無線傳感器網(wǎng)絡是由許多無線傳感器節(jié)點協(xié)同組織起來的，這些節(jié)點具有無線通訊、數(shù)據(jù)采集和協(xié)同合作能力，可以應用于布線和電源供給困難或人員不能到達的區(qū)域以及一些臨時場合等。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點可以隨機或特定地布置在目標環(huán)境中，它們之間的通訊通過特定的協(xié)議自組織起來，能夠獲取周圍環(huán)境的信息，并且相互協(xié)同完成特定任務。本文基于nRF905設計了一款無線溫度傳感器網(wǎng)絡，通過無線網(wǎng)絡將普通辦公樓室內(nèi)的溫度采集傳感器節(jié)點連接起來，實時采集房間內(nèi)的溫度信息，并傳送到遠程控制中心進行監(jiān)測。
無線傳感器網(wǎng)絡概述
無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。傳感器節(jié)點用多跳中繼的方式將數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，然后再經(jīng)過各種通信網(wǎng)絡途徑傳送到用戶交互的管理節(jié)點；管理節(jié)點對整個傳感器網(wǎng)絡進行配置和對管理項進行管理，及時地收集信息數(shù)據(jù)并發(fā)布監(jiān)測任務。
無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)具有如下特點：
①基于應用的網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡是對每一個應用進行相關(guān)的設計的，通過感知識別客觀世界的物理量，它可以獲取外部信息。
②與物理世界交互。外部環(huán)境變化對無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)的影響較大，因此，傳感器節(jié)點必須適時地調(diào)整自身工作狀態(tài)，以適應環(huán)境的變化。
③自組織網(wǎng)絡。為了能夠快速自動地配置調(diào)節(jié)、監(jiān)測與管理網(wǎng)絡，節(jié)點需具有自組織能力，這是因為網(wǎng)絡的外部環(huán)境不穩(wěn)定，網(wǎng)絡自身也有很多不可預測的地方。
④以數(shù)據(jù)為中心。無線傳感器網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)為中心，快速有效地融合各節(jié)點信息，直接將其傳送給用戶。
⑤網(wǎng)絡的協(xié)作性。無線傳感器網(wǎng)絡要求用大量節(jié)點進行分布式協(xié)同的信號和信息處理，這是因為單個節(jié)點計算能力有限。
⑥節(jié)點能力有限。無線傳感器網(wǎng)絡設計時，會面臨電池能量、計算能力以及存儲能力有限的情況。
無線傳感器網(wǎng)絡具有許多其他網(wǎng)絡所沒有的優(yōu)點，其應用領域已經(jīng)深入到人類社會的許多場合，例如在環(huán)境、反恐、家庭、軍事、醫(yī)療、救災以及其他商業(yè)、工業(yè)領域。
溫度傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)組成
根據(jù)系統(tǒng)要求，溫度傳感器網(wǎng)絡包括遠程控制中心和智能節(jié)點。遠程控制中心用于發(fā)起數(shù)據(jù)采集命令，智能節(jié)點用以實現(xiàn)信息的采集、數(shù)據(jù)處理以及傳輸功能，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由控制模塊、無線收發(fā)模塊、通訊模塊、溫度采集模塊、存儲模塊、電量檢測模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊以及GSM模塊等組成。依據(jù)實際應用背景，在所設計的溫度傳感器網(wǎng)絡中，普通節(jié)點首先通過無線射頻將所測溫度數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點，然后匯聚節(jié)點通過GSM模塊將數(shù)據(jù)傳給遠程控制中心。
圖1 溫度傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)組成圖
溫度傳感器網(wǎng)絡硬件設計
控制模塊設計
控制模塊的功能包括：①測量并處理傳感器模塊數(shù)據(jù)；②讀取并處理無線收發(fā)模塊接收的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)融合，配置系統(tǒng)參數(shù)；③通信協(xié)議處理，完成無線傳感器網(wǎng)絡通信中的MAC和路由協(xié)議處理。因此，綜合考慮控制模塊的處理速度、存儲空間、外圍接口、功能和功耗等因素，本設計選取µPD78F0485微控制器作為控制模塊的核心器件。
