引言
    半導(dǎo)體技術(shù),、微系統(tǒng)技術(shù),、通信技術(shù)、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,，推動了具有現(xiàn)代意義的無線傳感器技術(shù),。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及計算機、半導(dǎo)體,、網(wǎng)絡(luò),、通信、光學(xué),、微機械等眾多領(lǐng)域,。微型、高可靠,、多功能、集成化的傳感器,，低功耗,、高性能的專業(yè)集成電路，微型,、大容量的能源,，高效、可靠的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和操作系統(tǒng),，面向應(yīng)用,、低計算量的模式識別，低功耗,、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，以及現(xiàn)實環(huán)境的各種
應(yīng)用模式成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課題研究的重點。
    以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無線應(yīng)用不需要較高的傳輸帶寬,，但需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗,，使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列,，同時需要一種低端的,、面向控制的、應(yīng)用簡單的專用標(biāo)準(zhǔn),，ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問題。ZigBee是無線個人
局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Personal Area Network,，WPAN)的標(biāo)準(zhǔn)之一，具有高通信效率,、低復(fù)雜度,、低功耗,、低速率,、低成本,、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點,。這些優(yōu)點使得ZigBee 和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起,。目前,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已得到越來越多的關(guān)注,。本設(shè)計基于ZigBee搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點硬件平臺,，可以完成風(fēng)向、風(fēng)速和空氣濕度的測量,。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由上位機,、中轉(zhuǎn)器,、匯聚節(jié)點和若干采集節(jié)點組成,，如圖1所示,。采集節(jié)點采集并預(yù)處理傳感器采集的數(shù)據(jù),，在收到匯聚節(jié)點的上傳命令后將數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點,；匯聚節(jié)點收集采集節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)并通過中轉(zhuǎn)器將數(shù)據(jù)上傳到上位機,，上位機處理最終上傳的采集數(shù)據(jù)。上位機將用戶下達的各操作命令發(fā)送至中轉(zhuǎn)器,，中轉(zhuǎn)器將命令信息傳遞給匯聚節(jié)點,，匯聚節(jié)點將中轉(zhuǎn)器下發(fā)的命令通告?zhèn)€采集節(jié)點,，同時負責(zé)采集節(jié)點相互間的組網(wǎng)及維護,。


    本設(shè)計中采集節(jié)點和匯聚節(jié)點均采用CC2531作為核心控制芯片；中轉(zhuǎn)器采用ARM處理器作為核心控制芯片,。采集節(jié)點與匯聚節(jié)點間以ZigBee協(xié)議進行無線通信,；匯聚節(jié)點與中轉(zhuǎn)器間采用串口通信,；中轉(zhuǎn)器與上位機以GPRS通信方式進行交互,；上位機實現(xiàn)人機交互,。

2 CC2531芯片簡介
    CC2531是TI公司推出的符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。它具有很好的接收靈敏度和魯棒性以及低功耗特性,，可編程輸出功率高達4．5 dBm，外部元件很少,；結(jié)合RF收發(fā)器與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強型8051微控制器的性能,，具有32 KB,、64 KB,、128 KB或256 KB的在系統(tǒng)可編程閃存和8 KB的RAM，且該RAM具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保護能力,；同時具有多種運行模式,，而且運行模式之間轉(zhuǎn)換時間短,，使低能耗特性能夠進一步保證,。
    CC2531提供了101 dB的鏈路質(zhì)量以及一套廣泛的外設(shè)集,，包括2個USART、8路輸入可配置的12位ADC,、21個通用GPIO,、高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)安全協(xié)處理器,、看門狗定時器和具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時器等設(shè)備。它支持一般的低功耗無線通信,，可以應(yīng)用于遠程控制,、消費型電子、家庭控制,、計量和智能能源、樓宇自動化,、醫(yī)療以及更多領(lǐng)域,。

3 采集節(jié)點硬件設(shè)計
    節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個采集節(jié)點可以劃分為電源模塊,、處理模塊,、無線通信模塊,、數(shù)據(jù)采集模塊4個組成部分，各部分協(xié)
同工作,。電源模塊負責(zé)電壓調(diào)理,，為其他模塊提供所需要的電壓,；處理模塊負責(zé)處理節(jié)點數(shù)據(jù)和命令；無線通信模塊負責(zé)各節(jié)點之間數(shù)據(jù),、命令的傳輸；數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理,。


