基于S3C6410和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的手持終端設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，推動了現(xiàn)代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展了人們信息獲取能力，將客觀世界的物理信息同傳輸網(wǎng)絡(luò)連接在一起，在下一代網(wǎng)絡(luò)中將為人們提供最直接、最有效、最真實(shí)的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠獲取客觀物理信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景，能應(yīng)用于軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境檢測、搶險(xiǎn)救災(zāi)、危險(xiǎn)區(qū)域遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給監(jiān)控終端。本文根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、能耗小、組網(wǎng)靈活、系統(tǒng)抗毀性強(qiáng)等多方面優(yōu)勢，通過對環(huán)境的無縫精確定位技術(shù)和基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無縫監(jiān)控預(yù)警技術(shù)，完成了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控預(yù)警終端原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，滿足在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)控預(yù)警、應(yīng)急管理、人員定位與導(dǎo)航等的需求。

1 手持終端系統(tǒng)組成
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端由主控制器、ZigBee無線傳輸模塊、傳感器模塊組成。其中，主控制器負(fù)責(zé)處理來自ZigBee無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)，并根據(jù)情況做出相應(yīng)的判斷；ZigBee無線傳輸模塊負(fù)責(zé)接收來自傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與主控制器的通信；傳感器模塊負(fù)責(zé)采集環(huán)境內(nèi)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理。
系統(tǒng)主控制器采用ARM11架構(gòu)的32位嵌入式RISC處理器S3C6410。ZigBee無線傳輸模塊采用集信號采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信于一體的CC2430芯片，CC2430集成符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性，有數(shù)字化的RSSI／LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能，集成14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的A／D轉(zhuǎn)換器；帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，1個(gè)符合IEEE 802．15．4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器。傳感器模塊包括溫度，濕度，亮度和人體紅外傳感器。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)中，傳感器的功能是分別采集環(huán)境中的溫度信息、濕度信息、亮度信息和人體紅外感應(yīng)信息，并加以處理，通過無線通信方式將數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)手持終端。終端通過查詢傳感器發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并做出判斷，結(jié)合實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施。無線傳輸節(jié)點(diǎn)通過采集手持終端的接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)，對終端進(jìn)行定位。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)手持終端主要由基于ARM11架構(gòu)的三星S3C641O處理器和基于無線傳輸?shù)腃C2430芯片組成。
2．1 無線傳輸模塊硬件設(shè)計(jì)
ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率低、時(shí)延小、網(wǎng)絡(luò)容量大、成本低、通信可靠性高、安全、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在無線數(shù)據(jù)采集、無線工業(yè)控制、消費(fèi)電子、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設(shè)備控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等領(lǐng)域。傳感器采集溫度、濕度、亮度、人體紅外感應(yīng)等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行信息處理，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控終端。
無線傳輸模塊采用具有數(shù)據(jù)采集、無線通信和信息處理的單片機(jī)射頻芯片CC2430。由于CC2430的集成度高，所以只需要極少的外圍元器件，其內(nèi)部使用1．8 V的工作電壓，外部數(shù)字I／O使用的3．3 V的電壓，通過片上集成的自流穩(wěn)壓器，把3.3 V電壓轉(zhuǎn)換為1．8 V電壓。該模塊主要包括3．3 V和1．8 V電源濾波電路、晶振電路、偏置電路、巴倫電路、射頻阻抗匹配電路和復(fù)位電路，無線傳輸模塊硬件電路圖如圖2所示。

1)晶振電路：CC2430工作需要2個(gè)時(shí)鐘晶振，第一個(gè)為32 MHz，為無線收發(fā)提供時(shí)鐘；第二個(gè)為32．768 kHz，為系統(tǒng)睡眠喚醒提供時(shí)鐘。C191和C211為32 MHz的負(fù)載電容，電容值取決于負(fù)載電容的大小，CL=1／(1／C191+1／C211)+Cf，其中CL典型值為16 pF，Cf為2～5 pF，保證晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率準(zhǔn)確和穩(wěn)定。C191和C211的典型值為27 pF。
2)R221和R261為偏置電阻，電阻R221主要用來為32 MHz晶振提供一個(gè)合適的電流。
3)電壓調(diào)節(jié)器為1．8 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，電容C241和C421是去耦電容，用來實(shí)現(xiàn)電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。
4)復(fù)位電路由限流電阻R101、濾波電容C101和按鍵組成，實(shí)現(xiàn)低電平復(fù)位。
5)射頻阻抗匹配電路：CC2430可以使用不同類型的天線，本設(shè)計(jì)中使用一種非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。單極非平衡天線是長度對應(yīng)電磁波長1／4的諧振天線，射頻信號采用差分方式，最佳差分負(fù)載阻抗是115+j180 Ω，阻抗匹配電路需要根據(jù)該數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)采用50 Ω單極子天線，采用巴倫電路(平衡，非平衡轉(zhuǎn)換電路)完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換。電路中的非平衡變壓器由L321、L3 31、L341、C341和PCB微波傳輸線組成，L321和L341匹配RF輸入／輸出50 Ω阻抗匹配，L321和L331同時(shí)提供功率放大器和低噪聲放大器的直流偏置。L321為8．2 nH，L331為22 nH，L341為1．8 nH，C341為5．6 pF。
CC2430發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信號從差分射頻端口RF_P、RF_N經(jīng)巴倫電路變?yōu)閱味诵盘?，由RXTX_SWITCH信號控制2個(gè)邏輯開關(guān)，選通功率放大電路(PA)，放大后的信號從天線發(fā)射出去。接收信號時(shí)，在RXTX_SWITCH信號控制下，從天線接收的信號經(jīng)低噪聲放大電路(LNA)放大，經(jīng)巴倫電路轉(zhuǎn)換，由RF_P、RF_N端口接收。