無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)應用的硬件設計
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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks，簡(jiǎn)稱(chēng)WSNs)是由部署在監測區域內大量的廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò )系統，能夠實(shí)時(shí)監測、感知和采集網(wǎng)絡(luò )分布區域內監視對象的各種信息，并加以處理，完成數據采集和監測任務(wù)。WSNs綜合了傳感器、嵌入式計算、無(wú)線(xiàn)通訊、分布式信息處理等技術(shù)，具有快速構建、自配置、自調整拓撲、多跳路由、高密度、節點(diǎn)數可變、無(wú)統一地址、無(wú)線(xiàn)通信等特點(diǎn)，特別適用于大范圍、偏遠距離、危險環(huán)境等條件下的實(shí)時(shí)信息監測，可以廣泛應用于軍事、交通、環(huán)境監測和預報、衛生保健、空間探索等各個(gè)領(lǐng)域。 2節點(diǎn)的總體設計和器件選型
2.1節點(diǎn)的總體設計
WSNs微型節點(diǎn)應用數量比較大，更換和維護比較困難，要求其節點(diǎn)成本低廉和工作時(shí)間盡可能長(cháng)；功能上要求WSNs中不應該存在專(zhuān)門(mén)的路由器節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)既是終端節點(diǎn)，又是路由器節點(diǎn)。節點(diǎn)間采用移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò )聯(lián)系起來(lái)，并采用多跳的路由機制進(jìn)行通信。因此，在單個(gè)節點(diǎn)上，一方面硬件必須低能耗，采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式；另一方面軟件必須支持多跳的路由協(xié)議?；谶@些基本思想，設計了以高檔8位AVR單片機ATmega128L為核心，結合外圍傳感器和2.4 GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊CC2420的WSNs微型節點(diǎn)。這兩款器件的體積非常小，加上外圍電路，其整體體積也很小，非常適合用作WSNs節點(diǎn)的元件。
2.2處理器選型
處理器的選型要求和指標是功耗低，保證長(cháng)時(shí)間不更換電源也能順利工作，供給電壓小于5 V，有較快的處理速度和能力，由于節點(diǎn)是需要大量安置的，所以?xún)r(jià)格也要相對便宜。選用AVR單片機，考慮到電路中I／O的個(gè)數不多，功耗低、成本低、適合與無(wú)線(xiàn)器件接口配合等多方面因素，綜合對比后，選用Atmel公司的ATmega128L。該微型控制器擁有豐富的片上資源，包括4個(gè)定時(shí)器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM；擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便無(wú)線(xiàn)器件和傳感器的接入；有6種電源節能模式，方便低功耗設計。
2.3無(wú)線(xiàn)通信器件選型 CC2420是一款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規范，工作于2.4 GHz頻段。該器件只需極少外部元件，即可確保短距離通信的有效性和可靠性。數據傳輸單元模塊支持數據傳輸率高達250 Kb／s，即可實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，系統體積小、成本低、功耗小，適于電池長(cháng)期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點(diǎn)。
2.4傳感器選型
由于WSNs是用于礦下安全監測，常要檢測礦下可燃氣體的濃度(預防瓦斯氣體濃度過(guò)高)和空氣濕度，所以要選擇測量氣體濃度和濕度的傳感器。
HIH-4000系列測濕傳感器作為一個(gè)低成本、可軟焊的單個(gè)直插式組件(SIP)能提供儀表測量質(zhì)量的相對濕度(RH)傳感性能。RH傳感器可用在二引線(xiàn)間有間距的配量中，它是一個(gè)熱固塑料型電容傳感元件，其內部具有信號處理功能。傳感器的多層結構對應用環(huán)境的不利因素，諸如潮濕、灰塵、污垢、油類(lèi)和環(huán)境中常見(jiàn)的化學(xué)品具有最佳的抗力，因此可認定它能適用礦下環(huán)境。
2.4.2 MR511熱線(xiàn)型半導體氣敏元件
MR511型氣敏元件利用氣體吸附在金屬氧化物半導體表面而產(chǎn)生熱傳導變化及電傳導變化的原理，由白金線(xiàn)圈電阻值變化測定氣體濃度。MR511由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)，檢測元件的電阻減小，橋路輸出電壓變化，該電壓變化隨氣體濃度的增大而成比例增大，補償元件具有溫度補償作用。MR511除具有靈敏度高、響應恢復時(shí)間短、穩定性好特點(diǎn)外，還具有功耗小，抗環(huán)境溫濕度干擾能力強的優(yōu)點(diǎn)。WSNs的節能和井下惡劣溫濕環(huán)境要求MR5111可以滿(mǎn)足。
3.1數據采集單元
考慮到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的節能和井下惡劣的溫濕環(huán)境，為了便于數據采集，系統設計采用HIH-4000-01型測濕度傳感器和MR511熱線(xiàn)型半導體氣體傳感器。圖2、圖3分別給出其電路設計圖。
