無(wú)線(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之硬件設計

　　圖8中虛線(xiàn)左側是由LM331 芯片構成的頻率/ 電壓（F/V） 轉換電路。圖2-2-5中輸出的反映濕度信息的變頻脈沖信號fo經(jīng)C2R 網(wǎng)絡(luò )接入LM331的比較器閾值端6腳，脈沖的下降沿引起輸入比較器觸發(fā)定時(shí)電路，1 腳流出的平均電流為：iAv E = i （1. 1 R8 C4 ） ×f O （1）此電流經(jīng)RC 網(wǎng)絡(luò )濾波即可獲得與f o 脈沖信號頻率成正比的直流電壓[ 6 ] :V out = f o ×2. 09V ×（ R9 / Rs ） ×（ R8 C4 ） （2）該部分F/ V 轉換器是輸出信號的電壓正比于輸入信號的頻率的線(xiàn)性變化電路，F/ V 轉換電路輸出呈0～5 V 之間的線(xiàn)性模擬電壓變化量，對應于相對濕度0～100 %RH 的變化。

圖8

　　我們也可以采用另一種集成的濕度傳感器設計方案，它采用DHT11數字濕度傳感器，DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專(zhuān)用的數字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(cháng)期穩定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過(guò)程中要調用這些校準系數。單線(xiàn)制串行接口，使系統集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類(lèi)應用甚至最為苛刻的應用場(chǎng)合的最佳選則。由于其外圍電路比較簡(jiǎn)單，在這里就不在贅述。

　　2.3 處理器及通信模塊設計

　　2.3.1 節點(diǎn)處理器

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)各單元中，核心單元為處理器單元以及射頻單元。處理器單元決定了節點(diǎn)的數據處理能力，路由算法的運行速度以及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )形式的復雜程度。而且不同處理器工作頻率不同，在不同狀態(tài)下消耗功率也不相同，因此不同處理器的選用也在一定程度上影響了節點(diǎn)的整體能耗和節點(diǎn)的工作壽命。射頻單元的選擇直接影響了無(wú)線(xiàn)通信使用的頻段、節點(diǎn)間數據通信的收發(fā)速率以及節點(diǎn)的通信距離等。

　　根據具體應用的需求，目前節點(diǎn)平臺中的處理器有以下幾種選擇：（1） ATMega128L芯片是ATMEL公司生產(chǎn)的AVR系列處理器。該系列處理器為增強RISC 內載閃存（Flash）的芯片。（2）MSP430系列單片機是德州儀器（TI）公司的一種混合信號控制器，其最顯著(zhù)的特點(diǎn)就是具有超低功耗特性。（3）若需要無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)實(shí)現復雜的數據處理功能以及復雜的路由協(xié)議等，就要采用功能更強大的處理器來(lái)滿(mǎn)足數據計算量的要求。具有代表性的是英特爾（Intel）公司生產(chǎn)的imote2節點(diǎn)采用的PXA270處理器。該處理器最高主頻達624MHz，具有極強的計算能力，足以應付包括視頻在內的各種復雜數據處理需求。（4）此外為了降低節點(diǎn)的成本，一些平臺采用了通用的8051處理器，如AT89C52。這類(lèi)處理器具有貨源充足、價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為價(jià)格敏感的應用提供了解決方案。

　　2.3.2 節點(diǎn)射頻通信單元

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，廣泛應用的底層通信方式包括使用ISM波段 的普通射頻通信以及具有802.15.4協(xié)議和藍牙通信協(xié)議的射頻通信。使用普通ISM頻段的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)主要采用的射頻芯片包括Chipcon公司生產(chǎn)的CC1000，Nordic公司生產(chǎn)的nrf903，Semtech公司生產(chǎn)的XE1205。還有部分無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)使用了帶有802.15.4/ZigBee協(xié)議的通信芯片，主要包括Chipcon公司的CC2420芯片，RFWave公司的RFW102芯片組。

　　為了滿(mǎn)足節點(diǎn)體積微型化的需要，人們相繼推出了多款整合了處理器和射頻單元的芯片，下面是幾種ZigBee解決方案的對比：

　　當然最具代表性的是Chipcon AS公司推出的CC2430、CC2431芯片，它們提供了簡(jiǎn)單方便的ZigBee/IEEE 802.15.4低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )解決方案，為節點(diǎn)平臺的微型化提供了可能。

　　CC2430芯片在以往CC2420射頻芯片的基礎上整合了微處理器，存儲單元以及ZigBee 射頻（RF）前端。這樣在使用極少外圍器件的情況下就可以實(shí)現節點(diǎn)方案。處理器采用了8位的8051處理器，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還具有多種內部資源，如模擬數字轉換器、定時(shí)器、看門(mén)狗等，使系統的設計開(kāi)發(fā)更為方便。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流為27 mA。在接收和發(fā)射模式下，電流分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動(dòng)模式的時(shí)間極短的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(cháng)的應用。

　　CC2431是在CC2430以及摩托羅拉基于IEEE 802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)電定位解決方案的基礎上，集成在單一硅芯片上的系統解決方案，不僅具有CC2430的相關(guān)特點(diǎn)還具有硬件定位的功能。

　　圖10為CC2431的功能模塊圖。

圖10