1 系統(tǒng)概述
無線傳感器網絡由大量無線傳感器節(jié)點組成，每個節(jié)點由傳感器采集數據,，數據處理芯片負責接收和處理傳感器采集到的數據,，通過無線射頻芯片進行數據的無線傳輸與接收以及無線組網功能。USB接口可以作為電源以及編程接口,，一線硅序列號可作為節(jié)點的唯一標識,，Fla sh芯片用于存儲數據，JTAG口用于調試與編程,。
圖1 系統(tǒng)框圖
2 硬件設計
節(jié)點主要由6部分組成：電源單元,、無線射頻模塊、傳感器模塊,、USB通信模塊和微處理器,。
2.1 電源單元
傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量有限的電池,。能量供應模塊在無線傳感器節(jié)點中至關重要,，為傳感器節(jié)點各部分提供能量。需要長時間數據采集的傳感器有的需要太陽能等方式來維持節(jié)點的正常運轉,。節(jié)點的各部分也需要精心設計,。節(jié)點微處理器的工作電壓為1.8~3.6 V,，無線射頻芯片工作電壓為2.1~3.6 V，Flash供電電壓為2.7~3.6 V,，USB轉換芯片由USB供電,。因此電源可以選用3 V紐扣電池供電，有效減少了節(jié)點的大小,。另外USB也可以作為供電源,，同時作為編程電源，電源單元如圖2所示,。LC濾波單元對交流電具有較好的濾波效果,，同時又不會降低直流輸出電壓。低壓差的穩(wěn)壓器ADP3339保證了電源較好的穩(wěn)壓性,。
圖2 電源單元
2.2 無線射頻模塊
節(jié)點中的無線收發(fā)機,，采用Chipcon公司推出的一款兼容2.4GHz IEEE 802.15.4的無線收發(fā)芯片CC2420.它基于Chipeon公司的Smart RF03技術，使用0.18μm CMOS工藝生產,，具有較高的集成度,。該芯片體積小、功耗低,，具有完全集成的壓控振蕩器,，只需天線、16 MHz晶體等少量外圍電路就能在2.4GHz頻段上工作,。CC2420采用O-QPSK調制方式,；超低電流消耗，接收靈敏度可達到-94dBm,，抗鄰道干擾能力強,，其選擇性和敏感性指數超過了IEEE 802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性,。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數據傳輸速率高達250 kbit·s-1,，可實現多點對多點的快速組網。
圖3 無線射頻模塊
圖3中無線射頻模塊的外圍電路采用CC2420手冊提供的典型應用電路的器件數值,，這樣保證了芯片能工作在正常狀態(tài),。另外為達到最優(yōu)性能，必須使用電源去耦,，去耦電容和電源過濾的設置和大小對于在應用中獲得最優(yōu)性能起著關鍵作用,，TI提供一個緊湊的參考設計，必須嚴格按照該設計進行,。同時增加數字,、模擬電源采用電容濾波。CC2420需要一個16 MHz的參考時鐘用于傳輸速率為250 kbit·s-1的數據收發(fā)，參考時鐘可以來自外部時鐘源,，也可以由內部晶體振蕩器產生,，這里采用內部晶體振蕩器產生的方式。天線阻抗匹配至關重要,，為獲得較好的發(fā)射功率,，在原有基礎上對部分電容、電感進行了適當的調整,。CC2420與微控制器的通信通過4線SPI總線實現（SI,、SO、SCLK,、CSn）,，通過控制FIFO和FIFOP管腳接口狀態(tài)可以使芯片工作在發(fā)射或接收模式，另外CCA用于空閑信道評估,，SFD用于控制時鐘或定時信息的輸入。
2.3 傳感器模塊
傳感器是無線傳感器節(jié)點的數據采集單元,，可以根據實際需要選用不同的傳感器,，節(jié)點采用溫度、濕度傳感器SHT11.SHT11是一款將溫度,、濕度傳感器,、信號放大調理器、A/D轉換器和總線接口集成于一個芯片上的單片全校準數據輸出傳感器,，它可以直接提供溫度在-40~120℃范圍內且分辨率為14 bit的數字輸出和濕度在0~100%RH范圍內且分辨率為12 bit的數字輸出,。傳感器及外圍模塊如圖4所示。
圖4 傳感器模塊
SHT11電源供電要求為2.4~5.5V,，電源和時鐘信號均由微處理器提供,，數據線管腳三態(tài)輸出，因此需要外界一個上拉電阻將信號拉高,。