3．1 電源模塊
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于人們不方便或者不經(jīng)常到達的地方，因此電源的選擇尤為重要,。電源模塊控制著整個節(jié)點的能量分配,，在整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計中具有極其重要的意義。目前,，比較容易實現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電方式是電池供電,，根據(jù)不同場合和條件也可以選擇不同種類電池,。鋰電池的放電曲線平滑，可以保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在平常使用時具有更好的線性特性,，因此可以作為系統(tǒng)能量來源的一種選擇。但是,，鋰電池額定容量較小，而且需要升壓處理,，限制了節(jié)點的生存期。為了維持更長的工作時間和節(jié)省成本,，本設(shè)計采用5節(jié)7號鎳氫電池供電。除此之外,，軟件上通過合理設(shè)置節(jié)點的發(fā)射,、接收以及待機狀態(tài)，也可以有效地延長節(jié)點的工作時間,。新的能源解決方法也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要研究的重要課題,，太陽能或者風(fēng)力充電就是目前的研究熱點。
    數(shù)據(jù)采集模塊需要外部提供5 V直流電壓,，處理模塊及無線通信模塊需要3．3 V直流電壓,，因而采用了Sipex公司的低壓差電源芯片SPX-2815和SP6201EM-3．3 V將輸入的電池電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3．3V。經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后將電源繼續(xù)劃分為數(shù)字部分與模擬部分供各芯片,、模塊使用,，保證模擬電源、數(shù)字電源之間不互相干擾,。CC2531具有8路A／D接口，使用TI公司的基準(zhǔn)電壓二極管LM4040為CC2531的8路A／D接口提供2．5 V的參考電壓，同時為傳感器信號調(diào)理電路提供2．5 V電壓。LM4040的輸出電壓穩(wěn)定性好,、精度高，輸出電壓精度為O．5％,，其接口電路如圖3所示,。


3．2 處理模塊
    處理模塊是采集節(jié)點的核心部分，主要由CC2531及其外圍電路構(gòu)成,，完成對采集數(shù)據(jù)的處理,、存儲以及收發(fā)工作,。CC2531的接口電路如圖4所示。 CC2531具有21個I／O口(其中8路P0口具有A／D功能),，它們分別與傳感器接口,、SPI存儲器及在線仿真器連接。圖中P0_7接收LM4040 提供的2．5 V基準(zhǔn)電壓,；系統(tǒng)時鐘由32 MHz晶振提供,；系統(tǒng)休眠所用時鐘由32．768 kHz無源晶振提供；復(fù)位按鍵與RESET連接,，可實現(xiàn)硬件復(fù)位,，初始化系統(tǒng)。


    為方便選擇不同種類的傳感器,，我們將各I／O口連接到統(tǒng)一的傳感器排針接口上,，并將具有A／D功能的I／O與GPIO在電路板上進行了劃分，以防止數(shù)模串?dāng)_,。這種設(shè)計增強了可擴展性和靈活性,。為實現(xiàn)對I／O口的高效利用，設(shè)計中有部分I／O進行了復(fù)用,。復(fù)用后最多可以有
6路A／D以及9路GPIO供采集多路模擬傳感器信號和數(shù)字傳感器信號使用,，可以根據(jù)實際需求選擇傳感器和連接接口。由于采集的數(shù)據(jù)量較大,，而 CC2531自帶的內(nèi)存需要存儲程序,，不能滿足存儲要求，所以需要外接存儲器,。本設(shè)計選用Ramtron公司帶SPI接口的鐵電存儲器FM25L2 56,，它具有高速數(shù)據(jù)存儲、功耗低,、可擦寫次數(shù)多等優(yōu)點,。選取CC2531提供的SPI接口1(即P0．2～P0．5四個引腳)與FM25L256連接，完成數(shù)據(jù)存儲,。其接口電路如圖5所示,。


