基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

　　CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位8051 MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)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(yīng)用。

　　得益于CC2430的高集成度，其外圍電路非常簡單，只需要數(shù)量很少而且廉價(jià)的外圍元件，即可完成無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能，因而大大降低了成本。

　　傳感器模塊

　　根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的傳感器對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進(jìn)行檢測?？蛇x用了光敏器件、數(shù)字格式傳感器和駐極體話筒，對光強(qiáng)、溫度、振動和聲音等進(jìn)行探測。

　　光敏電阻5516是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)工作的光導(dǎo)管，對光強(qiáng)感應(yīng)靈敏度相當(dāng)高，當(dāng)受到一定波長范圍的光照時，其阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加，通過參考電阻分壓后進(jìn)行模數(shù)變換即可獲得光敏電阻的阻值，進(jìn)而換算出光照強(qiáng)度。

　　Maxim公司的DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器，測量結(jié)果可選用9～12位串行數(shù)據(jù)輸出，測量范圍-55～125℃，在-10～85℃測量準(zhǔn)確度為±0.5℃。

　　駐極體話筒HX034P是電容式微麥克風(fēng)。輸入信號為聲音信號，輸出信號經(jīng)MAX4466構(gòu)成的前置放大電路后進(jìn)行電壓值A(chǔ)/D采樣，處理器的A/D采樣頻率可達(dá)200KHz，可捕獲到聲音信號。

　　ADI公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器，它采用先進(jìn)的微型機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機(jī)械傳感器，集成精確的信號處理電路，可測靜態(tài)及動態(tài)加速度。該傳感器可廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航、地震監(jiān)測、車輛安全和電池供電設(shè)備的運(yùn)動狀態(tài)測試等領(lǐng)域。

　　結(jié)合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、加速度(震動)的準(zhǔn)確測量與探測，光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在設(shè)計(jì)中不作精確標(biāo)定；另外對聲音信號的捕獲和復(fù)現(xiàn)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，從能量利用和傳感器節(jié)點(diǎn)功能的精簡角度考慮，設(shè)計(jì)中對聲光強(qiáng)弱的探測通過設(shè)定閾值來給出布爾型輸出。

　　電源模塊

　　實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的微型化，節(jié)點(diǎn)可采用輸出電壓3.6V可充電鋰離子鈕扣電池LIR2032供電。該類電池自放電率小于10％每月，但額定容量較小，限制了節(jié)點(diǎn)的生存期，若以兩節(jié)5號電池供電，則可維持更長的工作時間，在以網(wǎng)絡(luò)形式工作狀態(tài)下通過合理的設(shè)置節(jié)點(diǎn)發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機(jī)狀態(tài)，可有效地延長節(jié)點(diǎn)的使用壽命。針對節(jié)點(diǎn)供電單元不便于更換的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，新的能源解決方法研究及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)也是當(dāng)前值得關(guān)注的課題。

　　阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)

　　CC2430的射頻信號采用差分方式，其最佳差分負(fù)載阻抗是115+j180Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)這一數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。本設(shè)計(jì)采用50歐姆單極子天線，由于CC2430的射頻端口是差分形式具有兩個端口，而天線是單端口，因此需要一個巴倫來完成兩端口到單端口間的轉(zhuǎn)換。巴倫電路由成本低廉的電感和電容構(gòu)成，如圖4所示，包括電感L1、L2、L3和電容C1和兩段長的傳輸線。

　　Sink節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息與外部網(wǎng)絡(luò)或處理終端間的連接需要通過Sink節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)，Sink節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線設(shè)備連接中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)發(fā)送上層命令(如查詢、分配ID地址等)，接收下層節(jié)點(diǎn)請求和數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合、請求仲裁和路由選擇功能，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最重要的一部分。我們設(shè)計(jì)的Sink 節(jié)點(diǎn)帶有USB數(shù)據(jù)口和RS232數(shù)據(jù)口，兩種數(shù)據(jù)口可以通過開關(guān)進(jìn)行切換，以方便Sink與外部網(wǎng)絡(luò)或處理終端間的連接。

　　圖5是我們設(shè)計(jì)的Sink節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖，仍然采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能。TTL與RS232電平轉(zhuǎn)換單元選用MAX 3316芯片，該芯片在2.25～3.0V供電即可實(shí)現(xiàn)兩通道雙向電平轉(zhuǎn)換，可直接操作CC2430芯片串行數(shù)據(jù)線和控制線。CC2430的外圍電路設(shè)計(jì)與傳感器節(jié)點(diǎn)相同。

　　結(jié)語

　　基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、體積小的顯著優(yōu)點(diǎn)，可在特殊環(huán)境下實(shí)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信號的采集傳輸與處理。伴隨無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和新的能量解決方案的提出，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用必將從軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、空間探索和災(zāi)害預(yù)測普及到生活中的各個領(lǐng)域。