微電子和無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使得低功耗、低成本、體積微小的傳感器網(wǎng)絡(luò)的研制成為可能^[1]。這種網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)被放置在目標(biāo)區(qū)域中，自組網(wǎng)絡(luò)，采集數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備將數(shù)據(jù)經(jīng)多跳傳送到基站，由Internet或其他有線網(wǎng)絡(luò)傳到用戶終端。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用非常廣泛，可用于環(huán)境檢測(cè)、軍事探測(cè)、醫(yī)療保健等各個(gè)部門^[3]。它的應(yīng)用將對(duì)人們的生活方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，該技術(shù)被美國(guó)《商業(yè)周刊》評(píng)為未來(lái)四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。
　　本文介紹了一種無(wú)線傳感器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，包括節(jié)點(diǎn)和開(kāi)發(fā)板。節(jié)點(diǎn)具有功耗低" title="功耗低">功耗低、通用性好的特點(diǎn)，帶有多種傳感器，可以感知溫度、濕度和光等，并帶有擴(kuò)展口。開(kāi)發(fā)板用于配置節(jié)點(diǎn)和下載程序。開(kāi)發(fā)板具有友好的上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)用戶界面，并支持多種編譯系統(tǒng)生成的不同目標(biāo)文件格式。
1 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
　　傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)主要由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊組成^[4]。傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，由于節(jié)點(diǎn)放置在危險(xiǎn)或不易到達(dá)的區(qū)域，更換電池幾乎是不可能，因此節(jié)能成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，此外，還要控制成本和體積。設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖1所示。

1.1 微處理器模塊
　　微處理器選用ATMEL公司的ATMELGA128L。該芯片功耗低，且有多種睡眠模式；多個(gè)中斷源，53個(gè)IO口，可以連接多個(gè)傳感器擴(kuò)展口；內(nèi)帶8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以將傳感器送來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)；雙向I²C串行總線接口；主/從SPI串行接口；可編程串行通信接口；JTAG和SPI在線編程方式等。該芯片的豐富資源可以滿足節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)囊?，尤其是六種不同的睡眠模式，特別適合有能量限制的應(yīng)用。

