無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的研究領(lǐng)域，在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)領(lǐng)域等許多方面有著巨大的潛在應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是組成網(wǎng)絡(luò)的基本單元，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計和管理提出了許多挑戰(zhàn)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集數(shù)據(jù)采集、處理及通信功能于一體的分布式自組織網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由在一定區(qū)域范圍內(nèi)的多個具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成。傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)采集、處理、壓縮數(shù)據(jù)、中轉(zhuǎn)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。在不同的應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的結(jié)構(gòu)不盡相同，一般由數(shù)據(jù)采集單元(傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理和控制單元(微處理器、存儲器)、無線通信單元(無線收發(fā)器)和供電單元(電池)等組成。
相對于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有明顯的技術(shù)特點：(1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密度高，數(shù)量大；(2)節(jié)點的計算和存儲能力有限；(3)節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池，節(jié)點能量有限；(4)通信能力有限，傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬較窄，節(jié)點間的通信單跳距離通常只有幾十到幾百米，因此在有限的通信能力下如何設(shè)計網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信是必須考慮的問題；(5)各傳感器節(jié)點位置隨機(jī)分布，具有自組織特性。
由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有以上特點，在節(jié)點的設(shè)計上，要求節(jié)點硬件成本較低、必須低能耗、必須支持多跳的路由協(xié)議。 IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議充分考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求，具有設(shè)備省電、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強(qiáng)、成本低廉、網(wǎng)絡(luò)容量大、網(wǎng)絡(luò)安全等特點。由這些基本要求，進(jìn)行了支持802.15.4/ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計。
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
節(jié)點可以組成三種拓樸結(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)。節(jié)點以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)、每個節(jié)點都可以自主采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過單跳方式或多跳中繼方式送到匯聚節(jié)點(Sink節(jié)點)。匯聚節(jié)點將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程的控制中心，或通過RS232接口把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲。
節(jié)點設(shè)計
節(jié)點硬件采取模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，由運(yùn)算及通信子板、傳感器子板、充電及狀態(tài)顯示子板構(gòu)成。運(yùn)算及通信子板由微處理器、數(shù)據(jù)存儲電路、無線通信模塊、電源管理模塊等組成，主要作用是儲存、處理數(shù)據(jù)，完成節(jié)點間的無線通信并為系統(tǒng)提供能量。傳感器子板由若干傳感器組成，負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集。充電及狀態(tài)顯示子板由充電模塊和LCD液晶顯示模塊組成，用來顯示節(jié)點電池充電情況節(jié)點的工作狀態(tài)以及電池的電量。
