感器,網絡節點,硬件設計

　　1 系統概述

　　本文設計了一種WSN硬件平臺，由若干具有無線接收功能的傳感器節點，以及一臺PC機組成。

　　根據無線傳感器網絡的應用需求以及功能要求，節點的設計主要包括下面幾個基本部分：傳感器單元、處理器單元、A/D單元、射頻單元、供電單元以及擴展接口單元。節點的硬件體系結構框架如圖1所示。

　　圖1

　　傳感器單元負責對所關心的物理量進行測量并采集數據，提供給處理器單元進行處理；處理器單元負責數據處理及控制整個節點的正常工作；射頻天線單元負責與其他節點進行無線通信，交換控制信息和相關數據；供電單元負責為節點提供運行所需的能量；擴展接口可以實現節點平臺的功能拓展，以適應不同的應用需求。

　　2 節點核心模塊設計

　　2.1 電源模塊設計

　　電源是設計中的關鍵部分，電源穩定工作是整個節點正常工作的保證，設計合理的電源電路至關重要。節點包含模擬器件和數字器件，模擬器件的抗干擾能力較差，且數字器件常常為模擬器件的噪聲源，故為了提高電路的抗干擾能力，模擬器件接模擬地并采用數字地與模擬地單點共地。電源可選用電池或干電池，電源芯片可選用XC6209、XC6221系列的LDO電源芯片，分別提供3.3V和1.8V的數字與模擬電壓，電路如圖2所示。

　　圖2

　　2.2 傳感器模塊設計

　　2.2.1 溫度傳感器設計

　　本設計采用LM75DM-33R2串行可編程溫度傳感器，這種傳感器在環境溫度超出用戶變成設置時通知主控制器。滯后也是可以編程解決。它采用2線總線方式，允許讀入當前溫度，并可配置器件。它是數字型溫度傳感器，直接從寄存器讀出溫度參數，并可實現編程設置INT/CMPTR輸出極性。

　　圖3是其功能圖，由于設計中只是簡單的監測環境的溫度，故只需一片LM75，所以地址線A0、A1、A2置地，INT/CMPTR懸空，設計的接口電路如圖4所示。

　　圖3 功能圖

　　圖4

　　由于cc2431本身帶有A/D模塊，也可采用溫度傳感器AD590測量溫度，其接口電路如圖5。

　　圖5 接口電路

　　2.2.2 煙霧傳感器設計

　　為了監測房間中的煙霧，香煙煙霧或者房子中的灰塵等，可以采用NIS-05離子式傳感器。這種傳感器是低放射型的標準傳感器，最大供電電壓24v，由于阻抗很高容易被外界電子噪音所干擾，所以PCB板設計時要注意保護措施。一般需采用特氟綸做支撐。NIS-051腳為VCC，2腳電壓輸出，3腳接地。由于阻抗高2腳輸出電流很小，需采用輸入電流較小的運放，采用LMC6042。接口電路如圖6。

　　圖6

　　2.2.3 濕度傳感器設計

　　HS1101 型濕度傳感器是法國HUMIREL 公司生產的變容式相對濕度傳感器，其典型應用電路如圖2-2-5 所示。該傳感器具有檢測速度快、高精度、高可靠性、長期穩定性和使用方便、體積小等特點。它是基于獨特工藝設計的電容元件，專利的固態聚合物結構；高精度2%；極好的線性輸出；1-99%RH 濕度量程；- 40~100℃的溫度工作范圍；響應時間5秒；濕度輸出受溫度影響極小；防腐蝕性氣體；常溫使用無需溫度補償；無需校準；電容與濕度變化0.34pf/%RH;典型值180pf@55%RH;長期穩定性及可靠性，年漂移量0.5%RH/ 年。

　　濕度檢測采用電容式HS1101 型濕敏傳感器。利用NE555 定時器和濕度傳感器HS1101 以及一些電阻構成多諧振蕩器電路如圖7所示。該電路把濕敏傳感器隨環境濕度不同體現的電容值變化量轉換為輸出脈沖的頻率變化量，電路輸出的f o 脈沖信號的振蕩頻率中包含了環境濕度信息。

　　圖7

　　圖8中虛線左側是由LM331 芯片構成的頻率/ 電壓（F/V）轉換電路。圖2-2-5中輸出的反映濕度信息的變頻脈沖信號fo經C2R 網絡接入LM331的比較器閾值端6腳，脈沖的下降沿引起輸入比較器觸發定時電路，1 腳流出的平均電流為：iAv E = i （1. 1 R8 C4 ） ×f O （1）此電流經RC 網絡濾波即可獲得與f o 脈沖信號頻率成正比的直流電壓［ 6 ］：V out = f o ×2. 09V ×（ R9 / Rs ） ×（ R8 C4 ）（2）該部分F/ V 轉換器是輸出信號的電壓正比于輸入信號的頻率的線性變化電路，F/ V 轉換電路輸出呈0～5 V 之間的線性模擬電壓變化量，對應于相對濕度0～100 %RH 的變化。

