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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件的模塊化設計
隨著(zhù)人們對于環(huán)境監測要求的不斷提高，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)以其投資成本低、架設方便、可靠性高的性能優(yōu)勢得到了比較廣泛的應用。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)需要實(shí)現采集、處理、通信等多個(gè)功能，因此硬件上采用模塊化設計可以大大提高網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的穩定性和安全性。那么下面小編就來(lái)討論一下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件的模塊化設計。
1 CC2430芯片簡(jiǎn)介
CC2430是一款工作在2.4 GHz免費頻段上，支持IEEE 802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。該芯片具有很高的集成度，體積小功耗低。單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。CC2430擁有1個(gè)8位MCU(8051)，8 KB的RAM，32 KB、64 KB或128 KB的Flash，還包含模擬數字轉換器(ADC)，4個(gè)定時(shí)器(Timer)，AESl28協(xié)處理器，看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog-timer)，32.768 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器，上電復位電路(Power-on-Reset)，掉電檢測電(Brown-out-Detection)，以及21個(gè)可編程I/O接口。
CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別為26.7 mA和26.9 mA;休眠時(shí)電流為O.5 μA。CC2430的休眠模式和轉換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(cháng)的應用。
2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統結構
整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由若干采集節點(diǎn)、1個(gè)匯聚節點(diǎn)、1個(gè)中轉器、1個(gè)上位機控制中心組成，系統結構如圖1所示。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采集節點(diǎn)完成數據采集、預處理和通信工作;匯聚節點(diǎn)負責網(wǎng)絡(luò )的發(fā)起和維護，收集并上傳數據，將中轉器下發(fā)的命令通告采集節點(diǎn);中轉器負責上傳收集到的數據并將控制中心發(fā)出的命令信息傳遞給匯聚節點(diǎn);控制中心負責處理最終上傳數據，并且可以由用戶(hù)下達網(wǎng)絡(luò )的操作命令。
采集節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)由CC2430作為控制核心，采集節點(diǎn)可采集并傳遞數據，匯聚節點(diǎn)負責收集所有采集節點(diǎn)采集到的數據。中轉器采用ARM處理器作為控制核心，和匯聚節點(diǎn)采用串口通信，以GPRS通信方式和上位機控制中心進(jìn)行交互。上位機控制中心實(shí)現人機交互，可以處理、顯示上傳的數據并且可以直接由客戶(hù)下達網(wǎng)絡(luò )動(dòng)作執行命令。
3 節點(diǎn)模塊化設計
匯聚節點(diǎn)和采集節點(diǎn)在硬件配置上基本相同，采用模塊化設計使得設計通用性更好。
每個(gè)節點(diǎn)主要由控制模塊、無(wú)線(xiàn)模塊、采集模塊、電源模塊4部分構成。
3.1 控制模塊
控制模塊主要由CC2430及其外圍電路構成，完成對采集數據的處理、存儲以及收發(fā)工作，并對電源模塊進(jìn)行管理。芯片CC2430包括21個(gè)可編程I/0口，其中8路A/D接口，可滿(mǎn)足多路傳感器的采集、處理需求。CC2430自帶了一個(gè)復位接口，外接一個(gè)復位按鍵可以實(shí)現硬件初始化系統。32 MHz晶振提供系統時(shí)鐘，32.768 kHz晶振供系統休眠時(shí)使用。