微處理器電路
微處理器電路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)，基于RISC結(jié)構(gòu)，具有片內(nèi)128KB的程序存儲器 (Flash)、4KB的數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)和4KB的EEPROM，有8個10位ADC通道、2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器、8個PWM通道，具有可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器、JTAG、UART、SPI、I2C總線等接口。ATmega128L可在多種不同模式下工作，除了正常操作模式外，還具有六種不同等級的低能耗操作模式，因此該微控制器適合于低能耗的應(yīng)用場合。其接口示意圖如圖2所示。
ATmega128L 的工作時鐘源可以選取外部晶振、外部RC振蕩器、內(nèi)部RC振蕩器、外部時鐘源等方式。工作時鐘源的選擇通過ATmega128L的內(nèi)部熔絲位來設(shè)計，熔絲位可以通過JTAG編程、ISP編程等方式設(shè)置。本設(shè)計中ATmega128L采用兩個外部晶振：7.3728MHz晶振作為ATmega128L的工作時鐘；32.768kHz晶振作為實時時鐘源。
數(shù)據(jù)存儲電路
由于無線傳感器節(jié)點的通信模塊傳輸能力有限，加上節(jié)點工作的占空比非常小，很多數(shù)據(jù)不能實時轉(zhuǎn)發(fā)出去，所以需要有一個可管理的存儲器存儲這些數(shù)據(jù)，暫存自己采集的或需要轉(zhuǎn)發(fā)的其他節(jié)點采集來的數(shù)據(jù)。本設(shè)計選用512KB串行FLASHAT45DB041存儲數(shù)據(jù)。與普通的數(shù)據(jù)存儲器相比，該芯片具有功耗低、體積小、串行接口、外部電路簡單等特點，適合傳感器節(jié)點使用。數(shù)據(jù)存儲電路示意圖如圖3所示。
無線通信模塊
無線通信模塊采用無線射頻CC2420模塊。它是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)模塊，基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，使用CMOS工藝生產(chǎn)，工作電壓低、能耗低、體積小，具有輸出強(qiáng)度和收發(fā)頻率可編程等特點。該芯片只需晶體振蕩器及負(fù)載電容、輸入/輸出匹配元件和電源去耦電容等很少的外部元件即可正常工作，可確保短距離通信 的有效性和可靠性，其最大收發(fā)速率為 250kbps。
CC2420有33個16位配置寄存器、15個命令選通寄存器、1個128字節(jié)的發(fā)送FIFO緩存區(qū)、1 個128字節(jié)的接收FIFO緩存區(qū)、1個112字節(jié)的安全信息存儲器。CC2420與處理器的連接比較簡便，它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)；處理器通過SPI接口(CSn、SO、SI、SCLK)與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令，使用RESETn引腳復(fù)位芯片，使用VREG_EN引腳使能CC2420的電壓調(diào)整器，使其產(chǎn)生CC2420所需要1.8V電壓，從而使CC2420進(jìn)入正常工作的狀態(tài)；CC2420通過單極天線或PCB天線進(jìn)行通信。其模塊示意圖如圖4所示。
CC2420 需要16MHz的參考時鐘用于數(shù)據(jù)的收發(fā)。參考時鐘可以來自外部時鐘源，也可以由內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生。如果使用外部時鐘，直接從XOSC16_Q1引腳輸入，XOSC16_Q2腳懸空；如果使用內(nèi)部晶體振蕩器，晶振接在XOSC16_Q1、XOSC16_Q2引腳之間。晶振起振需對CC2420選通命令寄存器SXOSCON使能。
電源管理模塊
電能是傳感器網(wǎng)絡(luò)非常寶貴的資源，為了保證硬件電路的低功耗設(shè)計，節(jié)點芯片的選擇均使用低功耗、低電壓工作的芯片。系統(tǒng)采用普通電池或可充電鋰離子電池工作，電源管理芯片采用AD公司的ADP3338-3.3，SOT-223封裝。
充電及狀態(tài)顯示模塊