3．3 無線通信模塊
    無線通信模塊作為系統(tǒng)中重要的數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)了采集節(jié)點與匯聚節(jié)點,、采集節(jié)點與采集節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸及組網(wǎng)功能,。本設(shè)計中，CC2531與 CC2591聯(lián)合使用構(gòu)成無線通信模塊,。CC2591為TI公司面向低功耗與低電壓無線應(yīng)用的,、集成度最高的2．4 GHz射頻前端。它集成了功率放大器(可將輸出功率提高+22 dBm),、低噪聲放大器(可將接收機靈敏度提高+6 dB),、平衡轉(zhuǎn)換器(balun),、交換機、電感器和RF匹配網(wǎng)絡(luò)等,，從而能夠顯著增大無線系統(tǒng)的覆蓋范圍,，降低系統(tǒng)安裝成本。這種高集成度簡化了高性能設(shè)計工作,，使客戶能用極少的外部組件開發(fā)出高輸出功率的無線解決方案,。CC2591為CC2531提供了無縫接口，對于加速系統(tǒng)開發(fā),、改善系統(tǒng)RF性能方面具有很大幫助,。其連接電路如圖6所示。其中,，B1為磁珠，作濾波用,，推薦型號BLMl5HG102SN1D,。


    TI公司為CC2591與CC2531之間的連接提供一個緊湊的參考設(shè)計，并提供了PCB板參數(shù),。PCB板經(jīng)過仿真驗證后參照參考設(shè)計繪制,，對電源、地的布局進行了精心設(shè)計,。同時,，天線的信號走線進行了阻抗匹配設(shè)計，使到達天線端阻抗為50 Ω,，并且PCB板上使用村田公司的高頻分立元件,，以達到較好的信號傳輸效果，增加節(jié)點間的無線通信距離,。
3．4 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)信號的調(diào)理,。選用EC21B型高動態(tài)性能測風(fēng)傳感器和PTS-3型空氣濕度傳感器。采用排針接口設(shè)計,，如果需要用于其他的應(yīng)用場合,，只需更換不同的傳感器(包括信號調(diào)理部分)并采用排線連接即可，大大擴展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍,。
    EC21B型高性能測風(fēng)傳感器為三杯式,、單尾翼型測風(fēng)傳感器，風(fēng)杯為一體式,。該傳感器只需5 V電壓即可工作,，輸出信號為RS485數(shù)字信號。為采集傳感器信號,，需要對傳感器信號進行轉(zhuǎn)換,。本設(shè)計選用了Exar半導(dǎo)體公司的SP3494芯片,，實現(xiàn)了RS485信號和TTL信號的雙向轉(zhuǎn)換。SP3494是一個半雙工的轉(zhuǎn)換速率部分受限的收發(fā)器,，數(shù)據(jù)傳輸速率高達2．5 Mbps,，含有低功耗關(guān)斷模式和驅(qū)動器／接收器高阻使能控制線。測風(fēng)傳感器信號調(diào)理電路如圖7所示,。SP3494的接收器輸出端(R0),、發(fā)送器輸入端 (DI)及使能端(、DE)通過排針與I／O接口連接,；同相發(fā)送器輸出／接收器輸入端(A),、反相發(fā)送器輸出／接收器輸入端(B)與傳感器信號線連接。


    PTS-3型空氣濕度傳感器需要5 V直流電壓供電,，只需一根信號輸出線,，輸出電壓范圍為1～4 V模擬信號。為了使PTS-3輸出的模擬電壓能夠被CC2531正確采樣,，需要對輸出信號進行調(diào)理,，使其輸出信號更加穩(wěn)定且電壓值不超過基準(zhǔn)電壓?？諝鉂穸葌鞲衅餍盘栒{(diào)理電路如圖8所示,。U1為傳感器接口，5 V電源向傳感器供電,，傳感器的輸出信號(1～4 V)通過精密電阻1／2分壓后送入由P354構(gòu)成的射隨器,，并最終將信號送入CC2531的一個ADC通道。



結(jié)語
    基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗,、低成本,、體積小的顯著優(yōu)點，可在特殊環(huán)境下實現(xiàn)檢測區(qū)域內(nèi)信號的采集傳輸與處理,。Zig-Bee新一代 SoC芯片CC2531是真正的片上系統(tǒng)解決方案,，適用于環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)測等系統(tǒng)的開發(fā),。伴隨新的能量解決方案的提出及無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟,，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用到更多領(lǐng)域。