無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件的模塊化設計

1、    無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件的模塊化設計隨著人們對于環(huán)境監(jiān)測要求的不斷提高，無線傳感器網(wǎng)絡技術以其投資成本低、架設方便、可靠性高的性能優(yōu)勢得到了比較廣泛的應用。由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點需要實現(xiàn)采集、處理、通信等多個功能，因此硬件上采用模塊化設計可以大大提高網(wǎng)絡節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。1 CC2430芯片簡介 CC2430是一款工作在24 GHz免費頻段上，支持IEEE 802154標準的無線收發(fā)芯片。該芯片具有很高的集成度，體積小功耗低。單個芯片上整合了ZigBee射頻(R隨著人們對于環(huán)境監(jiān)測要求的不斷提高，無線傳感器網(wǎng)絡技術以其投資成本低、架設方便、可靠

2、性高的性能優(yōu)勢得到了比較廣泛的應用。由于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點需要實現(xiàn)采集、處理、通信等多個功能，因此硬件上采用模塊化設計可以大大提高網(wǎng)絡節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。1CC2430芯片簡介   CC2430是一款工作在24 GHz免費頻段上，支持IEEE 802154標準的無線收發(fā)芯片。該芯片具有很高的集成度，體積小功耗低。單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。CC2430擁有1個8位MCU(8051)，8 KB的RAM，32 KB、64 KB或128 KB的Flash，還包含模擬數(shù)字轉換器(ADC)，4個定時器(Timer)，AESl28協(xié)處理器，

3、看門狗定時器(Watchdog-timer)，32768 kHz晶振的休眠模式定時器，上電復位電路(Power-on-Reset)，掉電檢測電(Brown-out-Detection)，以及21個可編程IO接口。    CC2430芯片采用018m CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別為267 mA和269 mA；休眠時電流為O5 A。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。2 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結構   整個無線傳感器網(wǎng)絡由若干采集節(jié)點

4、、1個匯聚節(jié)點、1個中轉器、1個上位機控制中心組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡采集節(jié)點完成數(shù)據(jù)采集、預處理和通信工作；匯聚節(jié)點負責網(wǎng)絡的發(fā)起和維護，收集并上傳數(shù)據(jù)，將中轉器下發(fā)的命令通告采集節(jié)點；中轉器負責上傳收集到的數(shù)據(jù)并將控制中心發(fā)出的命令信息傳遞給匯聚節(jié)點；控制中心負責處理最終上傳數(shù)據(jù)，并且可以由用戶下達網(wǎng)絡的操作命令。    采集節(jié)點和匯聚節(jié)點由CC2430作為控制核心，采集節(jié)點可采集并傳遞數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點負責收集所有采集節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)。中轉器采用ARM處理器作為控制核心，和匯聚節(jié)點采用串口通信，以GPRS通信方式和上位機控制中心進行交互。上位機控

5、制中心實現(xiàn)人機交互，可以處理、顯示上傳的數(shù)據(jù)并且可以直接由客戶下達網(wǎng)絡動作執(zhí)行命令。3 節(jié)點模塊化設計   匯聚節(jié)點和采集節(jié)點在硬件配置上基本相同，采用模塊化設計使得設計通用性更好。    每個節(jié)點主要由控制模塊、無線模塊、采集模塊、電源模塊4部分構成，網(wǎng)絡節(jié)點模塊化設計結構圖如圖2所示。31 控制模塊   控制模塊主要由CC2430及其外圍電路構成，完成對采集數(shù)據(jù)的處理、存儲以及收發(fā)工作，并對電源模塊進行管理。芯片CC2430包括21個可編程I0口，其中8路AD接口，可滿足多路傳感器的采集、處理需求。如

6、圖3所示，CC2430自帶了一個復位接口，外接一個復位按鍵可以實現(xiàn)硬件初始化系統(tǒng)。32 MHz晶振提供系統(tǒng)時鐘，32768 kHz晶振供系統(tǒng)休眠時使用。    節(jié)點選用芯片F(xiàn)M25L256作為存儲設備，這是一款256 Kb鐵電存儲器，其SPI接口頻率高達25 MHz，低功耗運行以及10年的數(shù)據(jù)保持力保證了節(jié)點數(shù)據(jù)存儲的低成本以及可靠性。存儲器外圍電路連接如圖4所示。32 無線模塊   無線模塊負責節(jié)點間數(shù)據(jù)和命令的傳輸，因此，合理設計無線模塊是節(jié)點穩(wěn)定、高效通信的重要保證。    TI公司提供了一個適用于