µPD78F0485微控制器具有如下特點：①工作電壓低、范圍寬、功耗低：電壓為1.8V~5.5V；在STOP模式下工作電流1µA，使用副時鐘（32.768kHz）全速工作時電流僅200µA。②方便的開發(fā)方式，存儲容量大：支持在線編譯，具有片上調(diào)試功能；內(nèi)部存儲器為60KB，高速RAM為1KB，擴展ROM為1KB，存儲空間為64K。③管腳驅(qū)動能力強：驅(qū)動電流可達10mA，可直接連接到電流低于10mA的芯片的電源引腳上，為這些芯片提供電源。④具有8通道10位AD轉(zhuǎn)換器；內(nèi)置看門狗定時器。⑤具有按鍵中斷功能，方便系統(tǒng)實時響應用戶操作。⑥具有LCD控制器/驅(qū)動器，可直接驅(qū)動液晶顯示器。⑦具有1個16位的定時器/事件計數(shù)器，3個8位的定時器/事件計數(shù)器，3個8位的定時器，1個實時計數(shù)器，定時器可用作實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的組網(wǎng)定位過程中的延時，實時計數(shù)器主要用作實現(xiàn)系統(tǒng)的時鐘同步功能。⑧兩通道串行接口等片內(nèi)資源，可以直接連接GSM模塊和USB通訊模塊。⑨共有62個I/O口，多數(shù)接口具有內(nèi)部上拉電阻，對于必須使用上拉電阻的電路，可使用內(nèi)部上拉電阻，以節(jié)省電路板空間。⑩內(nèi)置蜂鳴器輸出控制器，可實現(xiàn)低電壓報警、溫度報警等功能。
無線收發(fā)模塊設計
本設計在考慮調(diào)制方式、功耗、傳輸距離、功率等因素的基礎上，選取Nordic VLSI公司的無線射頻芯片nRF905。nRF905是一款低功耗無線收發(fā)芯片，可工作于433/868/915MHz ISM頻段，GFSK調(diào)制，本設計采用433MHz為中心頻率。該收發(fā)芯片由功率放大器、頻率合成器、晶體振蕩器、接收解調(diào)器和調(diào)制器組成，片內(nèi)自動完成曼徹斯特編碼和解碼，廣泛應用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測和家庭自動化等領域。
nRF905通過SPI與微控制器進行通信，可自動處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗）。發(fā)送數(shù)據(jù)時，微控制器只需將配置寄存器信息、所要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收地址通過SPI傳送給nRF905，它會自動完成數(shù)據(jù)的打包和發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時，nRF905自動檢測載波并進行地址匹配，接收到正確數(shù)據(jù)后自動移去字頭、地址和CRC校驗碼，再通過SPI將數(shù)據(jù)傳送到微控制器。nRF905具有四種工作模式：掉電模式、待機模式、Shock Burst接收模式和Shock Burst發(fā)送模式。在掉電模式中，電流僅為2.5µA，易于實現(xiàn)節(jié)能。當nRF905處于掉電模式時，SPI接口仍可以保持在工作狀態(tài)；通過Shock Burst收發(fā)模式進行無線數(shù)據(jù)傳輸，收發(fā)可靠，使用方便。因此，nRF905在諸多領域都具有廣闊的應用前景，這些特點決定了nRF905芯片非常適合應用于無線傳感器網(wǎng)絡中。
無線收發(fā)模塊的電路如圖2所示?？刂埔_TX_EN、TRX_EN、PWR_UP直接與微控制器的P44、P45、P46相連；狀態(tài)引腳DR與微控制器的中斷引腳P120/INTP0相連，狀態(tài)引腳CD、AM直接與微控制器P47、P10相連；由于系統(tǒng)沒有SPI總線，因此采用I/O引腳模擬SPI總線通信。微控制器的P11、P12、P13分別與nRF905的SCK、MOSI、MISO連接；微控制器的P14與SPI的控制端口CSN連接。nRF905通過電容和電感與天線J2相連接。nRF905帶有外部時鐘輸出引腳uPCLK，能夠輸出四種不同頻率的時鐘，采用示波器連接uPCLK引腳可測試nRF905是否工作正常。
圖2 無線收發(fā)模塊電路圖
存儲模塊設計
傳感器節(jié)點需存儲用戶設定的參數(shù)以及運行記錄等大量數(shù)據(jù)。本設計選擇AT24C256作為存儲芯片，它是ATMEL公司推出的低功耗256K串行EEPROM芯片，具有如下特點：①具有三種工作電壓，分別為5.0V、2.7V、1.8V；②具有64字節(jié)頁寫模式；③符合雙向數(shù)據(jù)傳送協(xié)議；④具有硬件寫保護和軟件數(shù)據(jù)保護功能；⑤采用斯密特觸發(fā)，可抑制輸入噪聲；⑥采用2線串行接口；⑦內(nèi)部可以組織成32K×8存儲單元。
AT24C256存儲器電路如圖3所示，AT24C256的A0引腳和A1引腳接地。由于µPD78F0485微控制器沒有I2C接口，因此采用µPD78F0485的I/O引腳模擬I2C總線通信。采用µPD78F0485的I/O引腳控制EEPROM的供電，將存儲器的電源引腳VCC與µPD78F0485的P12引腳相連接。使用存儲器時，需設置P12引腳輸出高電平，以實現(xiàn)為存儲器供電；不使用存儲器時，可將存儲器電源關(guān)掉，節(jié)省電量，這也保證了電源不穩(wěn)定時不能訪問EEPROM，防止EEPROM讀寫出現(xiàn)錯誤。µPD78F0485的P13和P14與AT24C256的SCL引腳和SDA引腳相連接。
