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。

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，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)模塊化設計結構圖如圖2所示。

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。如圖3所示，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。存儲器外圍電路連接如圖4所示。

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。仿真結果如圖6所示，由圖可以看出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。