無線傳感器網絡節(jié)點應用的硬件設計
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無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，簡稱WSNs)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信形成一個多跳自組織網絡系統(tǒng)，能夠實時監(jiān)測、感知和采集網絡分布區(qū)域內監(jiān)視對象的各種信息，并加以處理，完成數據采集和監(jiān)測任務。WSNs綜合了傳感器、嵌入式計算、無線通訊、分布式信息處理等技術，具有快速構建、自配置、自調整拓撲、多跳路由、高密度、節(jié)點數可變、無統(tǒng)一地址、無線通信等特點，特別適用于大范圍、偏遠距離、危險環(huán)境等條件下的實時信息監(jiān)測，可以廣泛應用于軍事、交通、環(huán)境監(jiān)測和預報、衛(wèi)生保健、空間探索等各個領域。 2節(jié)點的總體設計和器件選型
2.1節(jié)點的總體設計
WSNs微型節(jié)點應用數量比較大，更換和維護比較困難，要求其節(jié)點成本低廉和工作時間盡可能長；功能上要求WSNs中不應該存在專門的路由器節(jié)點，每個節(jié)點既是終端節(jié)點，又是路由器節(jié)點。節(jié)點間采用移動自組織網絡聯系起來，并采用多跳的路由機制進行通信。因此，在單個節(jié)點上，一方面硬件必須低能耗，采用無線傳輸方式；另一方面軟件必須支持多跳的路由協議?；谶@些基本思想，設計了以高檔8位AVR單片機ATmega128L為核心，結合外圍傳感器和2.4 GHz無線收發(fā)模塊CC2420的WSNs微型節(jié)點。這兩款器件的體積非常小，加上外圍電路，其整體體積也很小，非常適合用作WSNs節(jié)點的元件。
2.2處理器選型
處理器的選型要求和指標是功耗低，保證長時間不更換電源也能順利工作，供給電壓小于5 V，有較快的處理速度和能力，由于節(jié)點是需要大量安置的，所以價格也要相對便宜。選用AVR單片機，考慮到電路中I／O的個數不多，功耗低、成本低、適合與無線器件接口配合等多方面因素，綜合對比后，選用Atmel公司的ATmega128L。該微型控制器擁有豐富的片上資源，包括4個定時器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM；擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便無線器件和傳感器的接入；有6種電源節(jié)能模式，方便低功耗設計。
2.3無線通信器件選型 CC2420是一款符合ZigBee技術的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器，其MAC層和PHY層協議符合802.15.4規(guī)范，工作于2.4 GHz頻段。該器件只需極少外部元件，即可確保短距離通信的有效性和可靠性。數據傳輸單元模塊支持數據傳輸率高達250 Kb／s，即可實現多點對多點的快速組網，系統(tǒng)體積小、成本低、功耗小，適于電池長期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點。
2.4傳感器選型
由于WSNs是用于礦下安全監(jiān)測，常要檢測礦下可燃氣體的濃度(預防瓦斯氣體濃度過高)和空氣濕度，所以要選擇測量氣體濃度和濕度的傳感器。
HIH-4000系列測濕傳感器作為一個低成本、可軟焊的單個直插式組件(SIP)能提供儀表測量質量的相對濕度(RH)傳感性能。RH傳感器可用在二引線間有間距的配量中，它是一個熱固塑料型電容傳感元件，其內部具有信號處理功能。傳感器的多層結構對應用環(huán)境的不利因素，諸如潮濕、灰塵、污垢、油類和環(huán)境中常見的化學品具有最佳的抗力，因此可認定它能適用礦下環(huán)境。
2.4.2 MR511熱線型半導體氣敏元件
MR511型氣敏元件利用氣體吸附在金屬氧化物半導體表面而產生熱傳導變化及電傳導變化的原理，由白金線圈電阻值變化測定氣體濃度。MR511由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時，檢測元件的電阻減小，橋路輸出電壓變化，該電壓變化隨氣體濃度的增大而成比例增大，補償元件具有溫度補償作用。MR511除具有靈敏度高、響應恢復時間短、穩(wěn)定性好特點外，還具有功耗小，抗環(huán)境溫濕度干擾能力強的優(yōu)點。WSNs的節(jié)能和井下惡劣溫濕環(huán)境要求MR5111可以滿足。
3.1數據采集單元
考慮到無線傳感器網絡節(jié)點的節(jié)能和井下惡劣的溫濕環(huán)境，為了便于數據采集，系統(tǒng)設計采用HIH-4000-01型測濕度傳感器和MR511熱線型半導體氣體傳感器。圖2、圖3分別給出其電路設計圖。