　　存儲(chǔ)器存放待處理或接收的數(shù)據(jù)，選用Microchip公司的25AA1024。該芯片的存儲(chǔ)量為1 024KB，功耗低，讀寫方式為SPI，占用IO口少。節(jié)點(diǎn)索引號(hào)產(chǎn)生器選用MAXIM公司的DS2411，用來(lái)產(chǎn)生48位隨機(jī)數(shù)，作為節(jié)點(diǎn)的惟一標(biāo)識(shí)號(hào)^[1]。
1.2 射頻模塊
　　射頻芯片的選取直接影響節(jié)點(diǎn)的功耗，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)消耗能量的近2/3都用于無(wú)線收發(fā)^[5]。選用的射頻芯片為NORDIC公司的nRF24L01。該芯片功耗低，在相同工作模式下，比Chipcon 公司的CC2420芯片節(jié)省近1/3的能量；工作于2.4G～2.5GHz ISM頻段；支持高速跳頻；體積很小；外圍器件少，配置簡(jiǎn)單，且使用兩層PCB板，節(jié)省成本。nRF24L01配置框圖如圖2所示。
　　nRF24L01與微處理器相連只需6根信號(hào)線，其中4根是SPI信號(hào)線，與ATMELGA128L的SPI口相連；其余一根為片選，另一根用于中斷請(qǐng)求。
　　射頻電路要取得好的RF性能，PCB設(shè)計(jì)必須合理。 nRF24L01的供電電源必須經(jīng)過(guò)良好的濾波，并且與數(shù)字電路分開(kāi)；避免長(zhǎng)距離走線；在射頻信號(hào)輸出部分，根據(jù)發(fā)送功率設(shè)置濾波網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，使到達(dá)天線的信號(hào)最強(qiáng)。要防止高頻信號(hào)泄漏，否則會(huì)對(duì)發(fā)射信號(hào)造成很大干擾。由于天線要散播電磁能量，需選用Q值較小的器件。制作PCB板時(shí)，在器件周圍覆銅，以提高抗干擾性能。
1.3 傳感器模塊和擴(kuò)展口
　　板上設(shè)有一光敏電阻感應(yīng)光信號(hào)，由于是模擬信號(hào)，需接入ATMELGA128L的AD引腳進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后才可處理。板上還裝有一數(shù)字型溫濕度傳感芯片SHT15,可感知溫度和濕度，精確度較高，且功耗低，采用I²C讀寫，占有IO口很少。
　　為了讓節(jié)點(diǎn)具有更廣泛的應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)板上接有擴(kuò)展口，其中有I²C口、AD口和中斷口等，用來(lái)連接其他傳感器。
1.4 電源模塊和電能消耗
　　節(jié)點(diǎn)有兩種供電方式，在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試和測(cè)試時(shí)通過(guò)開(kāi)發(fā)板供電，在外界環(huán)境中工作時(shí)，用2個(gè)AA電池供電。為了防止2個(gè)電源之間的干擾，在板上加有一個(gè)手動(dòng)開(kāi)關(guān)。
　　因?yàn)殡娔艿南臎Q定了傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命，在節(jié)點(diǎn)的軟、硬件設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮能源的有效性。節(jié)點(diǎn)在各種運(yùn)行模式下，必須關(guān)閉不必要的模塊以節(jié)省能量。
　　當(dāng)通信采用節(jié)點(diǎn)定時(shí)關(guān)閉和打開(kāi)的協(xié)議且關(guān)閉與打開(kāi)的時(shí)間比為1：99時(shí)^[6]，使用2節(jié)1 000毫安時(shí)(mA-hr)的AA電池供電，節(jié)點(diǎn)耗能如表1所示。

　　在上述工作模式下，如果用2節(jié)1 000mA－h(huán)r的AA電池供電，則節(jié)點(diǎn)壽命為12.55個(gè)月。此值是在最大發(fā)送功率情況下計(jì)算的。當(dāng)發(fā)送功率和收發(fā)速率變小時(shí)，耗能更少，傳感器的壽命會(huì)更長(zhǎng)。
2 開(kāi)發(fā)板的硬件設(shè)計(jì)
　　開(kāi)發(fā)板的硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

　　節(jié)點(diǎn)CPU的JTAG口接在開(kāi)發(fā)板上。如果使用JTAG口下載和調(diào)試程序，則需要JTAG下載器。為此，設(shè)計(jì)了另一種下載方式，即串行下載。CPU通過(guò)USB口接收上位機(jī)的代碼，然后通過(guò)SPI口下載到節(jié)點(diǎn)CPU的FLASH。CPU為中心控制模塊，接收上位機(jī)的各種命令并進(jìn)行相應(yīng)處理。CPU芯片選用ATMEL公司的ATMELGA16L，該芯片帶有可編程UART口和工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI口。
　　USB轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)上位機(jī)端的USB數(shù)據(jù)與下位機(jī)" title="下位機(jī)">下位機(jī)端的UART數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。選用芯片為FT232BM。由于編程板CPU、ATMELGA128都要通過(guò)USB口與上位機(jī)通信，為了防止不同輸入輸出信號(hào)間的干擾，設(shè)計(jì)時(shí)用了兩個(gè)帶有使能控制的BUFFER來(lái)控制不同CPU串口通信的通斷。
　　為了更方便地配置傳感器節(jié)點(diǎn)，在板上集成了一塊E²PROM。目標(biāo)代碼可以先存儲(chǔ)在E²PROM中。當(dāng)需要向節(jié)點(diǎn)下載時(shí)，通過(guò)按鈕激發(fā)外部中斷即可將E²PROM的代碼通過(guò)SPI口寫入節(jié)點(diǎn)CPU。操作方便簡(jiǎn)單，擺脫了上位機(jī)的限制。
　　節(jié)點(diǎn)連接器是17針的節(jié)點(diǎn)與開(kāi)發(fā)板和擴(kuò)展傳感器之間的接口，除了編程口和串口，還有連接傳感器的擴(kuò)展口，包括I²C口、中斷口和AD口等。
　　節(jié)點(diǎn)CPU SPI編程共需4根信號(hào)線，其中3根SPI通信線與開(kāi)發(fā)板CPU的SPI口相連，節(jié)點(diǎn)CPU的RESET信號(hào)由開(kāi)發(fā)板CPU的IO口控制即可。
3 開(kāi)發(fā)板軟件設(shè)計(jì)
3.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
　　用C++Builder 6.0編寫上位機(jī)程序，制作了用戶操作界面，并將不同編譯系統(tǒng)生成的多種目標(biāo)文件格式轉(zhuǎn)換成上、下位機(jī)約定的文件格式，傳送給下位機(jī)。
　　為提高向ATMELGA128L的FLASH和E²PROM寫代碼的效率和便于從E²PROM向FLASH寫代碼，上位機(jī)傳送給下位機(jī)的代碼采用圖4所示的格式。

