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      低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

      2015-10-13 02:39:50李坤明楊光友
      關(guān)鍵詞:無(wú)線(xiàn)電路傳感器

      李坤明,楊光友,李 軍

      (湖北省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院,湖北武漢430068)

      無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),應(yīng)用前景非常廣泛。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及多個(gè)方面技術(shù),主要是用廣泛分布的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以對(duì)環(huán)境變量進(jìn)行探測(cè),并將分析得到的相關(guān)數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn),從而得到數(shù)據(jù)的匯總,并加以研究。

      1 節(jié)點(diǎn)整體設(shè)計(jì)原則

      無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命由無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)所支撐,所以,傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的優(yōu)良將直接影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。根據(jù)傳感器所面對(duì)的環(huán)境和基本特點(diǎn),本文總結(jié)了以下幾個(gè)方面的基本設(shè)計(jì)原則。

      1)節(jié)能續(xù)航能力。節(jié)能續(xù)航能力是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多,不可能經(jīng)常給每個(gè)節(jié)點(diǎn)人工更換電池,所以在設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)采用合理的能量監(jiān)測(cè)與控制機(jī)制,讓網(wǎng)絡(luò)得以更長(zhǎng)時(shí)間的生存。

      2)成本高低。要盡量降低每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本,只有這樣才能讓節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多的傳感器網(wǎng)絡(luò)得到更廣的應(yīng)用。

      3)體型微型化。只有節(jié)點(diǎn)本身足夠小,才能保證不干擾所分布的系統(tǒng)環(huán)境。

      4)可擴(kuò)展性。節(jié)點(diǎn)可以適應(yīng)不同的外調(diào),以豐富節(jié)點(diǎn)的使用功能,且可以接多種傳感器。

      2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

      2.1 節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)

      在WSN中,最基本的單元是傳感器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)基本上都由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源模塊等4部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要由傳感器組成,用于探測(cè)目標(biāo)環(huán)境的變量;數(shù)據(jù)處理模塊為CPU,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)等功能;數(shù)據(jù)傳輸模塊為RF模塊,用于數(shù)據(jù)的傳輸;電源模塊給節(jié)點(diǎn)提供能量。

      2.2 制作線(xiàn)路板

      采用一體式平臺(tái)設(shè)計(jì)方案,即主控單片機(jī)與無(wú)線(xiàn)射頻單元合二為一。由于CC2430集成了無(wú)線(xiàn)射頻和微處理器,所以把CPU和RF簡(jiǎn)化為一個(gè)模塊,大大簡(jiǎn)化了電路。

      本節(jié)點(diǎn)為3層結(jié)構(gòu):第一層,底層為充放電模塊;第二層,中間層主要用于擴(kuò)展接口;第三層,上層是CC2430核心模塊。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

      圖1 一體式整體結(jié)構(gòu)圖

      2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊 節(jié)點(diǎn)主要通過(guò)各種類(lèi)型傳感器采集周邊環(huán)境變量。為了適應(yīng)多種傳感器的使用,做了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口:一個(gè)是三線(xiàn)的電壓信號(hào)輸入接口,可接通超聲波傳感器等(圖2);一個(gè)是二線(xiàn)的電流信息輸入接口,如接入霍爾電流傳感器等(圖3)。

      圖2 三線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口

      圖3 二線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口

      兩個(gè)接口分別做成三芯和二芯的插口:三芯的是接電壓信號(hào)輸入的傳感器;二芯的是電流信號(hào)輸入的傳感器。

      2.2.2 CC2430核心模塊 CC2430由 Chipcon公司生產(chǎn),其集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的2.4 GHz的ZigBee射頻前端,有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,具有14位的ADC、USART等功能,CC2430的休眠模式和主動(dòng)模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)間短的特性利于電池壽命的延長(zhǎng)。除此之外,CC2430芯片不需要復(fù)雜的外圍器件即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能,因而有利于節(jié)能。CC2430芯片集成了有51內(nèi)核。把CC2430做成一個(gè)模塊電路,單獨(dú)作為CPU和射頻,成為節(jié)點(diǎn)的核心部分。電路如圖4所示。

      圖4 CC2430原理圖

      2.2.3 電源模塊 本系統(tǒng)CC2430的工作電壓范圍為1.8~3.6 V(單片機(jī)典型工作電壓為3.3 V)。由于節(jié)點(diǎn)工作主要通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式,以安裝方便靈活為其最大特點(diǎn)之一,所以適宜用電池作為電源。

      硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中,節(jié)能是本文考慮的一個(gè)重要因素,它對(duì)于增加整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命有著關(guān)鍵作用。節(jié)點(diǎn)節(jié)能和增加節(jié)點(diǎn)壽命的最主要方式有兩種:一是休眠機(jī)制,即通過(guò)使節(jié)點(diǎn)在工作模式和休眠模式下任意轉(zhuǎn)換來(lái)達(dá)到節(jié)能的作用(本文不考慮);二是增加電池電量,給節(jié)點(diǎn)配置了一個(gè)3500 hm的鋰電池,比一般的5號(hào)電池更耐用,且可以充電循環(huán)利用。該電路可以提供穩(wěn)定的3.3 V電壓。

      參考CC2430的工作電壓,設(shè)計(jì)了一個(gè)3.6 V的鋰電池充放電電路模塊。該充放電電路采用的芯片是TP4507,工作電壓5 V,也就是說(shuō)可以用USB和一般的適配器給這個(gè)模塊充電。該芯片電路有鋰電池正負(fù)極反接保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、短路保護(hù)、自動(dòng)再充電等功能(圖5)。

      該電路有兩個(gè)指示燈:當(dāng)給電池充電的時(shí)候,D3(紅燈)會(huì)亮,表示正在充電;當(dāng)D2(綠燈)亮的時(shí)候,表示電已充滿(mǎn)。電池充滿(mǎn)的時(shí)候電壓最高可達(dá)4.2 V,通過(guò) ADP3339 芯片,把電壓轉(zhuǎn)到 3.3 V,給CC2430模塊供電。

      圖5 鋰電池充放電原理圖

      2.2.4 PCB制作 本節(jié)點(diǎn)把供電模塊、數(shù)據(jù)處理傳輸模塊和擴(kuò)展模塊分別做成單獨(dú)線(xiàn)路板,組成三層結(jié)構(gòu),也是為了減少對(duì)射頻信號(hào)的干擾,提高通訊的質(zhì)量。在PCB線(xiàn)路設(shè)計(jì)中,要注意以下幾點(diǎn)問(wèn)題:1)PCB板要進(jìn)行鋪銅達(dá)到接地的作用,這是必須的抗干擾措施;2)PCB天線(xiàn)遠(yuǎn)離高速信號(hào)線(xiàn)和布線(xiàn)密集的地方,以減少信號(hào)干擾;3)相鄰兩面的信號(hào)線(xiàn)盡量垂直交錯(cuò),少換層走線(xiàn),最好是走直線(xiàn),少走彎路,且走近路,需要轉(zhuǎn)折的地方,采用45°折線(xiàn)轉(zhuǎn)折。圖6為鋰電池電路層,圖7為終端節(jié)點(diǎn)實(shí)物。

      圖6 供電層

      圖7 節(jié)點(diǎn)實(shí)物

      3 軟件設(shè)計(jì)

      軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為IAR Workbench,主要用C語(yǔ)言編寫(xiě),程序設(shè)計(jì)思路:先把CC2430的端口初始化,配置時(shí)鐘,系統(tǒng)初始化;再對(duì)外設(shè)的相關(guān)部分進(jìn)行配置;然后再寫(xiě)主程序,通過(guò)JTag下載程序。

      4 硬件測(cè)試

      由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、規(guī)模大、功耗低、網(wǎng)絡(luò)壽命長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸良好等特點(diǎn),所以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良取決于節(jié)點(diǎn)的相關(guān)性能,因此,本測(cè)試的內(nèi)容主要包括節(jié)點(diǎn)靜態(tài)能耗、節(jié)點(diǎn)間傳輸距離。

      根據(jù)伏安法,在節(jié)點(diǎn)靜態(tài)工作時(shí),通過(guò)測(cè)電壓和電流的輸出,計(jì)算節(jié)點(diǎn)的功耗。測(cè)試結(jié)果表明,節(jié)點(diǎn)靜態(tài)功耗為3.3 V×42 mA=0.13 W。節(jié)點(diǎn)間最大傳輸距離為50~800 m。

      5 結(jié)束語(yǔ)

      本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)中應(yīng)用良好,實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感器的基本功能,極大降低了能量的消耗,延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的超低功耗的特點(diǎn),而且成本低廉,適合大規(guī)模分布節(jié)點(diǎn)。主要存在的缺陷是Jtag被設(shè)計(jì)在擴(kuò)展層上,這樣多個(gè)節(jié)點(diǎn)下載程序時(shí)至少要把一個(gè)節(jié)點(diǎn)取下,作為下載器,操作起來(lái)很麻煩。如將Jtag設(shè)計(jì)在CC2430模塊上,下載程序只需要把CC2430模塊取下即可。

      [1] 金福寶,曹 軍.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2007(04):73-75.

      [2] 張大蹤,楊 濤,魏東梅一種低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器2006(10):54-55,57.

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