節點(diǎn)選用芯片FM25L256作為存儲設備，這是一款256 Kb鐵電存儲器，其SPI接口頻率高達25 MHz，低功耗運行以及10年的數據保持力保證了節點(diǎn)數據存儲的低成本以及可靠性。
3.2 無(wú)線(xiàn)模塊
無(wú)線(xiàn)模塊負責節點(diǎn)間數據和命令的傳輸，因此，合理設計無(wú)線(xiàn)模塊是節點(diǎn)穩定、高效通信的重要保證。
TI公司提供了一個(gè)適用于CC2430的微帶巴倫電路，這個(gè)設計把無(wú)線(xiàn)電RF引腳差分信號的阻抗轉換為單端50 Ω。由于該電路直接影響節點(diǎn)的通信質(zhì)量，在使用前必須對其進(jìn)行仿真驗證。設計中選用ADS仿真軟件進(jìn)行仿真，采用了版圖和原理圖的聯(lián)合仿真方法。仿真電路圖如圖5所示，微帶電路為T(mén)I提供的微帶巴倫電路，分立元件均選自村田公司元件庫內的模型，嚴格保證了仿真數據的真實(shí)性和可靠性。巴倫電路在工作頻段內(2.400～2.4835 GHz)信號傳輸特性高效、穩定。
3.3 采集模塊
采集模塊負責采集數據并調理數據信號。本設計中，監測的是土壤的溫度和濕度數據，采用的傳感器是PTWD-3A型土壤溫度傳感器以及TDR-3型土壤水分傳感器。
PTWD-3A型土壤溫度傳感器采用精密鉑電阻作為感應部件，其阻值隨溫度變化而變化。為了準確地進(jìn)行測量，采用四線(xiàn)法測量電阻原理，將電阻信號調理成CC2430芯片A/D通道能采樣的電壓信號。由P354運算放大器、高精度精密貼片電阻以及2.5 V電源構成10 mA恒流源。10 mA的電流環(huán)流經(jīng)傳感器電阻R1、R2將電阻信號轉換成為電壓信號，由差分放大器LT1991一倍增益將信號轉換為單端輸出送入CC2430芯片的ADC通道進(jìn)行采樣。
TDR-3型土壤水分傳感器輸出信號即為電壓信號。傳感器輸出信號通過(guò)P354運算放大器送入CC2430芯片的ADC通道進(jìn)行采樣。
3.4 電源模塊
電源模塊負責調理電壓、分配能量，分為充電管理模塊、雙電源切換管理模塊、電壓轉換模塊3個(gè)模塊。本設計中采用額定電壓12 V、電容量3 Ah的鉛酸電池供電。
作為環(huán)境監測的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用，節點(diǎn)需要在野外無(wú)人看守的情況下進(jìn)行工作，能量補給是系統持續工作的重要保證。本設計采用太陽(yáng)能電池板為節點(diǎn)在野外工作時(shí)進(jìn)行電能的補給，充電管理模塊則是根據日照情況以及電池能量狀態(tài)對鉛酸電池進(jìn)行合理、有效的充電。光電耦合器TLP521-100和場(chǎng)效應管Q共同構成了充電模塊的開(kāi)關(guān)電路，可以由CC2430芯片的I/0口很方便地進(jìn)行控制。
在太陽(yáng)能電池板對電池充電時(shí)，電池不能對系統進(jìn)行供電，因此設計中采用了雙電源供電方式，保持“一充一供”的工作狀態(tài)，雙電源切換管理模塊負責電源的安全、快速切換。如圖10所示，采用了兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路對兩塊電源進(jìn)行切換。
在電源進(jìn)行切換時(shí)，總是先打開(kāi)處于閑置狀態(tài)的電源，再關(guān)閉正在為系統供電的電源，因此會(huì )在一段短暫的時(shí)間內同時(shí)有兩個(gè)電源對系統供電，這是為了防止系統出現掉電情況。
電源模塊需提供5 V、3.3 V、2.5 V等多組電源以滿(mǎn)足節點(diǎn)各模塊的供能需求。由于系統電源組較多，電壓轉換模塊采用了開(kāi)關(guān)型降壓穩壓器以及低壓差線(xiàn)性穩壓器等多種電壓轉換芯片來(lái)對電源進(jìn)行電壓轉換，同時(shí)要確保電源模塊供能的高效性。
結語(yǔ)
節點(diǎn)的設計對整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統至關(guān)重要。本設計采用了功能強大的射頻芯片CC2430作為核心管理芯片，能較好地完成數據采集、分析、傳輸等多個(gè)功能。硬件的模塊化設計大大加強了節點(diǎn)的穩定性、可靠性和通用性，在野外無(wú)人值守的情況下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統可以長(cháng)期、穩定地進(jìn)行環(huán)境方面的監測。
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