無(wú)線(xiàn)傳感囂網(wǎng)絡(luò )的嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設計

為了提高無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統的效率，保證傳輸距離，射頻電路天線(xiàn)的選取也至關(guān)重要，其中包括射頻天線(xiàn)形狀、輸出方向、天線(xiàn)長(cháng)度、天線(xiàn)材料等一系列因素。射頻電路常用差動(dòng)天線(xiàn)、不平衡天線(xiàn)。典型的差動(dòng)天線(xiàn)(如雙極天線(xiàn))，不需要巴倫(balun)匹配可直接接人。其他短距離通信的天線(xiàn)有單極天線(xiàn)、螺旋天線(xiàn)和環(huán)狀天線(xiàn)。螺旋天線(xiàn)可以看作是單極天線(xiàn)和環(huán)狀天線(xiàn)的混合，但是優(yōu)化起來(lái)比單極天線(xiàn)困難。環(huán)狀天線(xiàn)易于集成到印刷電路板(PCB)中，但是由于發(fā)射阻抗非常低，難于匹配，且匹配效果不好，因此設計中選用單極天線(xiàn)。
單端單極天線(xiàn)要求在差分輸出和天線(xiàn)之間有巴倫匹配。巴倫匹配可以采用傳輸線(xiàn)形式，也可以采用離散元器件形式，兩種形式都等效于在天線(xiàn)連接處匹配了50 Ω的負載。傳輸線(xiàn)形式較離散元器件形式，不僅改善了誤差向量幅度性能，而且靈敏度和諧波抑制也得到改善，所以設計中采用了傳輸線(xiàn)形式。CC2430無(wú)線(xiàn)收發(fā)PCB布線(xiàn)圖如圖6所示。

在PCB布線(xiàn)方面，λ／2巴倫匹配的傳輸線(xiàn)確保射頻信號在正確的頻段，同時(shí)要遠離有耗材料(比如電池)，靠近射頻芯片以減少兩者之間的射頻損耗。另外，還要避免數字信號對其的干擾。因此，傳輸線(xiàn)各方向上要留有一定的避讓空間，該距離與工作頻率成反比。避讓空間沒(méi)有固定公式，根據物理形狀、材料的射頻損耗等確定。對于芯片，避讓空間的最小半徑在λ／100左右；對于較大的有源損耗體(如AA電池)，最小半徑在λ／10左右(λ為無(wú)線(xiàn)通信頻率的波長(cháng))。采用的巴倫匹配傳輸線(xiàn)的避讓空間如圖6所示。經(jīng)匹配后的網(wǎng)關(guān)與節點(diǎn)能在150～200 m的范圍內自由通信，傳輸效果令人滿(mǎn)意。
3．4 存儲單元
微處理器自帶128 KB Flash不能滿(mǎn)足操作系統的移植存儲的代碼量，以及傳感器節點(diǎn)每天采集的數據量(64個(gè)節點(diǎn)一天大約4．3K)，故必須進(jìn)行存儲器的擴展。結合考慮微處理器外設接口和數據存儲讀寫(xiě)速度，選擇2 Mb的非易失性鐵電隨機存儲器FM25H20。其硬件原理圖如圖7所示。

FM25H20具有無(wú)限的讀寫(xiě)次數，掉電數據多達10年保持時(shí)間，寫(xiě)數據無(wú)延時(shí)，快速SPI串行協(xié)議，高達40 Mbps的總線(xiàn)速度，完善的軟、硬件寫(xiě)保護，極低的靜態(tài)工作電流(5μA)，非常適合本嵌入式網(wǎng)關(guān)設計的需要。
3．5 電源模塊
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)一般工作在無(wú)人值守的環(huán)境下，所以選擇能源非常重要；另外，自然界的能源補充也至關(guān)重要。設計中采用太陽(yáng)能電池板實(shí)現整個(gè)系統的能源供給。比較當今常用電池性能，分析計算設計節點(diǎn)各模塊的功耗，選擇額定電壓為3．7 V、容量為1 Ah的高能量密度電池鋰離子電池(Lithium Ion battery)。與同樣大小的鎳鎘電池、鎳氫電池相比，電量?jì)渥畲?、重量最輕、壽命最長(cháng)、充電時(shí)間最短、無(wú)記憶效應，是目前性能最好的電池。雙組電源輪流供電(一用一備)，利用無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊A／D采樣、自動(dòng)監測控制電池電壓，根據設計的電池上下限值自動(dòng)開(kāi)啟太陽(yáng)能電池板對其自動(dòng)充電，始終做到整個(gè)節點(diǎn)電源供給穩定。

結 語(yǔ)
本文針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)，對WSN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了研究，并給出了詳細的硬件實(shí)現方案。關(guān)鍵模塊是：基于SIM1300C模塊的GPRS接口實(shí)現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )到有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸；基于CC2430芯片的RF收發(fā)電路。通過(guò)研究，較好地解決了WSN數據從采集地到監控中心的雙向傳輸問(wèn)題，從邏輯上將物理世界與信息世界更加緊密地融合于一體；在低功耗、高速度、低噪聲、低成本方面取得了較為滿(mǎn)意的結果，為開(kāi)發(fā)和構造無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)拓了新的應用領(lǐng)域。