在有條件對節(jié)點進(jìn)行充電時，節(jié)點使用鋰離子電池工作，可利用充電模塊為節(jié)點進(jìn)行電能補(bǔ)充，從而確保節(jié)點工作的連續(xù)性，避免了節(jié)點因更換電池造成的工作中斷。充電模塊使用達(dá)拉斯公司的DS2770和電池保護(hù)芯片DS2720設(shè)計，具有充電控制、電源控制、電量計數(shù)、電池保護(hù)等功能。處理器與DS2770用一線接口來傳遞信息，并需外接一個約4.7k!的上拉電阻。充電模塊示意圖如圖5。LCD顯示模塊采用LCM6432ZK液晶顯示器，通過串行接口和主 MCU連接，用于系統(tǒng)工作狀態(tài)信息、充電進(jìn)程、電池電量等狀態(tài)的顯示。節(jié)點硬件留有LCD接口，在需要顯示時可方便接插LCD顯示模塊。
傳感器模塊
節(jié)點傳感器模塊與計算和通信子板分離，模塊化的設(shè)計提高了節(jié)點在不同應(yīng)用中的靈活性。傳感器模塊可根據(jù)實際需要確定合適的傳感器，如溫度、濕度、振動、光強(qiáng)、氣體報警、磁阻、紅外等，以滿足不同的需要。由于節(jié)點多為電池供電，要求傳感器體積小、功耗低、外圍電路簡單，最好采用不需要復(fù)雜信號調(diào)理電路的數(shù)字傳感器。
本設(shè)計選用的部分傳感器為：
溫度傳感器DS18B20是一種新型數(shù)字溫度傳感器，外部電路非常簡單，使用一線總線接口。其測量范圍為-55℃～125℃，在-10℃～85℃之間的測量精度為±0.5℃，分辨率最大可以設(shè)計為12位，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。
紅外傳感器PD632是一種數(shù)字熱釋電傳感器，工作波長：7.5ηm～14ηm，在-20℃～60℃工作環(huán)境下探測距離可達(dá)6m～15m。
加速度傳感器ADXL202是AD公司的兩維數(shù)字加速度傳感器，工作溫度：-40℃～85℃，采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)，可以測量震動加速度和靜態(tài)加速度。
外部接口
節(jié)點外部接口包括JTAGE接口、ISP編程接口、RS232接口、充電接口、傳感器接口、SMA天線座接口等。節(jié)點使用JTAGE、ISP多種方法下載程序；使用RS232接口直接與PC機(jī)串口連接；可根據(jù)不同需求經(jīng)傳感器接口掛接不同的傳感器模塊；在有充電條件的情況下，可通過充電接口迅速為節(jié)點補(bǔ)充能量。圖6是RS232 接口示意圖, 圖7 是JTAG/ISP 接口示意圖。
節(jié)點設(shè)計的要點及應(yīng)注意的事項
射頻部分是本設(shè)計的重點與難點，也是系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵。在模塊設(shè)計過程中遇到的主要問題及解決方法有：
CC2420的載波頻率是2.4GHz，每5MHz增加一個頻道，而晶振的精確度將影響載波的頻率，從而影響通信的建立和穩(wěn)定性。CC2420要求時鐘源的精度在±40ppm以內(nèi)。如果使用外部晶振應(yīng)盡量使用精度高、性能穩(wěn)定的四腳貼片晶振。
CC2420 射頻電路工作在2.400GHz～2.4835GHz高頻率工作頻段，抗干擾設(shè)計直接關(guān)系到射頻性能和整個傳感器節(jié)點的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。在射頻部分布線時，合理的布局與布線及采用多層板既是布線所必須的也是降低電磁干擾提高抗干擾能力的有效手段。布線時特別要注意以下幾點：一是射頻電路沒有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地，以提供RF屏蔽達(dá)到有效抗干擾的目的；二是CC2420芯片底部應(yīng)接地；為了降低延遲、減少串?dāng)_，確保高頻信號的傳輸，要使用多個接地過孔將CC2420芯片底部和地層相連；三是盡可能地減少串?dāng)_，減少分布參數(shù)的影響 ，器件要緊密地分布在CC2420的四周，并使用較小封裝。
對于無線通信網(wǎng)絡(luò)來說，天線起著舉足輕重的作用。天線的選擇和設(shè)置會直接影響整個無線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量。本節(jié)點射頻芯片CC2420可以使用金屬倒F型 PCB引線天線和單極天線兩種設(shè)計方案。PCB引線天線是印制在電路板上的導(dǎo)線，通過它來感應(yīng)空中電波，接收信息。PCB天線的形狀、尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)手冊設(shè)計。近幾年，隨著計算機(jī)成本的下降和微處理器體積的縮小，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越受到人們重視。本設(shè)計是筆者在歸納國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計的低功耗、低成本、實用型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。節(jié)點采用了獨(dú)立可選的充電模塊、LCD狀態(tài)顯示模塊和豐富的對外接口，具有較強(qiáng)的實用性，可在多種環(huán)境中工作，按多種需要進(jìn)行配置完成系統(tǒng)功能，并且在成本、功耗、靈活性等方面具有較明顯的優(yōu)勢。