引言
    半導體技術、微系統(tǒng)技術、通信技術、計算機技術的飛速發(fā)展，推動了具有現(xiàn)代意義的無線傳感器技術。無線傳感器網絡技術涉及計算機、半導體、網絡、通信、光學、微機械等眾多領域。微型、高可靠、多功能、集成化的傳感器，低功耗、高性能的專業(yè)集成電路，微型、大容量的能源，高效、可靠的網絡協(xié)議和操作系統(tǒng)，面向應用、低計算量的模式識別，低功耗、自適應的網絡結構，以及現(xiàn)實環(huán)境的各種
應用模式成為無線傳感器網絡課題研究的重點。
    以傳感器和自組織網絡為代表的無線應用不需要較高的傳輸帶寬，但需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列，同時需要一種低端的、面向控制的、應用簡單的專用標準，ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問題。ZigBee是無線個人
局域網絡(Wireless Personal Area Network，WPAN)的標準之一，具有高通信效率、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點。這些優(yōu)點使得ZigBee 和無線傳感器網絡完美地結合在一起。目前，無線傳感器網絡的研究和開發(fā)已得到越來越多的關注。本設計基于ZigBee搭建的無線傳感器網絡采集節(jié)點硬件平臺，可以完成風向、風速和空氣濕度的測量。

1 無線傳感器網絡系統(tǒng)結構
    無線傳感器網絡系統(tǒng)由上位機、中轉器、匯聚節(jié)點和若干采集節(jié)點組成，如圖1所示。采集節(jié)點采集并預處理傳感器采集的數(shù)據，在收到匯聚節(jié)點的上傳命令后將數(shù)據上傳至匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點收集采集節(jié)點上傳的數(shù)據并通過中轉器將數(shù)據上傳到上位機，上位機處理最終上傳的采集數(shù)據。上位機將用戶下達的各操作命令發(fā)送至中轉器，中轉器將命令信息傳遞給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將中轉器下發(fā)的命令通告?zhèn)€采集節(jié)點，同時負責采集節(jié)點相互間的組網及維護。


    本設計中采集節(jié)點和匯聚節(jié)點均采用CC2531作為核心控制芯片；中轉器采用ARM處理器作為核心控制芯片。采集節(jié)點與匯聚節(jié)點間以ZigBee協(xié)議進行無線通信；匯聚節(jié)點與中轉器間采用串口通信；中轉器與上位機以GPRS通信方式進行交互；上位機實現(xiàn)人機交互。

2 CC2531芯片簡介
    CC2531是TI公司推出的符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標準的射頻收發(fā)器。它具有很好的接收靈敏度和魯棒性以及低功耗特性，可編程輸出功率高達4．5 dBm，外部元件很少；結合RF收發(fā)器與業(yè)界標準增強型8051微控制器的性能，具有32 KB、64 KB、128 KB或256 KB的在系統(tǒng)可編程閃存和8 KB的RAM，且該RAM具備在各種供電方式下的數(shù)據保護能力；同時具有多種運行模式，而且運行模式之間轉換時間短，使低能耗特性能夠進一步保證。
    CC2531提供了101 dB的鏈路質量以及一套廣泛的外設集，包括2個USART、8路輸入可配置的12位ADC、21個通用GPIO、高級加密標準(AES)安全協(xié)處理器、看門狗定時器和具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時器等設備。它支持一般的低功耗無線通信，可以應用于遠程控制、消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化、醫(yī)療以及更多領域。

3 采集節(jié)點硬件設計
    節(jié)點系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。整個采集節(jié)點可以劃分為電源模塊、處理模塊、無線通信模塊、數(shù)據采集模塊4個組成部分，各部分協(xié)
同工作。電源模塊負責電壓調理，為其他模塊提供所需要的電壓；處理模塊負責處理節(jié)點數(shù)據和命令；無線通信模塊負責各節(jié)點之間數(shù)據、命令的傳輸；數(shù)據采集模塊完成數(shù)據采集與信號調理。