3.2數據處理單元
ATmega128L的外圍電路設計簡單，設計時注意在數字電路的電源并人多只電容濾波。ATmega128L的工作時鐘源可以選取外部晶振、外部RC振蕩器、內部RC振蕩器、外部時鐘源等方式。工作時鐘源的選擇通過ATmega128L的內部熔絲位來設計。熔絲位可以通過JTAG編程、ISP編程等方式設置。ATmega128L采用7.3728 MHz和32.768 kHz兩個外部晶振。前者用作工作時鐘，后者用作實時時鐘源。
3.3數據傳輸單元
3.3.1 CC2420外圍電路設計
圖4給出數據傳輸單元的外圍電路。CC2420只需要極少的外圍元器件。其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。
射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50 Ω，同時為器件內部的PA及LNA提供直流偏置。射頻輸入／輸出是高阻抗，有差別。射頻端最適合的負載是115+j180 Ω。C61、C62、C71、C81、L61組成不平衡變壓器，L62和L81匹配射頻輸入輸出到50 Ω；L61和L62同時提供功率放大器和低噪聲放大器的直流偏置。內部的T／R開關是為了切換低噪聲放大器／功率放大器。R451偏置電阻是電流基準發(fā)生器的精密電阻。CC2420本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。若由內部電路提供時，需外加晶體振蕩器和兩只負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。設計采用16 MHz晶振時，其電容值約為22 pF。C381和C391是外部晶體振蕩器的負載電容。片上電壓調節(jié)器提供所有內部1.8 V電源的供應。C42是電壓調節(jié)器的負載電容，用于穩(wěn)定調節(jié)器。為得到最佳性能必須使用電源去耦。在應用中使用大小合適的去耦電容和功率濾波器是非常重要的。CC2420可以通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設置器件的工作模式，并實現讀，寫緩存數據，讀／寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP引腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射／接收緩存器。
3.3.2配置IEEE 802.15.4工作模式
CC2420為IEEE 802.15.4的數據幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為：頭幀+數據幀+校驗幀；PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長度可通過設置寄存器改變，采用16位CRC校驗來提高數據傳輸的可靠性。發(fā)送或接收的數據幀被送入RAM中的128字節(jié)緩存區(qū)進行相應的幀打包和拆包操作。表1給出CC2420的四線串行SPI接口引腳功能。它是設計單片機電路的依據，充分發(fā)揮這些功能是設計無線通信產品的前提。
3.3.3 CC2420與單片機接口電路設計
圖5給出CC2420與ATmega128L單片機的接口電路。CC2420通過簡單的四線(SI、SO、SCLK、CSn)與SPI兼容串行接口配置，這時CC2420是受控的。ATmega128L的SPI接口工作在主機模式，它是SPI數據傳輸的控制方；CC2420設為從機工作方式。當ATmega128L的SPI接口設為主機工作方式時，其硬件電路不會自動控制SS引腳。因此，在SH通信時，應在SPI接口初始化，它是由程序控制SS，將其拉為低電平，此后，當把數據寫入主機的SPI數據寄存器后，主機接口將自動啟動時鐘發(fā)生器，在硬件電路的控制下，移位傳送，通過MOSI將數據移出ATmega128L，并同時從CC2420由MISO移人數據，8位數據全部移出時，兩個寄存器就實現了一次數據交換。
4結語
通過對于無線傳感器網絡節(jié)點中傳感器元件、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源的選擇，設計了一種以CC2420和ATmega128L為主體的硬件方案。利用該方案設計的CC2420和ATmega128L的外圍電路以及兩者之間的接口電路。此外，還對傳感器與單片機的接口電路進行設計。通過實驗驗證，設計的硬件節(jié)點基本上達到了項目要求，經調試能通過傳感器正確真實地采集數據，并實現兩個無線節(jié)點(兩個電路板。AA電池供電)在30 m左右的通信、傳輸數據、并反映到終端設備。
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