基于ZigBee的通用無線傳感器網絡硬件設計

　　無線傳感器網絡硬件設計

　　在無線傳感器網絡中，節(jié)點任意散落在被監(jiān)測區(qū)域內。節(jié)點以自組織形式構成網絡，通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據傳到Sink節(jié)點，最終借助長距離或臨時建立的Sink鏈路將整個區(qū)域內的數(shù)據傳送到遠程中心進行集中處理。圖1給出了一般形式的無線傳感器網絡體系結構[3]。

　　針對環(huán)境及結構狀態(tài)監(jiān)測，我們設計了一種通用無線傳感器網絡硬件平臺，該硬件平臺由若干傳感器節(jié)點、具有無線接收功能的Sink節(jié)點及一臺計算機構成。無線傳感器節(jié)點分布于需要監(jiān)測的區(qū)域內，執(zhí)行數(shù)據采集、處理和無線通信等工作，Sink節(jié)點接收各傳感器的數(shù)據并以有線的方式將數(shù)據傳送給計算機，如圖2所示。

　無線傳感器節(jié)點的硬件設計

　　無線傳感器節(jié)點一般由傳感器模塊、數(shù)據處理模塊、數(shù)據傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。其中，傳感器模塊負責采集監(jiān)視區(qū)域的信息并完成數(shù)據轉換，采集的信息可以包含溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力等；數(shù)據處理 模塊負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務管理等；數(shù)據傳輸模塊負責與其他節(jié)點或Sink節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據；電源管理模塊選通所用到的傳感器，節(jié)點電源采用微型紐扣電池，以減小節(jié)點的體積。

　　我們設計的節(jié)點實現(xiàn)機理是以ZigBee傳輸模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信模塊，將采集到的信息數(shù)據以無線方式發(fā)送出去。該節(jié)點包含ZigBee無線傳輸模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口電路、直流電源模塊以及外部存儲器等。為了降低傳感器節(jié)點的成本，減小傳感器節(jié)點的體積，我們采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實現(xiàn)傳感器節(jié)點的數(shù)據傳輸和處理功能。圖3是設計的無線傳感器節(jié)點的結構框圖。下面將分別介紹無線傳感器節(jié)點中的幾個主要功能模塊。

　　SoC芯片CC2430

　　CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內存和微控制器。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，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。

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

　　傳感器模塊

　　根據實際需要選擇不同的傳感器對監(jiān)測區(qū)域內溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進行檢測?？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、溫度、振動和聲音等進行探測。

　　光敏電阻5516是基于半導體光電效應工作的光導管，對光強感應靈敏度相當高，當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行模數(shù)變換即可獲得光敏電阻的阻值，進而換算出光照強度。

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

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

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

　　結合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網絡節(jié)點，能夠實現(xiàn)溫度、加速度(震動)的準確測量與探測，光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在設計中不作精確標定；另外對聲音信號的捕獲和復現(xiàn)需要進行大量的數(shù)據處理，從能量利用和傳感器節(jié)點功能的精簡角度考慮，設計中對聲光強弱的探測通過設定閾值來給出布爾型輸出。

　　電源模塊

　　實現(xiàn)節(jié)點設計的微型化，節(jié)點可采用輸出電壓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，在以網絡形式工作狀態(tài)下通過合理的設置節(jié)點發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機狀態(tài)，可有效地延長節(jié)點的使用壽命。針對節(jié)點供電單元不便于更換的無線傳感器網絡，新的能源解決方法研究及網絡系統(tǒng)的低功耗設計也是當前值得關注的課題。