　　圖8

　　我們也可以采用另一種集成的濕度傳感器設計方案，它采用DHT11數字濕度傳感器，DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。由于其外圍電路比較簡單，在這里就不在贅述。

　　2.3 處理器及通信模塊設計

　　2.3.1 節點處理器

　　在無線傳感器節點各單元中，核心單元為處理器單元以及射頻單元。處理器單元決定了節點的數據處理能力，路由算法的運行速度以及無線傳感器網絡形式的復雜程度。而且不同處理器工作頻率不同，在不同狀態下消耗功率也不相同，因此不同處理器的選用也在一定程度上影響了節點的整體能耗和節點的工作壽命。射頻單元的選擇直接影響了無線通信使用的頻段、節點間數據通信的收發速率以及節點的通信距離等。

　　根據具體應用的需求，目前節點平臺中的處理器有以下幾種選擇：（1） ATMega128L芯片是ATMEL公司生產的AVR系列處理器。該系列處理器為增強RISC 內載閃存（Flash）的芯片。（2）MSP430系列單片機是德州儀器（TI）公司的一種混合信號控制器，其最顯著的特點就是具有超低功耗特性。（3）若需要無線傳感器網絡節點實現復雜的數據處理功能以及復雜的路由協議等，就要采用功能更強大的處理器來滿足數據計算量的要求。具有代表性的是英特爾（Intel）公司生產的imote2節點采用的PXA270處理器。該處理器最高主頻達624MHz，具有極強的計算能力，足以應付包括視頻在內的各種復雜數據處理需求。（4）此外為了降低節點的成本，一些平臺采用了通用的8051處理器，如AT89C52。這類處理器具有貨源充足、價格便宜、使用簡單等特點，為價格敏感的應用提供了解決方案。

　　2.3.2 節點射頻通信單元

　　在無線傳感器網絡中，廣泛應用的底層通信方式包括使用ISM波段的普通射頻通信以及具有802.15.4協議和藍牙通信協議的射頻通信。使用普通ISM頻段的無線傳感器網絡節點主要采用的射頻芯片包括Chipcon公司生產的CC1000，Nordic公司生產的nrf903，Semtech公司生產的XE1205。還有部分無線傳感器網絡節點使用了帶有802.15.4/ZigBee協議的通信芯片，主要包括Chipcon公司的CC2420芯片，RFWave公司的RFW102芯片組。

　　為了滿足節點體積微型化的需要，人們相繼推出了多款整合了處理器和射頻單元的芯片，下面是幾種ZigBee解決方案的對比：

　　當然最具代表性的是Chipcon AS公司推出的CC2430、CC2431芯片，它們提供了簡單方便的ZigBee/IEEE 802.15.4低功耗無線傳感器網絡解決方案，為節點平臺的微型化提供了可能。

　　CC2430芯片在以往CC2420射頻芯片的基礎上整合了微處理器，存儲單元以及ZigBee 射頻（RF）前端。這樣在使用極少外圍器件的情況下就可以實現節點方案。處理器采用了8位的8051處理器，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還具有多種內部資源，如模擬數字轉換器、定時器、看門狗等，使系統的設計開發更為方便。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產，工作時的電流為27 mA。在接收和發射模式下，電流分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的時間極短的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

　　CC2431是在CC2430以及摩托羅拉基于IEEE 802.15.4標準的無線電定位解決方案的基礎上，集成在單一硅芯片上的系統解決方案，不僅具有CC2430的相關特點還具有硬件定位的功能。

　　圖10為CC2431的功能模塊圖。

　　圖10

　　CC2431的設計結合了8 KB 的RAM 及強大的外圍模塊，并有3 種不同的版本。它們根據不同的閃存空間32 KB、64 KB 和128 KB 來優化復雜度與成本。CC2431 的尺寸只有7 mm×7 mm 的48 腳封裝，采用具有內嵌閃存的0.18 μm CMOS 標準技術。針對協議棧、網絡和應用軟件執行時對MCU 處理能力的要求，CC2431 包含一個增強型工業標準的8 位8051 微控制器內核，運行時鐘為32 MHz。CC2431 還包含一個DMA 控制器，可以減少8051 微控制器內核對數據的傳送操作，因此提高了芯片整體的性能。在CC2431 8 KB 靜態RAM 中的4 KB 是超低功耗SRAM。32 KB、64 KB 或128 KB 的片內Flash 塊提供在線可編程非易失性存儲器。CC2431 集成了4個振蕩器用于系統時鐘和定時操作，以及用于用戶自定義應用的外設，具有4 個定時器。此外，還集成了實時時鐘、上電復位、8 通道8～14 位ADC 等其他外設，并帶有定位跟蹤引擎。

　　圖11為CC2431的典型接線圖，他的外圍電路很少，只需設計晶振電路和天線電路即可。