無(wú)線(xiàn)傳感器開(kāi)發(fā)系統的設計及實(shí)現

　　1 節點(diǎn)的硬件設計

　　傳感器節點(diǎn)的硬件結構主要由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊組成。傳感器節點(diǎn)一般采用電池供電，由于節點(diǎn)放置在危險或不易到達的區域，更換電池幾乎是不可能，因此節能成為設計的關(guān)鍵技術(shù)，此外，還要控制成本和體積。設計的節點(diǎn)硬件框圖如圖1所示。

　　1．1 微處理器模塊

　　存儲器存放待處理或接收的數據．選用Mierochip公司的25AAl024。該芯片的存儲量為1024KB，功耗低，讀寫(xiě)方式為SPI，占用10口少。節點(diǎn)索引號產(chǎn)生器選用MAXIM公司的DS2411，用來(lái)產(chǎn)生48位隨機數，作為節點(diǎn)的惟一標識號。

　　1．2 射頻模塊

　　射頻芯片的選取直接影響節點(diǎn)的功耗，因為節點(diǎn)消耗能量的近2／3都用于無(wú)線(xiàn)收發(fā)。選用的射頻芯片為NORDIC公司的nRF24L01。該芯片功耗低。在相同工作模式下，比Chipcon公司的CC2420芯片節省近l/3的能量；工作于2．4G～2．5GHz ISM頻段；支持高速跳頻；體積很??；外圍器件少，配置簡(jiǎn)單，且使用兩層PCB板，節省成本。nRF24L0l配置框圖如圖2所示。

　　nRF24L01與微處理器相連只需6根信號線(xiàn)，其中4根是SPI信號線(xiàn)，與ATMELGAl28L的SPI口相連；其余一根為片選，另一根用于中斷請求。

　　射頻電路要取得好的RF性能，PCB設計必須合理。nRF24L01的供電電源必須經(jīng)過(guò)良好的濾波，并且與數字電路分開(kāi)；避免長(cháng)距離走線(xiàn)；在射頻信號輸出部分，根據發(fā)送功率設置濾波網(wǎng)絡(luò )，以實(shí)現阻抗匹配，使到達天線(xiàn)的信號最強。要防止高頻信號泄漏，否則會(huì )對發(fā)射信號造成很大干擾。由于天線(xiàn)要散播電磁能量，需選用Q我較小的器件。制作PCB板時(shí)，在器件周?chē)层~，以提高抗干擾性能。

　　1．3 傳患器模塊和擴展口

　　板上設有一光敏電阻感應光信號，由于是模擬信號，需接入ATMELGAl28L的AD引腳進(jìn)行AD轉換后才可處理。板上還裝有一數字型溫濕度傳感芯片SHT15，可感知溫度和濕度，精確度較高，且功耗低，采用I2C讀寫(xiě)，占有IO口很少。

　　為了讓節點(diǎn)具有更廣泛的應用，節點(diǎn)板上接有擴展口，其中有I2C口、AD口和中斷口等，用來(lái)連接其他傳感器。

　　1．4 電源橫塊和電能消耗

　　節點(diǎn)有兩種供電方式，在實(shí)驗室調試和測試時(shí)通過(guò)開(kāi)發(fā)板供電，在外界環(huán)境中工作時(shí)，用2個(gè)AA電池供電。為了防止2個(gè)電源之間的干擾，在板上加有一個(gè)手動(dòng)開(kāi)關(guān)。

　　因為電能的消耗決定了傳感器節點(diǎn)的使用壽命，在節點(diǎn)的軟、硬件設計時(shí)，必須充分考慮能源的有效性。節點(diǎn)在各種運行模式下，必須關(guān)閉不必要的模塊以節省能量。當通信采用節點(diǎn)定時(shí)關(guān)閉和打開(kāi)的協(xié)議且關(guān)閉與打開(kāi)的時(shí)間比為1：99時(shí)，使用2節1000毫安時(shí)(mAhr)的AA電池供電，節點(diǎn)耗能如表1所示。

　　在上述工作模式下，如果用2節1000mA-hr的AA電池供電，則節點(diǎn)壽命為12．55個(gè)月。此值是在最大發(fā)送功率情況下計算的。當發(fā)送功率和收發(fā)速率變小時(shí)，耗能更少，傳感器的壽命會(huì )更長(cháng)。

　　2 開(kāi)發(fā)板的硬件設計

　　開(kāi)發(fā)板的硬件系統框圖如圖3所示。

節點(diǎn)CPU的JTAG口接在開(kāi)發(fā)板上。如果使用JTAG口下載和調試程序，則需要JTAG下載器。為此，設計了另一種下載方式，即串行下載。CPU通過(guò) USB口接收上位機的代碼，然后通過(guò)SPI口下載到節點(diǎn)CPU的FLASH。CPU為中心控制模塊，接收上位機的各種命令并進(jìn)行相應處理。CPU芯片選用 ATMEL公司的ATMELGAl6L，該芯片帶有可編程UART口和工作于主機，從機模式的SPI口。

