基于nRF905的溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由許多無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)協(xié)同組織起來(lái)的，這些節點(diǎn)具有無(wú)線(xiàn)通訊、數據采集和協(xié)同合作能力，可以應用于布線(xiàn)和電源供給困難或人員不能到達的區域以及一些臨時(shí)場(chǎng)合等。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可以隨機或特定地布置在目標環(huán)境中，它們之間的通訊通過(guò)特定的協(xié)議自組織起來(lái)，能夠獲取周?chē)h(huán)境的信息，并且相互協(xié)同完成特定任務(wù)。本文基于nRF905設計了一款無(wú)線(xiàn)溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將普通辦公樓室內的溫度采集傳感器節點(diǎn)連接起來(lái)，實(shí)時(shí)采集房間內的溫度信息，并傳送到遠程控制中心進(jìn)行監測。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )概述

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統通常包括傳感器節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)和管理節點(diǎn)。傳感器節點(diǎn)用多跳中繼的方式將數據傳送到匯聚節點(diǎn)，然后再經(jīng)過(guò)各種通信網(wǎng)絡(luò )途徑傳送到用戶(hù)交互的管理節點(diǎn)；管理節點(diǎn)對整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行配置和對管理項進(jìn)行管理，及時(shí)地收集信息數據并發(fā)布監測任務(wù)。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

①基于應用的網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是對每一個(gè)應用進(jìn)行相關(guān)的設計的，通過(guò)感知識別客觀(guān)世界的物理量，它可以獲取外部信息。

②與物理世界交互。外部環(huán)境變化對無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )系統的影響較大，因此，傳感器節點(diǎn)必須適時(shí)地調整自身工作狀態(tài)，以適應環(huán)境的變化。

③自組織網(wǎng)絡(luò )。為了能夠快速自動(dòng)地配置調節、監測與管理網(wǎng)絡(luò )，節點(diǎn)需具有自組織能力，這是因為網(wǎng)絡(luò )的外部環(huán)境不穩定，網(wǎng)絡(luò )自身也有很多不可預測的地方。

④以數據為中心。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )以數據為中心，快速有效地融合各節點(diǎn)信息，直接將其傳送給用戶(hù)。

⑤網(wǎng)絡(luò )的協(xié)作性。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )要求用大量節點(diǎn)進(jìn)行分布式協(xié)同的信號和信息處理，這是因為單個(gè)節點(diǎn)計算能力有限。

⑥節點(diǎn)能力有限。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計時(shí)，會(huì )面臨電池能量、計算能力以及存儲能力有限的情況。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有許多其他網(wǎng)絡(luò )所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，其應用領(lǐng)域已經(jīng)深入到人類(lèi)社會(huì )的許多場(chǎng)合，例如在環(huán)境、反恐、家庭、軍事、醫療、救災以及其他商業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域。

溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )的結構組成

根據系統要求，溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )包括遠程控制中心和智能節點(diǎn)。遠程控制中心用于發(fā)起數據采集命令，智能節點(diǎn)用以實(shí)現信息的采集、數據處理以及傳輸功能，其結構組成如圖1所示，主要由控制模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、通訊模塊、溫度采集模塊、存儲模塊、電量檢測模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊以及GSM模塊等組成。依據實(shí)際應用背景，在所設計的溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )中，普通節點(diǎn)首先通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻將所測溫度數據傳輸給匯聚節點(diǎn)，然后匯聚節點(diǎn)通過(guò)GSM模塊將數據傳給遠程控制中心。

圖1 溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )結構組成圖

溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計

控制模塊設計

控制模塊的功能包括：①測量并處理傳感器模塊數據；②讀取并處理無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊接收的數據，進(jìn)行數據融合，配置系統參數；③通信協(xié)議處理，完成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信中的MAC和路由協(xié)議處理。因此，綜合考慮控制模塊的處理速度、存儲空間、外圍接口、功能和功耗等因素，本設計選取µPD78F0485微控制器作為控制模塊的核心器件。

µPD78F0485微控制器具有如下特點(diǎn)：①工作電壓低、范圍寬、功耗低：電壓為1.8V~5.5V；在STOP模式下工作電流1µA，使用副時(shí)鐘（32.768kHz）全速工作時(shí)電流僅200µA。②方便的開(kāi)發(fā)方式，存儲容量大：支持在線(xiàn)編譯，具有片上調試功能；內部存儲器為60KB，高速RAM為1KB，擴展ROM為1KB，存儲空間為64K。③管腳驅動(dòng)能力強：驅動(dòng)電流可達10mA，可直接連接到電流低于10mA的芯片的電源引腳上，為這些芯片提供電源。④具有8通道10位AD轉換器；內置看門(mén)狗定時(shí)器。⑤具有按鍵中斷功能，方便系統實(shí)時(shí)響應用戶(hù)操作。⑥具有LCD控制器/驅動(dòng)器，可直接驅動(dòng)液晶顯示器。⑦具有1個(gè)16位的定時(shí)器/事件計數器，3個(gè)8位的定時(shí)器/事件計數器，3個(gè)8位的定時(shí)器，1個(gè)實(shí)時(shí)計數器，定時(shí)器可用作實(shí)現整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)定位過(guò)程中的延時(shí)，實(shí)時(shí)計數器主要用作實(shí)現系統的時(shí)鐘同步功能。⑧兩通道串行接口等片內資源，可以直接連接GSM模塊和USB通訊模塊。⑨共有62個(gè)I/O口，多數接口具有內部上拉電阻，對于必須使用上拉電阻的電路，可使用內部上拉電阻，以節省電路板空間。⑩內置蜂鳴器輸出控制器，可實(shí)現低電壓報警、溫度報警等功能。

