1 系統(tǒng)概述

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由傳感器采集數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)處理芯片負(fù)責(zé)接收和處理傳感器采集到的數(shù)據(jù),，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸與接收以及無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)功能,。USB接口可以作為電源以及編程接口，一線(xiàn)硅序列號(hào)可作為節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí),，F(xiàn)la sh芯片用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，JTAG口用于調(diào)試與編程,。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　節(jié)點(diǎn)主要由6部分組成：電源單元,、無(wú)線(xiàn)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(diǎn)體積微小，通常攜帶能量有限的電池,。能量供應(yīng)模塊在無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)中至關(guān)重要,，為傳感器節(jié)點(diǎn)各部分提供能量。需要長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)采集的傳感器有的需要太陽(yáng)能等方式來(lái)維持節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),。節(jié)點(diǎn)的各部分也需要精心設(shè)計(jì),。節(jié)點(diǎn)微處理器的工作電壓為1.8~3.6 V，無(wú)線(xiàn)射頻芯片工作電壓為2.1~3.6 V,，F(xiàn)lash供電電壓為2.7~3.6 V,，USB轉(zhuǎn)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(diǎn)的大小,。另外USB也可以作為供電源，同時(shí)作為編程電源,，電源單元如圖2所示,。LC濾波單元對(duì)交流電具有較好的濾波效果，同時(shí)又不會(huì)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(wú)線(xiàn)射頻模塊

　　節(jié)點(diǎn)中的無(wú)線(xiàn)收發(fā)機(jī)，采用Chipcon公司推出的一款兼容2.4GHz IEEE 802.15.4的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片CC2420.它基于Chipeon公司的Smart RF03技術(shù),，使用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn),，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(xiàn),、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(diào)制方式；超低電流消耗,，接收靈敏度可達(dá)到-94dBm,，抗鄰道干擾能力強(qiáng),，其選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250 kbit·s-1,，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

圖3 無(wú)線(xiàn)射頻模塊

 　　圖3中無(wú)線(xiàn)射頻模塊的外圍電路采用CC2420手冊(cè)提供的典型應(yīng)用電路的器件數(shù)值,，這樣保證了芯片能工作在正常狀態(tài),。另外為達(dá)到最優(yōu)性能，必須使用電源去耦,，去耦電容和電源過(guò)濾的設(shè)置和大小對(duì)于在應(yīng)用中獲得最優(yōu)性能起著關(guān)鍵作用,，TI提供一個(gè)緊湊的參考設(shè)計(jì)，必須嚴(yán)格按照該設(shè)計(jì)進(jìn)行,。同時(shí)增加數(shù)字,、模擬電源采用電容濾波。CC2420需要一個(gè)16 MHz的參考時(shí)鐘用于傳輸速率為250 kbit·s-1的數(shù)據(jù)收發(fā),，參考時(shí)鐘可以來(lái)自外部時(shí)鐘源,，也可以由內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生，這里采用內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生的方式,。天線(xiàn)阻抗匹配至關(guān)重要,，為獲得較好的發(fā)射功率，在原有基礎(chǔ)上對(duì)部分電容,、電感進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,。CC2420與微控制器的通信通過(guò)4線(xiàn)SPI總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)（SI、SO,、SCLK,、CSn），通過(guò)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(píng)估,，SFD用于控制時(shí)鐘或定時(shí)信息的輸入。

　　2.3 傳感器模塊

　　傳感器是無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集單元,，可以根據(jù)實(shí)際需要選用不同的傳感器,，節(jié)點(diǎn)采用溫度、濕度傳感器SHT11.SHT11是一款將溫度,、濕度傳感器,、信號(hào)放大調(diào)理器、A/D轉(zhuǎn)換器和總線(xiàn)接口集成于一個(gè)芯片上的單片全校準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸出傳感器,，它可以直接提供溫度在-40~120℃范圍內(nèi)且分辨率為14 bit的數(shù)字輸出和濕度在0~100%RH范圍內(nèi)且分辨率為12 bit的數(shù)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(shí)鐘信號(hào)均由微處理器提供,，數(shù)據(jù)線(xiàn)管腳三態(tài)輸出,，因此需要外界一個(gè)上拉電阻將信號(hào)拉高。