　　圖4中，地址指該段代碼要寫入FLASH的初始地址，包括2字節(jié)的頁(yè)地址和1字節(jié)的頁(yè)內(nèi)地址；序列號(hào)表示該段代碼是全部代碼中的第幾段；長(zhǎng)度指該段代碼的字節(jié)數(shù)，不包括地址和序列號(hào)。每一地址段代碼都采用表2的格式。

　　上位機(jī)程序支持的目標(biāo)文件格式有：TinyOS、AVR GCC和IAR生成的Intel hex文件。Intel hex是Intel公司提出的一種文件標(biāo)準(zhǔn)，是最常用的目標(biāo)文件格式之一^[2]。上位機(jī)程序還支持TI(德州儀器)公司提出的msp430-txt格式，該格式及說(shuō)明如表2所示。
　　上位機(jī)程序?qū)⒉煌幾g系統(tǒng)生成的不同格式的目標(biāo)文件轉(zhuǎn)換成圖4所示的格式，再發(fā)給下位機(jī)。上位機(jī)操作界面提供了各種命令按鈕，用戶點(diǎn)擊命令按鈕后，上位機(jī)即按制定的該命令模式處理協(xié)議發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。在傳送文件時(shí)，為確保數(shù)據(jù)傳送不出差錯(cuò)，采用了停止－等待傳輸協(xié)議。上位機(jī)發(fā)送約定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)后停止發(fā)送，等接收到下位機(jī)發(fā)來(lái)的確認(rèn)標(biāo)志后再開(kāi)始發(fā)送。上位機(jī)總程序框圖如圖5所示。

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)
　　下位機(jī)接收上位機(jī)的命令，完成讀寫FLASH、E²PROM、鎖定位、熔絲位和USB口使用權(quán)的切換等功能。由于實(shí)現(xiàn)的功能較多，采用了模塊化、自下向上的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法。首先按照ATMELGA128L數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的SPI編程算法，用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了讀寫FLASH、鎖定位和熔絲位等模塊。
　　程序設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)是將接收的上位機(jī)發(fā)送的文件寫入FLASH或E²PROM，因?yàn)樯婕暗浇邮諗?shù)據(jù)和寫FLASH或E²PROM的交互。解決方法是采用停止－等待傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。下位機(jī)開(kāi)辟約定數(shù)量的緩沖區(qū)，利用中斷接收上位機(jī)數(shù)據(jù)至緩沖區(qū)滿，處理完緩沖區(qū)數(shù)據(jù)后發(fā)送確認(rèn)標(biāo)志，上位機(jī)收到確認(rèn)后再開(kāi)始下一次發(fā)送。
　　按制定的協(xié)議寫ATMELGA128L的FLASH的流程圖如圖6所示。