引言
無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)由隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型節(jié)點，通過自組織的方式構成網(wǎng)絡，傳感器網(wǎng)絡具有分布式處理帶來的監(jiān)測高精度、高容錯性、大覆蓋區(qū)域、可遠程監(jiān)控等眾多優(yōu)點，成為近期國際上網(wǎng)絡研究的重要熱點之一。
無線傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點是一次性的，要求節(jié)點成本低廉和工作時間盡可能長。無線傳感網(wǎng)絡中不應該存在專門的路由器節(jié)點，每個節(jié)點既是終端節(jié)點， 又是路由器節(jié)點。節(jié)點間采用移動自組織網(wǎng)絡聯(lián)系起來，并采用多跳的路由機制進行通信。因此，在單個節(jié)點上，一方面硬件必須低能耗，采用無線傳輸方式;另一 方面軟件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)絡應用的需求，是目前被業(yè)界普遍看好的一種無線通信協(xié)議?；谶@些基本的思想，本文設計了以高檔8位AVR單片機ATmega128L為核心，結合外圍傳感器和2.4GHz無線收發(fā)模塊CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點，并在實際中得到了應用。
微型節(jié)點的結構
無線傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元4部分組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集單元負責監(jiān)測區(qū)域內信息的 采集和數(shù)據(jù)轉換，本設計中數(shù)據(jù)采集單元包括了溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力傳感器;數(shù)據(jù)處理單元負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定 位、功耗管理、任務管理等;數(shù)據(jù)傳輸單元負責與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);電源管理單元選通所用到的傳感器，節(jié)點電源由兩節(jié) 1.5V堿性電池組成，今后將采用微型紐扣電池，以進一步減小體積。為了調試方便及可擴展性，將數(shù)據(jù)采集單元獨立出來，做成兩塊能相互套接的可擴展主板。
圖1無線傳感器網(wǎng)絡微型節(jié)點結構圖
微型節(jié)點模塊設計
本設計中數(shù)據(jù)處理單元選用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它是采用低功耗COMS工藝生產(chǎn)的基于RISC結構的8位微控制器， 是目前AVR系列中功能最強大的單片機。AVR核將32個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結在一起，所有的工作寄存器都與ALU直接相連，實現(xiàn)了在一個時鐘周 期內執(zhí)行單條指令的同時訪問兩個獨立寄存器的操作，具有良好的性價比。這種結構提高了代碼效率，在性能上比普通CISC單片機提高約10倍。
ATmega128L具有豐富的資源和極低的功耗。它具有片內128KB的程序Flash，4KB的數(shù)據(jù)SRAM，可外擴到64KB的 E2PROM。此外，它還有8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器，并可在多種不同的模式下工作;8個PWM通道、可編程看門狗定 時器和片上振蕩器、片上模擬比較器;UART、SPI、I2C總線接口;JTAG接口。除了正常操作模式外，還具有六種不同等級的低功耗操作模式，每種模 式具有不同的功耗。
采集環(huán)境參數(shù)信號，需要采樣率很高、數(shù)據(jù)量大的CPU。如果采用傳統(tǒng)51系列作為CPU，那么外圍A/D器件速度和CPU速度就有一個相互限制 的瓶頸;如果加上比較復雜的數(shù)據(jù)處理和存儲，需要擴展外部ROM和RAM;這樣多的外圍器件限制了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和速度的提高，同時也大大增加了系統(tǒng)的功 耗。綜合對比之后，數(shù)據(jù)處理單元選用ATmega128L進行開發(fā)。數(shù)據(jù)處理單元接口電路如圖2所示。