　　2.4 USB通信模塊

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量節(jié)點(diǎn)組成,，這些節(jié)點(diǎn)按一定協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,、傳輸，最終將數(shù)據(jù)傳送到個(gè)人電腦上進(jìn)行處理和觀察,，同時(shí)節(jié)點(diǎn)工作需要將特定的程序?qū)懭隖lash中,。目前個(gè)人電腦最常用的接口為USB，而微處理器使用USART接口,，為實(shí)現(xiàn)兩種接口之間轉(zhuǎn)換，節(jié)點(diǎn)使用FT232BM芯片作為轉(zhuǎn)換芯片,。FT232BM是一種單片USB到異步串口轉(zhuǎn)換芯片,，支持全握手和調(diào)制解調(diào)接口信號(hào)，在TTL級(jí)數(shù)據(jù)傳輸速度范圍為300 bit·s-1~3 Mbit·s-1.芯片通過(guò)USB總線(xiàn)供電,，工作電壓為4.35~5.25 V,，采用外部6 MHz時(shí)鐘。USB PID,、序列號(hào)和產(chǎn)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(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的核心,，傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理,，串行口以及無(wú)線(xiàn)模塊的傳輸與控制均需要微處理器的參與。節(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)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(shí)間《6μm.Flash大小為48 kB,，RAM大小為10 kB.芯片內(nèi)部有16位定時(shí)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(jì)數(shù),、時(shí)序發(fā)生等,；多功能串口（USART）可以實(shí)現(xiàn)異步、同步和I2C串行通信,，可以方便地實(shí)現(xiàn)多級(jí)通信的應(yīng)用,；具有較多的I/O端口，最多達(dá)6×8條I/O口線(xiàn),，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(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率,，最高可達(dá)200 kbit·s-1,，能滿(mǎn)足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)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(wú)線(xiàn)模塊SPI接在P3口1,、2,、3和P4.4管腳，USB通信模塊數(shù)據(jù)線(xiàn)連接到P3口6,、7管腳,。其他管腳分別用于控制和擴(kuò)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(shè)計(jì)

　　電路板根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類(lèi),，在設(shè)計(jì)中大多數(shù)根據(jù)板的數(shù)目分類(lèi)，在電氣連接關(guān)系復(fù)雜的電路板設(shè)計(jì)中,，雙面板難以滿(mǎn)足電路布線(xiàn)的要求,，這時(shí)就必須考慮使用多層板。本節(jié)點(diǎn)采用4層板,，頂層主要是USB模塊和無(wú)線(xiàn)模塊,，底層為微處理器模塊，內(nèi)部層為電源層和地層,。設(shè)計(jì)結(jié)果如圖7所示,。

圖7 節(jié)點(diǎn)PCB布局

　　節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖8所示。

圖8 節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

　　3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

　　3.1 無(wú)線(xiàn)模塊驗(yàn)證

　　為對(duì)設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行驗(yàn)證,，首先使用IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)CC2420的測(cè)試程序,，通過(guò)JTAG將程序燒入Flash，經(jīng)過(guò)檢測(cè),，射頻部分較好地滿(mǎn)足了預(yù)期,。芯片工作頻帶范圍為2.4~2.48 GHz，發(fā)射功率為0 dBm.經(jīng)過(guò)頻譜儀和頻率計(jì)驗(yàn)證設(shè)計(jì)符合要求,，驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示,。

圖9 射頻模塊驗(yàn)證 

　　3.2 傳感器和USB轉(zhuǎn)換模塊驗(yàn)證

　　TinyOS是UC Berkeley開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源代碼操作系統(tǒng)，專(zhuān)為嵌入式無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)計(jì),，操作系統(tǒng)基于構(gòu)件的架構(gòu)使得快速更新成為可能,，而這又減小了受傳感器網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器限制的代碼長(zhǎng)度。TinyOS的構(gòu)件包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,、分布式服務(wù)器,、傳感器驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)識(shí)別工具。其良好的電源管理源于事件驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模型,，該模型也允許時(shí)序安排具有靈活性,。因此對(duì)于整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證采用TinyOS操作系統(tǒng),，設(shè)計(jì)為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A負(fù)責(zé)采集溫度濕度數(shù)據(jù),，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)B,，節(jié)點(diǎn)B接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)USB將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺€(gè)人電腦,，并將該數(shù)據(jù)通過(guò)圖表顯示,，如圖10所示。

圖10 傳感器數(shù)據(jù)

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　文中所設(shè)計(jì)的一種無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn),，硬件設(shè)計(jì)基于Moteiv方案,，采用超低功耗單片機(jī)MSP430F1611作為數(shù)據(jù)處理芯片，以CC2420無(wú)線(xiàn)射頻芯片為收發(fā)芯片,，并擁有JTAG以及其他擴(kuò)展接回,，通過(guò)硬件測(cè)式以及軟件調(diào)成該節(jié)點(diǎn)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。