3．1 電源模塊
    無線傳感器網絡多用于人們不方便或者不經常到達的地方，因此電源的選擇尤為重要。電源模塊控制著整個節(jié)點的能量分配，在整個無線傳感器網絡節(jié)點的設計中具有極其重要的意義。目前，比較容易實現(xiàn)的無線傳感器網絡節(jié)點供電方式是電池供電，根據不同場合和條件也可以選擇不同種類電池。鋰電池的放電曲線平滑，可以保證無線傳感器網絡在平常使用時具有更好的線性特性，因此可以作為系統(tǒng)能量來源的一種選擇。但是，鋰電池額定容量較小，而且需要升壓處理，限制了節(jié)點的生存期。為了維持更長的工作時間和節(jié)省成本，本設計采用5節(jié)7號鎳氫電池供電。除此之外，軟件上通過合理設置節(jié)點的發(fā)射、接收以及待機狀態(tài)，也可以有效地延長節(jié)點的工作時間。新的能源解決方法也是無線傳感器網絡需要研究的重要課題，太陽能或者風力充電就是目前的研究熱點。
    數(shù)據采集模塊需要外部提供5 V直流電壓，處理模塊及無線通信模塊需要3．3 V直流電壓，因而采用了Sipex公司的低壓差電源芯片SPX-2815和SP6201EM-3．3 V將輸入的電池電壓轉換為5 V和3．3V。經過電壓轉換后將電源繼續(xù)劃分為數(shù)字部分與模擬部分供各芯片、模塊使用，保證模擬電源、數(shù)字電源之間不互相干擾。CC2531具有8路A／D接口，使用TI公司的基準電壓二極管LM4040為CC2531的8路A／D接口提供2．5 V的參考電壓，同時為傳感器信號調理電路提供2．5 V電壓。LM4040的輸出電壓穩(wěn)定性好、精度高，輸出電壓精度為O．5％，其接口電路如圖3所示。


3．2 處理模塊
    處理模塊是采集節(jié)點的核心部分，主要由CC2531及其外圍電路構成，完成對采集數(shù)據的處理、存儲以及收發(fā)工作。CC2531的接口電路如圖4所示。 CC2531具有21個I／O口(其中8路P0口具有A／D功能)，它們分別與傳感器接口、SPI存儲器及在線仿真器連接。圖中P0_7接收LM4040 提供的2．5 V基準電壓；系統(tǒng)時鐘由32 MHz晶振提供；系統(tǒng)休眠所用時鐘由32．768 kHz無源晶振提供；復位按鍵與RESET連接，可實現(xiàn)硬件復位，初始化系統(tǒng)。


    為方便選擇不同種類的傳感器，我們將各I／O口連接到統(tǒng)一的傳感器排針接口上，并將具有A／D功能的I／O與GPIO在電路板上進行了劃分，以防止數(shù)模串擾。這種設計增強了可擴展性和靈活性。為實現(xiàn)對I／O口的高效利用，設計中有部分I／O進行了復用。復用后最多可以有
6路A／D以及9路GPIO供采集多路模擬傳感器信號和數(shù)字傳感器信號使用，可以根據實際需求選擇傳感器和連接接口。由于采集的數(shù)據量較大，而 CC2531自帶的內存需要存儲程序，不能滿足存儲要求，所以需要外接存儲器。本設計選用Ramtron公司帶SPI接口的鐵電存儲器FM25L2 56，它具有高速數(shù)據存儲、功耗低、可擦寫次數(shù)多等優(yōu)點。選取CC2531提供的SPI接口1(即P0．2～P0．5四個引腳)與FM25L256連接，完成數(shù)據存儲。其接口電路如圖5所示。