圖2數(shù)據(jù)處理單元接口電路
數(shù)據(jù)傳輸單元設計
數(shù)據(jù)傳輸單元模塊電路由Chipcon公司生產(chǎn)的低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420組成。CC2420是一款符合ZigBee技術的高 集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范，工作于2.4GHz頻段。該芯片只需極少外部元器件，可確保短距離通信的 有效性和可靠性。數(shù)據(jù)傳輸單元模塊支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)，系統(tǒng)體積小、成本低、功耗小，適于電池長期供電。具 有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強等特點。數(shù)據(jù)傳輸單元接口電路如圖3所示。CC2420與處理器的連接非常簡便，使用SFD、FIFO、 FIFOP和CCA四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài);處理器通過SPI接口(MISO、MOSI、SCK)與CC2420交換數(shù)據(jù)，發(fā)送命令。
圖3數(shù)據(jù)傳輸單元接口電路
整個節(jié)點由電池供電，要求數(shù)據(jù)采集單元中的傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡單，最好采用不需要信號調理電路的數(shù)字式傳感器。本設計中選用的傳感器都為數(shù)字式傳感器：
(1)溫度傳感器MLX90601：模擬線性輸出，PWM輸出，SPI可編程接口;精度±0.2℃。
(2)壓力傳感器MS5534AP：集成了壓阻式壓力傳感器和ADC接口IC，傳感器提供了16位的壓力參數(shù)輸出，壓力范圍 300-1100mbar;另外模塊也包含了6個可讀的參數(shù)，方便實現(xiàn)軟件校正及高的精度，可自動斷開電源，3線接口則可滿足與微處理器的各種通信。
(3)濕度傳感器SHT11：采用CMOSens技術，不僅將溫濕度傳感器結合在一起,而且還將信號放大器、模/數(shù)轉換器、校準數(shù)據(jù)存儲器、標 準I2C總線等電路全部集成在一個芯片內;全量程標定，兩線數(shù)字輸出;濕度測量范圍為-40_+123.8℃;溫度測量精度為±0.4℃。
(4)光強度傳感器TSL2550D：內含兩枚光電探測器，一枚感應可見光和紅外光，另一枚只感應紅外光。兩枚光電探測器產(chǎn)生兩路信號，傳感器 模擬人眼的原理，根據(jù)兩路信號的強弱判斷周圍光線的強度，可以直接將光強度轉換成數(shù)字量。這種器件的壓縮擴展型A/D轉換器，分辨率為12位，由于采用了 積分轉換技術，在測量交流電燈的光線時不會發(fā)生抖動，提高了測量穩(wěn)定性。
(5)兩維數(shù)字加速度計ADXL202AE：采用先進的MEMS技術，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器，并集成了一套精密的信號 處理電路。信號處理電路把表面微機械傳感器產(chǎn)生的模擬信號轉換為占空比調制(DCM)數(shù)字信號后輸出。這種占空比調制信號可以直接送往單片機，使用非常方 便。測溫數(shù)據(jù)采集單元接口電路如圖4所示。
圖4測溫數(shù)據(jù)采集單元接口電路
電源管理單元設計
電能是傳感器網(wǎng)絡最珍貴的資源，它決定著傳感器網(wǎng)絡的壽命。節(jié)點的電能一旦耗盡，即宣布其壽命到期并退出網(wǎng)絡，由剩下的節(jié)點再重新組網(wǎng)。因此節(jié) 點的電源管理非常重要。在本設計中采用多路器芯片ADG715BRU在I2C總線的控制下選通所用到的傳感器，沒有用到的傳感器不帶電，以達到在無數(shù)據(jù)采 集任務時及時關閉電源而節(jié)省電能的目的。
結語
作者在總結歸納已有研究成果的基礎上，詳細闡述了基于ATmega128L結合外圍傳感器和2.4GHz無線收發(fā)模塊CC2420的無線傳感器 網(wǎng)絡微型節(jié)點，該節(jié)點在試驗中應用良好，能夠采集精度較高的溫度、濕度、光線、加速度和大氣壓力數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡暢通地傳回給主機，并實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡必 須的低功耗。為將來通信結構和具體協(xié)議的設計提供了基礎。