2.4 USB通信模塊
無線傳感器網絡由大量節(jié)點組成,，這些節(jié)點按一定協(xié)議將采集的數據進行融合、傳輸,，最終將數據傳送到個人電腦上進行處理和觀察,，同時節(jié)點工作需要將特定的程序寫入Flash中。目前個人電腦最常用的接口為USB,，而微處理器使用USART接口,，為實現兩種接口之間轉換，節(jié)點使用FT232BM芯片作為轉換芯片,。FT232BM是一種單片USB到異步串口轉換芯片,，支持全握手和調制解調接口信號，在TTL級數據傳輸速度范圍為300 bit·s-1~3 Mbit·s-1.芯片通過USB總線供電，工作電壓為4.35~5.25 V,，采用外部6 MHz時鐘,。USB PID、序列號和產品信息可以保存在外部EEPROM中,。USB通信模塊接口如圖5所示,。
圖5 USB通信模塊
2.5 微處理器模塊
微處理器是無線傳感器節(jié)點的核心，傳感器數據的數據處理,，串行口以及無線模塊的傳輸與控制均需要微處理器的參與,。節(jié)點微處理器TI公司的16為超低功耗MSP430F1611.該微處理器工作電壓為1.8~3.6 V，在RAM數據保持方式下耗電僅為0.2μA,，在激活工作1 MHz的情況下為330μA,，可以工作在5中低功耗模式，喚醒時間《6μm.Flash大小為48 kB,，RAM大小為10 kB.芯片內部有16位定時器Timer_A和Timer_B具有捕獲/比較功能,；大量的捕獲/比較寄存器可用于事件計數、時序發(fā)生等,；多功能串口（USART）可以實現異步,、同步和I2C串行通信，可以方便地實現多級通信的應用,；具有較多的I/O端口,，最多達6×8條I/O口線，P1,、P2口還可以接收外部上升或下降沿的中斷輸入,；12位A/D轉換器有較高的轉換速率，最高可達200 kbit·s-1,，能滿足大多數數據采集的應用,。微處理器模塊如圖6所示。溫度濕度傳感器連接P1口5,、6,、7管腳，無線模塊SPI接在P3口1,、2,、3和P4.4管腳，USB通信模塊數據線連接到P3口6,、7管腳,。其他管腳分別用于控制和擴展接口。外部晶振大小為32MHz,。
圖6 微處理器模塊
2.6 電路板設計
電路板根據不同的標準有不同的分類,，在設計中大多數根據板的數目分類,，在電氣連接關系復雜的電路板設計中，雙面板難以滿足電路布線的要求,，這時就必須考慮使用多層板,。本節(jié)點采用4層板，頂層主要是USB模塊和無線模塊,，底層為微處理器模塊,，內部層為電源層和地層。設計結果如圖7所示,。
圖7 節(jié)點PCB布局
節(jié)點實物如圖8所示,。
圖8 節(jié)點實物圖
3 設計驗證
3.1 無線模塊驗證
為對設計的節(jié)點功能進行驗證，首先使用IAR集成開發(fā)環(huán)境編寫CC2420的測試程序,，通過JTAG將程序燒入Flash,，經過檢測，射頻部分較好地滿足了預期,。芯片工作頻帶范圍為2.4~2.48 GHz,，發(fā)射功率為0 dBm.經過頻譜儀和頻率計驗證設計符合要求，驗證結果如圖9所示,。
圖9 射頻模塊驗證
3.2 傳感器和USB轉換模塊驗證
TinyOS是UC Berkeley開發(fā)的開放源代碼操作系統(tǒng),，專為嵌入式無線傳感器設計，操作系統(tǒng)基于構件的架構使得快速更新成為可能,，而這又減小了受傳感器網絡存儲器限制的代碼長度。TinyOS的構件包括網絡協(xié)議,、分布式服務器,、傳感器驅動及數據識別工具。其良好的電源管理源于事件驅動執(zhí)行模型,，該模型也允許時序安排具有靈活性,。因此對于整個無線傳感器網絡的驗證采用TinyOS操作系統(tǒng)，設計為兩個節(jié)點,，節(jié)點A負責采集溫度濕度數據,，然后將采集到的數據發(fā)送到另一個節(jié)點B，節(jié)點B接收到數據后,，通過USB將數據傳輸到個人電腦,，并將該數據通過圖表顯示，如圖10所示,。
圖10 傳感器數據
4 結束語
文中所設計的一種無線傳感器節(jié)點,，硬件設計基于Moteiv方案，采用超低功耗單片機MSP430F1611作為數據處理芯片,，以CC2420無線射頻芯片為收發(fā)芯片,，并擁有JTAG以及其他擴展接回，通過硬件測式以及軟件調成該節(jié)點符合設計指標。