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)

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。

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