一種低成本無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計

目前有多種可供選擇的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)方案，如ZigBee，其具有功耗低、傳輸速率高、體積小、協(xié)議成熟、節點(diǎn)能夠協(xié)同工作等特點(diǎn)。但ZigBee由于采用國外技術(shù)，其芯片價(jià)格高，限制了它的普及應用。PT2262/PT2272系列編解碼芯片是一種采用CMOS工藝、低功耗、低價(jià)位芯片，在遙控門(mén)、防盜、玩具等產(chǎn)品中大量使用，但其在數據傳輸、安全性等方面有所不足。本文利用PIC16LF876單片機模仿PT2262編碼方式，并進(jìn)行了改進(jìn)，配合433MHz高頻發(fā)射電路，實(shí)現了數據的無(wú)線(xiàn)傳輸組網(wǎng)。傳感器選用具有數字I2C接口的雙軸加速度傳感器MX6202，可以無(wú)線(xiàn)采集加速度、傾斜角數值，具有接口簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)部分均選用低電壓器件，實(shí)現了單節鋰電池供電。特別適合網(wǎng)點(diǎn)數量龐大、對成本敏感(如家居、防盜、物聯(lián)網(wǎng)等)場(chǎng)合的應用。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器系統設計方案

無(wú)線(xiàn)傳感器系統包括傳感器節點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)兩部分。傳感器節點(diǎn)負責實(shí)地數據采集，網(wǎng)關(guān)負責接收各節點(diǎn)數據，匯總處理后經(jīng)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò )通知用戶(hù)。本文重點(diǎn)介紹傳感器節點(diǎn)，給出了軟硬件實(shí)現方法。無(wú)線(xiàn)傳感器系統組成如圖1所示。其中無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)中的虛線(xiàn)框為擴展部分，F05V與J05U為微型433M發(fā)射接收模塊；無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)部分負責匯總節點(diǎn)信息與外界通信，采用EM310模塊，GSM/GPRS傳輸。

圖1 低成本無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計框圖

傳感器網(wǎng)絡(luò )采用星形連接方式，由各無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)組成。在大部分場(chǎng)合下(如防盜、環(huán)境監測等)可以采用單向通信方式，即節點(diǎn)發(fā)射、網(wǎng)關(guān)接收，這樣，圖1中的虛線(xiàn)部中的節點(diǎn)的超外差接收電路、網(wǎng)關(guān)的RF發(fā)射電路即可以省去。當需要實(shí)時(shí)采集、強調同步性時(shí)，加上虛線(xiàn)框內部分，由網(wǎng)關(guān)集中控制各節點(diǎn)動(dòng)作，通過(guò)發(fā)采集或變更工作模式指令，控制各節點(diǎn)，采用雙向通信方案。本文介紹的為單向通信方案。

傳感器節點(diǎn)是系統的重要部分，負責現場(chǎng)采集工作，其工作穩定與否對整個(gè)系統具有至關(guān)重要的作用。而當節點(diǎn)數量較多時(shí)，它的成本占系統的絕大部分。有許多節點(diǎn)需要獨立在室外工作并由電池供電，對能耗有較高的要求。為此，本設計通過(guò)PIC單片機模擬PT2262芯片編碼，對433MHz高頻電路完成鍵控調制(ASK)，省去了無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，實(shí)現了通用MCU+傳感器的節點(diǎn)方案，大大降低了系統成本。采用的PIC超低功耗MCU，具有與MSP430相似的節能特性，選用低電壓RF模塊F05V，實(shí)現了系統的3.3V供電。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)設計

2.1 節點(diǎn)硬件電路設計

無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)是本文的重點(diǎn)部分，需要滿(mǎn)足低成本、低功耗、小體積、適合電池供電等要求。無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)方案比較如表1所示。

表1 無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)方案比較

(1)本節點(diǎn)設計時(shí)所用器件及其性能：選用的PIC16LF876單片機，其性?xún)r(jià)比較高、外設豐富、工作穩定，具有針對電池供電的低功耗系列；最高速率為4MIPS，工作電壓為2~5.5V，22 個(gè)I/O 口，片上集成有WDT、CCP、PWM、A/D等外設，14KB Flash，368bit RAM、256bit EEPROM，具有休眠省電模式。PIC16系列單片機不同型號之間大部分可兼容，可以根據需要，選用價(jià)格更低的PIC16F72或采用納瓦(nW)及超低功耗技術(shù)的PIC16F723，程序稍作改動(dòng)，器件即可封裝兼容。

(2)加速度傳感器選用數字I2C接口的雙軸加速度傳感器MXC6202，其具有±2g的測量范圍，可以測量重力加速度，小體積、低功耗、接口簡(jiǎn)單，工作電壓范圍為2.7~3.6V，有休眠模式，在保證低價(jià)格、小體積的同時(shí)，可以滿(mǎn)足防盜、人體姿態(tài)測量等應用的需求。

(3)RF電路采用F05V微型發(fā)射模塊，具有2.1~3.5V的低電壓、低功耗(10mA，連發(fā))及1~10kb/s的傳輸速率，可以滿(mǎn)足監控等場(chǎng)合數據采集的需要。小體積、低價(jià)位，只有正電源、地、數據輸入、天線(xiàn)(天線(xiàn)按照手冊由導線(xiàn)繞制而成)輸出4個(gè)接口，可以像一個(gè)三極管一樣使用它。

(4)網(wǎng)關(guān)配套的接收電路是J05U超外差接收模塊，具有與F05V類(lèi)似的特點(diǎn)。使用PT2262/PT2272編解碼方案，開(kāi)闊地接收距離在300m左右。