3.2數據處理單元
ATmega128L的外圍電路設計簡(jiǎn)單，設計時(shí)注意在數字電路的電源并人多只電容濾波。ATmega128L的工作時(shí)鐘源可以選取外部晶振、外部RC振蕩器、內部RC振蕩器、外部時(shí)鐘源等方式。工作時(shí)鐘源的選擇通過(guò)ATmega128L的內部熔絲位來(lái)設計。熔絲位可以通過(guò)JTAG編程、ISP編程等方式設置。ATmega128L采用7.3728 MHz和32.768 kHz兩個(gè)外部晶振。前者用作工作時(shí)鐘，后者用作實(shí)時(shí)時(shí)鐘源。
3.3數據傳輸單元
3.3.1 CC2420外圍電路設計
圖4給出數據傳輸單元的外圍電路。CC2420只需要極少的外圍元器件。其外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。
射頻輸入／輸出匹配電路主要用來(lái)匹配器件的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50 Ω，同時(shí)為器件內部的PA及LNA提供直流偏置。射頻輸入／輸出是高阻抗，有差別。射頻端最適合的負載是115+j180 Ω。C61、C62、C71、C81、L61組成不平衡變壓器，L62和L81匹配射頻輸入輸出到50 Ω；L61和L62同時(shí)提供功率放大器和低噪聲放大器的直流偏置。內部的T／R開(kāi)關(guān)是為了切換低噪聲放大器／功率放大器。R451偏置電阻是電流基準發(fā)生器的精密電阻。CC2420本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。若由內部電路提供時(shí)，需外加晶體振蕩器和兩只負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。設計采用16 MHz晶振時(shí)，其電容值約為22 pF。C381和C391是外部晶體振蕩器的負載電容。片上電壓調節器提供所有內部1.8 V電源的供應。C42是電壓調節器的負載電容，用于穩定調節器。為得到最佳性能必須使用電源去耦。在應用中使用大小合適的去耦電容和功率濾波器是非常重要的。CC2420可以通過(guò)4線(xiàn)SPI總線(xiàn)(SI、SO、SCLK、CSn)設置器件的工作模式，并實(shí)現讀，寫(xiě)緩存數據，讀／寫(xiě)狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO和FIFOP引腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射／接收緩存器。
3.3.2配置IEEE 802.15.4工作模式
CC2420為IEEE 802.15.4的數據幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為：頭幀+數據幀+校驗幀；PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長(cháng)度可通過(guò)設置寄存器改變，采用16位CRC校驗來(lái)提高數據傳輸的可靠性。發(fā)送或接收的數據幀被送入RAM中的128字節緩存區進(jìn)行相應的幀打包和拆包操作。表1給出CC2420的四線(xiàn)串行SPI接口引腳功能。它是設計單片機電路的依據，充分發(fā)揮這些功能是設計無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品的前提。
3.3.3 CC2420與單片機接口電路設計
圖5給出CC2420與ATmega128L單片機的接口電路。CC2420通過(guò)簡(jiǎn)單的四線(xiàn)(SI、SO、SCLK、CSn)與SPI兼容串行接口配置，這時(shí)CC2420是受控的。ATmega128L的SPI接口工作在主機模式，它是SPI數據傳輸的控制方；CC2420設為從機工作方式。當ATmega128L的SPI接口設為主機工作方式時(shí)，其硬件電路不會(huì )自動(dòng)控制SS引腳。因此，在SH通信時(shí)，應在SPI接口初始化，它是由程序控制SS，將其拉為低電平，此后，當把數據寫(xiě)入主機的SPI數據寄存器后，主機接口將自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器，在硬件電路的控制下，移位傳送，通過(guò)MOSI將數據移出ATmega128L，并同時(shí)從CC2420由MISO移人數據，8位數據全部移出時(shí)，兩個(gè)寄存器就實(shí)現了一次數據交換。
4結語(yǔ)
通過(guò)對于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中傳感器元件、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源的選擇，設計了一種以CC2420和ATmega128L為主體的硬件方案。利用該方案設計的CC2420和ATmega128L的外圍電路以及兩者之間的接口電路。此外，還對傳感器與單片機的接口電路進(jìn)行設計。通過(guò)實(shí)驗驗證，設計的硬件節點(diǎn)基本上達到了項目要求，經(jīng)調試能通過(guò)傳感器正確真實(shí)地采集數據，并實(shí)現兩個(gè)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)(兩個(gè)電路板。AA電池供電)在30 m左右的通信、傳輸數據、并反映到終端設備。
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