　　USB轉換芯片實(shí)現上位機端的USB數據與下位機端的UART數據之間的轉換。選用芯片為FT232BM。由于編程板CPU、ATMELGAl28都要通過(guò)USB口與上位機通信，為了防止不同輸入輸出信號間的干擾，設計時(shí)用了兩個(gè)帶有使能控制的BUFFER來(lái)控制不同CPU串口通信的通斷。

　　為了更方便地配置傳感器節點(diǎn)，在板上集成了一塊E2PROM。目標代碼可以先存儲在EZPROM中。當需要向節點(diǎn)下載時(shí)，通過(guò)按鈕激發(fā)外部中斷即可將E2PROM的代碼通過(guò)SPI口寫(xiě)入節點(diǎn)CPU。操作方便簡(jiǎn)單，擺脫了上位機的限制。

　　節點(diǎn)連接器是17針的節點(diǎn)與開(kāi)發(fā)板和擴展傳感器之間的接口，除了編程口和串口，還有連接傳感器的擴展口，包括I2C口、中斷口和AD口等。

　　節點(diǎn)CPU SPI編程共需4根信號線(xiàn)，其中3根SPI通信線(xiàn)與開(kāi)發(fā)板CPU的SPI口相連，節點(diǎn)CPU的RESET信號 由開(kāi)發(fā)板CPU的IO口控制即可。

　　3 開(kāi)發(fā)板軟件設計

　　3．1 上位機程序設計

　　用C++ Builder 6．0編寫(xiě)上位機程序，制作了用戶(hù)操作界面，并將不同編譯系統生成的多種目標文件格式轉換成上、下位機約定的文件格式，傳送給下位機。

　　為提高向ATMELGAl28L的FLASH和E2PROM寫(xiě)代碼的效率和便于從E2PROM向FLASH寫(xiě)代碼，上位機傳送給下位機的代碼采用圖4所示的格式。

　　圖4中，地址指該段代碼要寫(xiě)入FLASH的初始地址，包括2字節的頁(yè)地址和l字節的頁(yè)內地址；序列號表示該段代碼是全部代碼中的第幾段；長(cháng)度指該段代碼的字節數，不包括地址和序列號。每一地址段代碼都采用表2的格式。

　　上位機程序支持的目標文件格式有：TinyOS、AVRGCC和IAR生成的Intel hex文件。Intel hex是Intel公司提出的一種文件標準，是最常用的目標文件格式之一。上位機程序還支持TI(德州儀器)公司提出的msp430-txt格式，該格式及說(shuō)明如表2所示。

　　上位機程序將不同編譯系統生成的不同格式的目標文件轉換成圖4所示的格式，再發(fā)給下位機。上位機操作界面提供了各種命令按鈕，用戶(hù)點(diǎn)擊命令按鈕后，上位機即按制定的該命令模式處理協(xié)議發(fā)送命令和數據。在傳送文件時(shí)，為確保數據傳送不出差錯，采用了停止-等待傳輸協(xié)議。上位機發(fā)送約定長(cháng)度的數據后停止發(fā)送，等接收到下位機發(fā)來(lái)的確認標志后再開(kāi)始發(fā)送。上位機總程序框圖如圖5所示。

　　3．2 下位機程序設計

　　下位機接收上位機的命令，完成讀寫(xiě)FLASH、E2PROM、鎮定位、熔絲位和USB口使用權的切換等功能。由于實(shí)現的功能較多，采用了模塊化、自下向上的結構化設計方法。首先按照ATMELCAl28L數據手冊提供的SPI編程算法，用C語(yǔ)言實(shí)現了讀寫(xiě)FLASH、鎖定位和熔絲位等模塊。

　　程序設計的一個(gè)難點(diǎn)是將接收的上位機發(fā)送的文件寫(xiě)入FLASH或E2PROM，因為涉及到接收數據和寫(xiě)FLASH或EZPROM的交互。解決方法是采用停止一等待傳輸協(xié)議進(jìn)行數據傳送。下位機開(kāi)辟約定數量的緩沖區，利用中斷接收上位機數據至緩沖區滿(mǎn)，處理完緩沖區數據后發(fā)送確認標志，上位機收到確認后再開(kāi)始下一次發(fā)送。

　　按制定的協(xié)議寫(xiě)ATMELGA128L的FIASH的流程圖如圖6所示。

　　寫(xiě)EZPROM與寫(xiě)FLASH類(lèi)似，只是要將接收的地址、序列號、長(cháng)度也寫(xiě)入E2PROM。代碼在E2PROM中存放時(shí)仍保持表2所示的格式，即段初始地址、序列號、該段長(cháng)度、數據的格式，以便將E2PROM中存儲的代碼