無(wú)線傳感囂網(wǎng)絡(luò)的嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

為了提高無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)的效率，保證傳輸距離，射頻電路天線的選取也至關(guān)重要，其中包括射頻天線形狀、輸出方向、天線長(zhǎng)度、天線材料等一系列因素。射頻電路常用差動(dòng)天線、不平衡天線。典型的差動(dòng)天線(如雙極天線)，不需要巴倫(balun)匹配可直接接人。其他短距離通信的天線有單極天線、螺旋天線和環(huán)狀天線。螺旋天線可以看作是單極天線和環(huán)狀天線的混合，但是優(yōu)化起來(lái)比單極天線困難。環(huán)狀天線易于集成到印刷電路板(PCB)中，但是由于發(fā)射阻抗非常低，難于匹配，且匹配效果不好，因此設(shè)計(jì)中選用單極天線。
單端單極天線要求在差分輸出和天線之間有巴倫匹配。巴倫匹配可以采用傳輸線形式，也可以采用離散元器件形式，兩種形式都等效于在天線連接處匹配了50 Ω的負(fù)載。傳輸線形式較離散元器件形式，不僅改善了誤差向量幅度性能，而且靈敏度和諧波抑制也得到改善，所以設(shè)計(jì)中采用了傳輸線形式。CC2430無(wú)線收發(fā)PCB布線圖如圖6所示。

在PCB布線方面，λ／2巴倫匹配的傳輸線確保射頻信號(hào)在正確的頻段，同時(shí)要遠(yuǎn)離有耗材料(比如電池)，靠近射頻芯片以減少兩者之間的射頻損耗。另外，還要避免數(shù)字信號(hào)對(duì)其的干擾。因此，傳輸線各方向上要留有一定的避讓空間，該距離與工作頻率成反比。避讓空間沒(méi)有固定公式，根據(jù)物理形狀、材料的射頻損耗等確定。對(duì)于芯片，避讓空間的最小半徑在λ／100左右；對(duì)于較大的有源損耗體(如AA電池)，最小半徑在λ／10左右(λ為無(wú)線通信頻率的波長(zhǎng))。采用的巴倫匹配傳輸線的避讓空間如圖6所示。經(jīng)匹配后的網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)能在150～200 m的范圍內(nèi)自由通信，傳輸效果令人滿意。
3．4 存儲(chǔ)單元
微處理器自帶128 KB Flash不能滿足操作系統(tǒng)的移植存儲(chǔ)的代碼量，以及傳感器節(jié)點(diǎn)每天采集的數(shù)據(jù)量(64個(gè)節(jié)點(diǎn)一天大約4．3K)，故必須進(jìn)行存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。結(jié)合考慮微處理器外設(shè)接口和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)讀寫(xiě)速度，選擇2 Mb的非易失性鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器FM25H20。其硬件原理圖如圖7所示。

FM25H20具有無(wú)限的讀寫(xiě)次數(shù)，掉電數(shù)據(jù)多達(dá)10年保持時(shí)間，寫(xiě)數(shù)據(jù)無(wú)延時(shí)，快速SPI串行協(xié)議，高達(dá)40 Mbps的總線速度，完善的軟、硬件寫(xiě)保護(hù)，極低的靜態(tài)工作電流(5μA)，非常適合本嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的需要。
3．5 電源模塊
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般工作在無(wú)人值守的環(huán)境下，所以選擇能源非常重要；另外，自然界的能源補(bǔ)充也至關(guān)重要。設(shè)計(jì)中采用太陽(yáng)能電池板實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的能源供給。比較當(dāng)今常用電池性能，分析計(jì)算設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)各模塊的功耗，選擇額定電壓為3．7 V、容量為1 Ah的高能量密度電池鋰離子電池(Lithium Ion battery)。與同樣大小的鎳鎘電池、鎳氫電池相比，電量?jī)?chǔ)備最大、重量最輕、壽命最長(zhǎng)、充電時(shí)間最短、無(wú)記憶效應(yīng)，是目前性能最好的電池。雙組電源輪流供電(一用一備)，利用無(wú)線收發(fā)模塊A／D采樣、自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制電池電壓，根據(jù)設(shè)計(jì)的電池上下限值自動(dòng)開(kāi)啟太陽(yáng)能電池板對(duì)其自動(dòng)充電，始終做到整個(gè)節(jié)點(diǎn)電源供給穩(wěn)定。

結(jié) 語(yǔ)
本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，對(duì)WSN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了研究，并給出了詳細(xì)的硬件實(shí)現(xiàn)方案。關(guān)鍵模塊是：基于SIM1300C模塊的GPRS接口實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)到有線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸；基于CC2430芯片的RF收發(fā)電路。通過(guò)研究，較好地解決了WSN數(shù)據(jù)從采集地到監(jiān)控中心的雙向傳輸問(wèn)題，從邏輯上將物理世界與信息世界更加緊密地融合于一體；在低功耗、高速度、低噪聲、低成本方面取得了較為滿意的結(jié)果，為開(kāi)發(fā)和構(gòu)造無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。