7、CC2430的微帶巴倫電路，這個設計把無線電RF引腳差分信號的阻抗轉換為單端50 。由于該電路直接影響節(jié)點的通信質量，在使用前必須對其進行仿真驗證。設計中選用ADS仿真軟件進行仿真，采用了版圖和原理圖的聯(lián)合仿真方法。仿真電路圖如圖5所示，微帶電路為TI提供的微帶巴倫電路，分立元件均選自村田公司元件庫內的模型，嚴格保證了仿真數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。仿真結果如圖6所示，由圖可以看出巴倫電路在工作頻段內(240024835 GHz)信號傳輸特性高效、穩(wěn)定。33 采集模塊   采集模塊負責采集數(shù)據(jù)并調理數(shù)據(jù)信號。本設計中，監(jiān)測的是土壤的溫度和濕度數(shù)據(jù)，采用的傳感器是PTWD

8、-3A型土壤溫度傳感器以及TDR-3型土壤水分傳感器。    PTWD-3A型土壤溫度傳感器采用精密鉑電阻作為感應部件，其阻值隨溫度變化而變化。為了準確地進行測量，采用四線法測量電阻原理，將電阻信號調理成CC2430芯片AD通道能采樣的電壓信號。圖7中，由P354運算放大器、高精度精密貼片電阻以及25 V電源構成10 mA恒流源。10 mA的電流環(huán)流經傳感器電阻R1、R2將電阻信號轉換成為電壓信號，由差分放大器LT1991一倍增益將信號轉換為單端輸出送入CC2430芯片的ADC通道進行采樣。    TDR-3型土壤水分傳感器輸出信號即

9、為電壓信號，其調理電路如圖8所示。傳感器輸出信號通過P354運算放大器送入CC2430芯片的ADC通道進行采樣。34 電源模塊   電源模塊負責調理電壓、分配能量，分為充電管理模塊、雙電源切換管理模塊、電壓轉換模塊3個模塊。本設計中采用額定電壓12 V、電容量3 Ah的鉛酸電池供電。    作為環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡應用，節(jié)點需要在野外無人看守的情況下進行工作，能量補給是系統(tǒng)持續(xù)工作的重要保證。本設計采用太陽能電池板為節(jié)點在野外工作時進行電能的補給，充電管理模塊則是根據(jù)日照情況以及電池能量狀態(tài)對鉛酸電池進行合理、有效的充電。如圖9所

10、示，光電耦合器TLP521-100和場效應管Q共同構成了充電模塊的開關電路，可以由CC2430芯片的I0口很方便地進行控制。    在太陽能電池板對電池充電時，電池不能對系統(tǒng)進行供電，因此設計中采用了雙電源供電方式，保持“一充一供”的工作狀態(tài)，雙電源切換管理模塊負責電源的安全、快速切換。如圖10所示，采用了兩個開關電路對兩塊電源進行切換。    在電源進行切換時，總是先打開處于閑置狀態(tài)的電源，再關閉正在為系統(tǒng)供電的電源，因此會在一段短暫的時間內同時有兩個電源對系統(tǒng)供電，這是為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)掉電情況。   

11、 電源模塊需提供5 V、33 V、25 V等多組電源以滿足節(jié)點各模塊的供能需求。由于系統(tǒng)電源組較多，電壓轉換模塊采用了開關型降壓穩(wěn)壓器以及低壓差線性穩(wěn)壓器等多種電壓轉換芯片來對電源進行電壓轉換，同時要確保電源模塊供能的高效性。結語   節(jié)點的設計對整個無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)至關重要。本設計采用了功能強大的射頻芯片CC2430作為核心管理芯片，能較好地完成數(shù)據(jù)采集、分析、傳輸?shù)榷鄠€功能。硬件的模塊化設計大大加強了節(jié)點的穩(wěn)定性、可靠性和通用性，在野外無人值守的情況下無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)可以長期、穩(wěn)定地進行環(huán)境方面的監(jiān)測。熱門詞條YRVB2*1.5    400高保