基于ZigBee的通用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)任意散落在被監測區域內。節點(diǎn)以自組織形式構成網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)多跳中繼方式將監測數據傳到Sink節點(diǎn)，最終借助長(cháng)距離或臨時(shí)建立的Sink鏈路將整個(gè)區域內的數據傳送到遠程中心進(jìn)行集中處理。圖1給出了一般形式的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構[3]。

　　針對環(huán)境及結構狀態(tài)監測，我們設計了一種通用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件平臺，該硬件平臺由若干傳感器節點(diǎn)、具有無(wú)線(xiàn)接收功能的Sink節點(diǎn)及一臺計算機構成。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)分布于需要監測的區域內，執行數據采集、處理和無(wú)線(xiàn)通信等工作，Sink節點(diǎn)接收各傳感器的數據并以有線(xiàn)的方式將數據傳送給計算機，如圖2所示。

　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的硬件設計

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)一般由傳感器模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。其中，傳感器模塊負責采集監視區域的信息并完成數據轉換，采集的信息可以包含溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力等；數據處理 模塊負責控制整個(gè)節點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理以及任務(wù)管理等；數據傳輸模塊負責與其他節點(diǎn)或Sink節點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，交換控制消息和收發(fā)采集數據；電源管理模塊選通所用到的傳感器，節點(diǎn)電源采用微型紐扣電池，以減小節點(diǎn)的體積。

　　我們設計的節點(diǎn)實(shí)現機理是以ZigBee傳輸模塊代替傳統的串行通信模塊，將采集到的信息數據以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送出去。該節點(diǎn)包含ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口電路、直流電源模塊以及外部存儲器等。為了降低傳感器節點(diǎn)的成本，減小傳感器節點(diǎn)的體積，我們采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實(shí)現傳感器節點(diǎn)的數據傳輸和處理功能。圖3是設計的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的結構框圖。下面將分別介紹無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)中的幾個(gè)主要功能模塊。

　　SoC芯片CC2430

　　CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內存和微控制器。它使用1個(gè)8位8051 MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個(gè)可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18 μm 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，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。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。

　　得益于CC2430的高集成度，其外圍電路非常簡(jiǎn)單，只需要數量很少而且廉價(jià)的外圍元件，即可完成無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的數據傳輸和處理功能，因而大大降低了成本。

　　傳感器模塊

　　根據實(shí)際需要選擇不同的傳感器對監測區域內溫度、濕度、振動(dòng)、聲音和光線(xiàn)等物理信號進(jìn)行檢測?？蛇x用了光敏器件、數字格式傳感器和駐極體話(huà)筒，對光強、溫度、振動(dòng)和聲音等進(jìn)行探測。

　　光敏電阻5516是基于半導體光電效應工作的光導管，對光強感應靈敏度相當高，當受到一定波長(cháng)范圍的光照時(shí)，其阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加，通過(guò)參考電阻分壓后進(jìn)行模數變換即可獲得光敏電阻的阻值，進(jìn)而換算出光照強度。

　　Maxim公司的DS18B20是一線(xiàn)式數字溫度傳感器，測量結果可選用9～12位串行數據輸出，測量范圍-55～125℃，在-10～85℃測量準確度為±0.5℃。

　　駐極體話(huà)筒HX034P是電容式微麥克風(fēng)。輸入信號為聲音信號，輸出信號經(jīng)MAX4466構成的前置放大電路后進(jìn)行電壓值A/D采樣，處理器的A/D采樣頻率可達200KHz，可捕獲到聲音信號。

　　ADI公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器，它采用先進(jìn)的微型機電系統技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅編碼微機械傳感器，集成精確的信號處理電路，可測靜態(tài)及動(dòng)態(tài)加速度。該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監測、車(chē)輛安全和電池供電設備的運動(dòng)狀態(tài)測試等領(lǐng)域。

　　結合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，能夠實(shí)現溫度、加速度(震動(dòng))的準確測量與探測，光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在設計中不作精確標定；另外對聲音信號的捕獲和復現需要進(jìn)行大量的數據處理，從能量利用和傳感器節點(diǎn)功能的精簡(jiǎn)角度考慮，設計中對聲光強弱的探測通過(guò)設定閾值來(lái)給出布爾型輸出。

　　電源模塊

　　實(shí)現節點(diǎn)設計的微型化，節點(diǎn)可采用輸出電壓3.6V可充電鋰離子鈕扣電池LIR2032供電。該類(lèi)電池自放電率小于10％每月，但額定容量較小，限制了節點(diǎn)的生存期，若以?xún)晒?號電池供電，則可維持更長(cháng)的工作時(shí)間，在以網(wǎng)絡(luò )形式工作狀態(tài)下通過(guò)合理的設置節點(diǎn)發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機狀態(tài)，可有效地延長(cháng)節點(diǎn)的使用壽命。針對節點(diǎn)供電單元不便于更換的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，新的能源解決方法研究及網(wǎng)絡(luò )系統的低功耗設計也是當前值得關(guān)注的課題。