無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊設計

本設計在考慮調制方式、功耗、傳輸距離、功率等因素的基礎上，選取Nordic VLSI公司的無(wú)線(xiàn)射頻芯片nRF905。nRF905是一款低功耗無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，可工作于433/868/915MHz ISM頻段，GFSK調制，本設計采用433MHz為中心頻率。該收發(fā)芯片由功率放大器、頻率合成器、晶體振蕩器、接收解調器和調制器組成，片內自動(dòng)完成曼徹斯特編碼和解碼，廣泛應用于無(wú)線(xiàn)數據通信、無(wú)線(xiàn)報警及安全系統、無(wú)線(xiàn)開(kāi)鎖、無(wú)線(xiàn)監測和家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域。

nRF905通過(guò)SPI與微控制器進(jìn)行通信，可自動(dòng)處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗）。發(fā)送數據時(shí)，微控制器只需將配置寄存器信息、所要發(fā)送的數據和接收地址通過(guò)SPI傳送給nRF905，它會(huì )自動(dòng)完成數據的打包和發(fā)送。接收數據時(shí)，nRF905自動(dòng)檢測載波并進(jìn)行地址匹配，接收到正確數據后自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗碼，再通過(guò)SPI將數據傳送到微控制器。nRF905具有四種工作模式：掉電模式、待機模式、Shock Burst接收模式和Shock Burst發(fā)送模式。在掉電模式中，電流僅為2.5µA，易于實(shí)現節能。當nRF905處于掉電模式時(shí)，SPI接口仍可以保持在工作狀態(tài)；通過(guò)Shock Burst收發(fā)模式進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳輸，收發(fā)可靠，使用方便。因此，nRF905在諸多領(lǐng)域都具有廣闊的應用前景，這些特點(diǎn)決定了nRF905芯片非常適合應用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中。

無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的電路如圖2所示?？刂埔_TX_EN、TRX_EN、PWR_UP直接與微控制器的P44、P45、P46相連；狀態(tài)引腳DR與微控制器的中斷引腳P120/INTP0相連，狀態(tài)引腳CD、AM直接與微控制器P47、P10相連；由于系統沒(méi)有SPI總線(xiàn)，因此采用I/O引腳模擬SPI總線(xiàn)通信。微控制器的P11、P12、P13分別與nRF905的SCK、MOSI、MISO連接；微控制器的P14與SPI的控制端口CSN連接。nRF905通過(guò)電容和電感與天線(xiàn)J2相連接。nRF905帶有外部時(shí)鐘輸出引腳uPCLK，能夠輸出四種不同頻率的時(shí)鐘，采用示波器連接uPCLK引腳可測試nRF905是否工作正常。

圖2 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊電路圖

存儲模塊設計

傳感器節點(diǎn)需存儲用戶(hù)設定的參數以及運行記錄等大量數據。本設計選擇AT24C256作為存儲芯片，它是ATMEL公司推出的低功耗256K串行EEPROM芯片，具有如下特點(diǎn)：①具有三種工作電壓，分別為5.0V、2.7V、1.8V；②具有64字節頁(yè)寫(xiě)模式；③符合雙向數據傳送協(xié)議；④具有硬件寫(xiě)保護和軟件數據保護功能；⑤采用斯密特觸發(fā)，可抑制輸入噪聲；⑥采用2線(xiàn)串行接口；⑦內部可以組織成32K×8存儲單元。

AT24C256存儲器電路如圖3所示，AT24C256的A0引腳和A1引腳接地。由于µPD78F0485微控制器沒(méi)有I2C接口，因此采用µPD78F0485的I/O引腳模擬I2C總線(xiàn)通信。采用µPD78F0485的I/O引腳控制EEPROM的供電，將存儲器的電源引腳VCC與µPD78F0485的P12引腳相連接。使用存儲器時(shí)，需設置P12引腳輸出高電平，以實(shí)現為存儲器供電；不使用存儲器時(shí)，可將存儲器電源關(guān)掉，節省電量，這也保證了電源不穩定時(shí)不能訪(fǎng)問(wèn)EEPROM，防止EEPROM讀寫(xiě)出現錯誤。µPD78F0485的P13和P14與AT24C256的SCL引腳和SDA引腳相連接。

圖3 AT24C256存儲器電路圖