圖3 AT24C256存儲器電路圖
按鍵模塊設計
按鍵是無線傳感器節(jié)點為用戶提供的操作接口，可利用按鍵設置和讀取節(jié)點的參數(shù)，查詢節(jié)點的運行結(jié)果、工作狀態(tài)和歷史記錄。本設計采用的微控制器µPD78F0485具有按鍵中斷功能，具有8個通道，網(wǎng)絡系統(tǒng)使用了KEY1、KEY2、KEY3和KEY4四個按鍵引腳，它們分別與µPD78F0485的P40引腳、P41引腳、P42引腳和P43引腳相連接，按鍵電路如圖4所示。
圖4 按健電路圖
USB通訊模塊設計
利用USB接口可實現(xiàn)傳感器節(jié)點與計算機的通信。本設計采用了高度集成USB轉(zhuǎn)UART橋接器CP2102，它集成了USB 2.0全速功能控制器、USB轉(zhuǎn)發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的串行數(shù)據(jù)總線（UART）接口；外圍元件較少，可以節(jié)約PCB成本和空間。使用USB通訊時，首先將USB電路板一端與傳感器節(jié)點的電路板連接，另一端與計算機連接，然后將CP2102的驅(qū)動程序安裝在計算機上，計算機將CP2102虛擬成一個COM口，最后就能夠以訪問一個標準COM口的硬件方式訪問CP2102。USB通訊電路如圖5所示，網(wǎng)絡系統(tǒng)將µPD78F0485的異步串行接口UART6與CP2102的異步串行接口相連接。
圖5 USB通訊電路圖
液晶顯示模塊設計
溫度傳感器網(wǎng)絡工作時，需讀取和設置節(jié)點的參數(shù)。因此，需采用LCD顯示器來顯示所需設置的參數(shù)命令和參數(shù)數(shù)據(jù)。本設計采用的µPD78F0485微控制器帶有LCD控制器/驅(qū)動器，具有自動讀取存儲器顯示數(shù)據(jù)，自動輸出COMMON和SEGMENT信號的功能。µPD78F0485具有6種顯示模式，每種顯示模式具有6種不同的幀頻率，本文選用1/3分壓、1/4分時的驅(qū)動方式，使用副時鐘作為LCD的時鐘源，采用內(nèi)部分壓的方式來驅(qū)動具有4個COM端、20個SEG的LCD顯示器，該顯示器可同時顯示8個數(shù)字、7個小數(shù)點、17個常用標號。
溫度采集模塊設計
本設計溫度采集芯片采用數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，它由半導體公司Dallas推出，具有如下特點：①測溫范圍-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范圍內(nèi)的精度為±0.5℃。②測量結(jié)果為數(shù)字信號，以“一線總線”傳給MCU，并且也傳送CRC校驗碼。③具有較高的分辨率，擁有9~12位分辨率可調(diào)的功能，所對應的溫度分辨率分別為0.5℃、0.25℃、0.125和0.0625℃。④具有寄生電源供電和外部電源供電兩種模式，電壓范圍寬。其中，在外部電源供電模式下，DS18B20工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，因此，本文采用外部供電模式，并將DS18B20的電源引腳連接到µPD78F0485的引腳，當不測量溫度時，將其外部電源關(guān)閉以降低節(jié)點的功耗。⑤體積小，減少了傳感器節(jié)點體積的大小。網(wǎng)絡系統(tǒng)測溫電路如圖6所示，µPD78F0485的P140引腳與DS18B20的電源引腳相連接，P133引腳與DS18B20的數(shù)據(jù)引腳相連接。
圖6 測溫電路圖
電量檢測模塊設計
溫度傳感器網(wǎng)絡采用電池供電，因而必須定時檢測電量，以避免節(jié)點電量不足而造成節(jié)點之間的通信故障，若電量不足，則提示更換電池。本設計采用µPD78F0485微控制器的10位逐次逼近性AD轉(zhuǎn)換器和微功率兩端帶隙穩(wěn)壓器LM385二極管來實現(xiàn)電量檢測，電量檢測電路如圖7所示，P30引腳連接控制是否測量電量，用以控制是否進行電量檢測，P27/ANI連接穩(wěn)壓管LM385的電源端。穩(wěn)壓管LM385可工作在10mA~20mA的電流范圍內(nèi)，具有非常低的溫度系數(shù)和動態(tài)阻抗。
圖7 電量檢測電路圖
電源模塊設計
根據(jù)系統(tǒng)要求，本設計采用3.6V鋰電池供電，鋰電池具有容量大、體積小的特點。由于USB通訊模塊使用的是5V電壓，因此需采用LM1117進行5V到3.6V電壓的轉(zhuǎn)換。電源模塊電路如圖8所示，電源模塊提供5V和3.6V的兩種電源接口，采用三端穩(wěn)壓器LM1117可將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.6V電壓。
圖8 電源模塊電路圖
結(jié)束語
為了實現(xiàn)實時采集房間內(nèi)的溫度信息，本文基于nRF905芯片設計了一款無線溫度傳感器網(wǎng)絡。首先對無線傳感器網(wǎng)絡進行了概述，然后給出了溫度傳感器網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)組成，最后詳細闡述了溫度傳感器網(wǎng)絡的硬件設計。該溫度傳感器網(wǎng)絡具有良好的通用性和可靠性。