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無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件的模塊化設(shè)計(jì)
隨著人們對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)要求的不斷提高，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其投資成本低、架設(shè)方便、可靠性高的性能優(yōu)勢(shì)得到了比較廣泛的應(yīng)用。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)采集、處理、通信等多個(gè)功能，因此硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)可以大大提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。那么下面小編就來(lái)討論一下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件的模塊化設(shè)計(jì)。
1 CC2430芯片簡(jiǎn)介
CC2430是一款工作在2.4 GHz免費(fèi)頻段上，支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。該芯片具有很高的集成度，體積小功耗低。單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。CC2430擁有1個(gè)8位MCU(8051)，8 KB的RAM，32 KB、64 KB或128 KB的Flash，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，4個(gè)定時(shí)器(Timer)，AESl28協(xié)處理器，看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog-timer)，32.768 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器，上電復(fù)位電路(Power-on-Reset)，掉電檢測(cè)電(Brown-out-Detection)，以及21個(gè)可編程I/O接口。
CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別為26.7 mA和26.9 mA;休眠時(shí)電流為O.5 μA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。
2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干采集節(jié)點(diǎn)、1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)、1個(gè)中轉(zhuǎn)器、1個(gè)上位機(jī)控制中心組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和通信工作;匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起和維護(hù)，收集并上傳數(shù)據(jù)，將中轉(zhuǎn)器下發(fā)的命令通告采集節(jié)點(diǎn);中轉(zhuǎn)器負(fù)責(zé)上傳收集到的數(shù)據(jù)并將控制中心發(fā)出的命令信息傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn);控制中心負(fù)責(zé)處理最終上傳數(shù)據(jù)，并且可以由用戶(hù)下達(dá)網(wǎng)絡(luò)的操作命令。
采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)由CC2430作為控制核心，采集節(jié)點(diǎn)可采集并傳遞數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集所有采集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)。中轉(zhuǎn)器采用ARM處理器作為控制核心，和匯聚節(jié)點(diǎn)采用串口通信，以GPRS通信方式和上位機(jī)控制中心進(jìn)行交互。上位機(jī)控制中心實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以處理、顯示上傳的數(shù)據(jù)并且可以直接由客戶(hù)下達(dá)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)作執(zhí)行命令。
3 節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)
匯聚節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)在硬件配置上基本相同，采用模塊化設(shè)計(jì)使得設(shè)計(jì)通用性更好。
每個(gè)節(jié)點(diǎn)主要由控制模塊、無(wú)線(xiàn)模塊、采集模塊、電源模塊4部分構(gòu)成。
3.1 控制模塊
控制模塊主要由CC2430及其外圍電路構(gòu)成，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)以及收發(fā)工作，并對(duì)電源模塊進(jìn)行管理。芯片CC2430包括21個(gè)可編程I/0口，其中8路A/D接口，可滿(mǎn)足多路傳感器的采集、處理需求。CC2430自帶了一個(gè)復(fù)位接口，外接一個(gè)復(fù)位按鍵可以實(shí)現(xiàn)硬件初始化系統(tǒng)。32 MHz晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘，32.768 kHz晶振供系統(tǒng)休眠時(shí)使用。
節(jié)點(diǎn)選用芯片F(xiàn)M25L256作為存儲(chǔ)設(shè)備，這是一款256 Kb鐵電存儲(chǔ)器，其SPI接口頻率高達(dá)25 MHz，低功耗運(yùn)行以及10年的數(shù)據(jù)保持力保證了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的低成本以及可靠性。
