當(dāng)今世界通信技術(shù)迅猛發(fā)展，隨著微機(jī)電系統(tǒng),、片上系統(tǒng),、無(wú)線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,，WSN),，并以其低功耗、低成本,、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來(lái)了信息感知行業(yè)的一場(chǎng)變革,。基于此,，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種以CC24 30為核心的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),。其中,，傳感器模塊包括有溫濕度傳感器SHTll,、紅外傳感器BS520,、光照度傳感器PGM5506,。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是對(duì)周圍環(huán)境的溫度,、濕度,、光,、加速度等信息進(jìn)行監(jiān)控和管理的技術(shù),。這種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置了傳感器、傳感器控制電路,、CPU,、無(wú)線通信模塊、天線,、電源裝置等,，通過(guò)Ad-Hoc通信技術(shù)，可以與周圍的傳感器節(jié)點(diǎn)一起把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn),。本文介紹的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成,，通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)上傳到遠(yuǎn)程主機(jī)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
2 硬件電路的設(shè)計(jì)
CC2430是Chipcon公司推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng),。CC2430只需要很少的外接元件就可以運(yùn)行，其內(nèi)部已集成了大量必要的電路,，因此采用較少的外圍電路即實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能,。圖2為CC2430基本電路設(shè)計(jì)。
圖2中C1,，C2為22pF的電容,，連接32 MHz的晶振電路，此石英晶振用于正常工作使用,。C3,，C4為15 pF的電容，連接32．768 kHz的晶振電路,，此石英晶振用于休眠時(shí)工作，從而降低功耗,。C5=O．1μF,，用于去除一些雜波干擾，防止單片機(jī)錯(cuò)誤復(fù)位,。C6～C8分別為100 nF,，220n F，220 nF,，用作濾波,，去除雜波干擾使電壓更穩(wěn)定。C9=5．6 pF,，電路中非平衡變壓器由電容C9和電感L1,，L2，L3以及一個(gè)PCB微波傳輸線組成,，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求,，L1，L2，L3分別為8．2 nH,，22 nH,，1．8 nH。C10,，C11,，C12，C13,，C14為去耦合電容,，用于電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性,。偏置電阻器R1,，R2分別為43 kΩ，56 kΩ,，R1用于為32 MHz晶體振蕩器設(shè)置精密偏置電流,。
由于CC2430芯片具有低功耗的特性，選用2節(jié)2 800 mAh的干電池為節(jié)點(diǎn)機(jī)供電,。天線選用外置天線,。
CC2430與溫濕度傳感器SHTll，光照度傳感器PGM5506,，紅外傳感器BS520連接原理圖如圖3所示,，其中P0．O，P0．1,，P0．6,，P1．2和P1．3為CC2430的I／O端口。
SHTll采用兩線串行線和處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,，SCK數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)處理器和SHTll的通訊同步,；DATA三態(tài)門(mén)用于數(shù)據(jù)的讀取。為避免信號(hào)沖突,，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平,。需要一個(gè)外部的上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平，圖3顯示CC2430的引腳P1．2用于SCK,，P1．3用于DATA,。
光照度傳感器PGM5506實(shí)際就是一個(gè)光敏電阻，隨著周邊環(huán)境的光量而改變電阻值,，從而輸入3 V電壓受到隨著光量而變化的光敏電阻的影響,，因而輸出電壓值改變。在測(cè)定輸出電壓值的LIGHTOUT中,，可以根據(jù)變化的電壓量感知光量,。圖3顯示CC2430的引腳P0．0連接LIGHT OUT,。紅外傳感器BS520，隨著紅外線的強(qiáng)弱輸出A／D也變化,，因此CC2430處理器可以根據(jù)輸入的電流變化量來(lái)測(cè)定紅外線值,。圖3顯示CC2430的引腳PO．1連接INFRARED ADC。
3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件包括傳感器的數(shù)據(jù)采集及無(wú)線通信,。數(shù)據(jù)采集包括溫濕度傳感器,、光照度傳感器、紅外傳感器,，由于光照度傳感器,、紅外傳感器數(shù)據(jù)的采集就是直接將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，軟件設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單,，下面只以溫濕度傳感器SHTll為例介紹數(shù)據(jù)采集軟件,。無(wú)線通訊采用ZigBee技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器以及協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)。
3．1 溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊
溫濕度傳感器SHTll采用串行接口,，但是在傳感器信號(hào)的讀取及電源損耗方面,，都做了優(yōu)化處理。SCK用于CC2430與SHTll之間的通訊同步,，DATA雙向串行通信線可寫(xiě)命令和讀數(shù)據(jù),。控制流程圖如圖4所示,。首先進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，然后發(fā)送一組測(cè)量命令。SHTll接收命令測(cè)量數(shù)據(jù)后處理器來(lái)讀取數(shù)據(jù),。
3．2 無(wú)線通信模塊
ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，即星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀拓?fù)?。本系統(tǒng)采用的協(xié)議棧為T(mén)I協(xié)議棧,。對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行了適當(dāng)?shù)男薷暮驮鰷p以適應(yīng)硬件電路的實(shí)際應(yīng)用，組成樹(shù)狀傳感器網(wǎng)絡(luò),。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序流程圖如圖5所示，首先初始化CC2430,，之后初始化協(xié)議棧,，然后創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，并確定PANID與頻道選擇,。打開(kāi)全局中斷之后程序開(kāi)始進(jìn)入應(yīng)用程序,，監(jiān)測(cè)空氣中有無(wú)ZigBee信號(hào)，如果有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò),，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器給節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址,。同樣如果終端設(shè)備發(fā)送來(lái)的是傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)值,，并從串口發(fā)送給遠(yuǎn)程主機(jī)。
傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖6所示,，程序同樣首先初始化CC2430,，之后初始化協(xié)議棧，并打開(kāi)全局中斷,。開(kāi)始發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號(hào),，等待協(xié)調(diào)器響應(yīng)，如果加入網(wǎng)絡(luò)成功,，傳感器進(jìn)入休眠狀態(tài),，如果不成功就繼續(xù)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。加入網(wǎng)絡(luò)成功之后,，溫濕度采集節(jié)點(diǎn)就定時(shí)采集數(shù)據(jù)并向協(xié)調(diào)器發(fā)送,，如果發(fā)送成功，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài),，如果發(fā)送失敗,，繼續(xù)發(fā)送當(dāng)前溫度值。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件采用模塊化設(shè)計(jì),，CC2430底板模塊實(shí)物如圖7所示,，傳感器模塊如圖8所示。在天氣晴朗空曠的地方,，測(cè)得ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離能達(dá)到50～70 m,，工作在室內(nèi)條件下有效傳輸距離能達(dá)到30 m左右。通過(guò)主機(jī)上的串口收發(fā)軟件監(jiān)視采集到的實(shí)時(shí)溫度信息,，能夠很好地實(shí)現(xiàn)溫度信息的讀取,。監(jiān)視到的溫度如圖9所示。
5 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和對(duì)CC2430的了解,，ZigBee技術(shù)未來(lái)的應(yīng)用前景被看好,。未來(lái)的幾年里，它將在工業(yè)控制,、汽車自動(dòng)化,、樓宇自動(dòng)化、消費(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用,。