3．3 無線通信模塊
    無線通信模塊作為系統(tǒng)中重要的數(shù)據傳輸通道，實現(xiàn)了采集節(jié)點與匯聚節(jié)點、采集節(jié)點與采集節(jié)點之間的數(shù)據傳輸及組網功能。本設計中，CC2531與 CC2591聯(lián)合使用構成無線通信模塊。CC2591為TI公司面向低功耗與低電壓無線應用的、集成度最高的2．4 GHz射頻前端。它集成了功率放大器(可將輸出功率提高+22 dBm)、低噪聲放大器(可將接收機靈敏度提高+6 dB)、平衡轉換器(balun)、交換機、電感器和RF匹配網絡等，從而能夠顯著增大無線系統(tǒng)的覆蓋范圍，降低系統(tǒng)安裝成本。這種高集成度簡化了高性能設計工作，使客戶能用極少的外部組件開發(fā)出高輸出功率的無線解決方案。CC2591為CC2531提供了無縫接口，對于加速系統(tǒng)開發(fā)、改善系統(tǒng)RF性能方面具有很大幫助。其連接電路如圖6所示。其中，B1為磁珠，作濾波用，推薦型號BLMl5HG102SN1D。


    TI公司為CC2591與CC2531之間的連接提供一個緊湊的參考設計，并提供了PCB板參數(shù)。PCB板經過仿真驗證后參照參考設計繪制，對電源、地的布局進行了精心設計。同時，天線的信號走線進行了阻抗匹配設計，使到達天線端阻抗為50 Ω，并且PCB板上使用村田公司的高頻分立元件，以達到較好的信號傳輸效果，增加節(jié)點間的無線通信距離。
3．4 數(shù)據采集模塊
    數(shù)據采集模塊負責采集數(shù)據和數(shù)據信號的調理。選用EC21B型高動態(tài)性能測風傳感器和PTS-3型空氣濕度傳感器。采用排針接口設計，如果需要用于其他的應用場合，只需更換不同的傳感器(包括信號調理部分)并采用排線連接即可，大大擴展了無線傳感器網絡的應用范圍。
    EC21B型高性能測風傳感器為三杯式、單尾翼型測風傳感器，風杯為一體式。該傳感器只需5 V電壓即可工作，輸出信號為RS485數(shù)字信號。為采集傳感器信號，需要對傳感器信號進行轉換。本設計選用了Exar半導體公司的SP3494芯片，實現(xiàn)了RS485信號和TTL信號的雙向轉換。SP3494是一個半雙工的轉換速率部分受限的收發(fā)器，數(shù)據傳輸速率高達2．5 Mbps，含有低功耗關斷模式和驅動器／接收器高阻使能控制線。測風傳感器信號調理電路如圖7所示。SP3494的接收器輸出端(R0)、發(fā)送器輸入端 (DI)及使能端(、DE)通過排針與I／O接口連接；同相發(fā)送器輸出／接收器輸入端(A)、反相發(fā)送器輸出／接收器輸入端(B)與傳感器信號線連接。


    PTS-3型空氣濕度傳感器需要5 V直流電壓供電，只需一根信號輸出線，輸出電壓范圍為1～4 V模擬信號。為了使PTS-3輸出的模擬電壓能夠被CC2531正確采樣，需要對輸出信號進行調理，使其輸出信號更加穩(wěn)定且電壓值不超過基準電壓。空氣濕度傳感器信號調理電路如圖8所示。U1為傳感器接口，5 V電源向傳感器供電，傳感器的輸出信號(1～4 V)通過精密電阻1／2分壓后送入由P354構成的射隨器，并最終將信號送入CC2531的一個ADC通道。



結語
    基于ZigBee的無線傳感器網絡具有低功耗、低成本、體積小的顯著優(yōu)點，可在特殊環(huán)境下實現(xiàn)檢測區(qū)域內信號的采集傳輸與處理。Zig-Bee新一代 SoC芯片CC2531是真正的片上系統(tǒng)解決方案，適用于環(huán)境監(jiān)測、災害預測等系統(tǒng)的開發(fā)。伴隨新的能量解決方案的提出及無線自組織網絡技術的成熟，無線傳感器網絡將應用到更多領域。