3.2 無(wú)線(xiàn)模塊
無(wú)線(xiàn)模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)和命令的傳輸，因此，合理設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)模塊是節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定、高效通信的重要保證。
TI公司提供了一個(gè)適用于CC2430的微帶巴倫電路，這個(gè)設(shè)計(jì)把無(wú)線(xiàn)電RF引腳差分信號(hào)的阻抗轉(zhuǎn)換為單端50 Ω。由于該電路直接影響節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量，在使用前必須對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。設(shè)計(jì)中選用ADS仿真軟件進(jìn)行仿真，采用了版圖和原理圖的聯(lián)合仿真方法。仿真電路圖如圖5所示，微帶電路為T(mén)I提供的微帶巴倫電路，分立元件均選自村田公司元件庫(kù)內(nèi)的模型，嚴(yán)格保證了仿真數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。巴倫電路在工作頻段內(nèi)(2.400～2.4835 GHz)信號(hào)傳輸特性高效、穩(wěn)定。
3.3 采集模塊
采集模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并調(diào)理數(shù)據(jù)信號(hào)。本設(shè)計(jì)中，監(jiān)測(cè)的是土壤的溫度和濕度數(shù)據(jù)，采用的傳感器是PTWD-3A型土壤溫度傳感器以及TDR-3型土壤水分傳感器。
PTWD-3A型土壤溫度傳感器采用精密鉑電阻作為感應(yīng)部件，其阻值隨溫度變化而變化。為了準(zhǔn)確地進(jìn)行測(cè)量，采用四線(xiàn)法測(cè)量電阻原理，將電阻信號(hào)調(diào)理成CC2430芯片A/D通道能采樣的電壓信號(hào)。由P354運(yùn)算放大器、高精度精密貼片電阻以及2.5 V電源構(gòu)成10 mA恒流源。10 mA的電流環(huán)流經(jīng)傳感器電阻R1、R2將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，由差分放大器LT1991一倍增益將信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出送入CC2430芯片的ADC通道進(jìn)行采樣。
TDR-3型土壤水分傳感器輸出信號(hào)即為電壓信號(hào)。傳感器輸出信號(hào)通過(guò)P354運(yùn)算放大器送入CC2430芯片的ADC通道進(jìn)行采樣。
3.4 電源模塊
電源模塊負(fù)責(zé)調(diào)理電壓、分配能量，分為充電管理模塊、雙電源切換管理模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊3個(gè)模塊。本設(shè)計(jì)中采用額定電壓12 V、電容量3 Ah的鉛酸電池供電。
作為環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)需要在野外無(wú)人看守的情況下進(jìn)行工作，能量補(bǔ)給是系統(tǒng)持續(xù)工作的重要保證。本設(shè)計(jì)采用太陽(yáng)能電池板為節(jié)點(diǎn)在野外工作時(shí)進(jìn)行電能的補(bǔ)給，充電管理模塊則是根據(jù)日照情況以及電池能量狀態(tài)對(duì)鉛酸電池進(jìn)行合理、有效的充電。光電耦合器TLP521-100和場(chǎng)效應(yīng)管Q共同構(gòu)成了充電模塊的開(kāi)關(guān)電路，可以由CC2430芯片的I/0口很方便地進(jìn)行控制。
在太陽(yáng)能電池板對(duì)電池充電時(shí)，電池不能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，因此設(shè)計(jì)中采用了雙電源供電方式，保持“一充一供”的工作狀態(tài)，雙電源切換管理模塊負(fù)責(zé)電源的安全、快速切換。如圖10所示，采用了兩個(gè)開(kāi)關(guān)電路對(duì)兩塊電源進(jìn)行切換。
在電源進(jìn)行切換時(shí)，總是先打開(kāi)處于閑置狀態(tài)的電源，再關(guān)閉正在為系統(tǒng)供電的電源，因此會(huì)在一段短暫的時(shí)間內(nèi)同時(shí)有兩個(gè)電源對(duì)系統(tǒng)供電，這是為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)掉電情況。
電源模塊需提供5 V、3.3 V、2.5 V等多組電源以滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)各模塊的供能需求。由于系統(tǒng)電源組較多，電壓轉(zhuǎn)換模塊采用了開(kāi)關(guān)型降壓穩(wěn)壓器以及低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器等多種電壓轉(zhuǎn)換芯片來(lái)對(duì)電源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，同時(shí)要確保電源模塊供能的高效性。
結(jié)語(yǔ)
節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)采用了功能強(qiáng)大的射頻芯片CC2430作為核心管理芯片，能較好地完成數(shù)據(jù)采集、分析、傳輸?shù)榷鄠�(gè)功能。硬件的模塊化設(shè)計(jì)大大加強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性、可靠性和通用性，在野外無(wú)人值守的情況下無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定地進(jìn)行環(huán)境方面的監(jiān)測(cè)。
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