1 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，簡(jiǎn)稱WSNs)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)視對(duì)象的各種信息，并加以處理，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)任務(wù)。WSNs綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、無線通訊、分布式信息處理等技術(shù)，具有快速構(gòu)建、自配置、自調(diào)整拓?fù)洹⒍嗵酚伞⒏呙芏取⒐?jié)點(diǎn)數(shù)可變、無統(tǒng)一地址、無線通信等特點(diǎn)，特別適用于大范圍、偏遠(yuǎn)距離、危險(xiǎn)環(huán)境等條件下的實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)，可以廣泛應(yīng)用于軍事、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、衛(wèi)生保健、空間探索等各個(gè)領(lǐng)域。
2 節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)和器件選型
2.1節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)
WSNs微型節(jié)點(diǎn)應(yīng)用數(shù)量比較大，更換和維護(hù)比較困難，要求其節(jié)點(diǎn)成本低廉和工作時(shí)間盡可能長(zhǎng)；功能上要求WSNs中不應(yīng)該存在專門的路由器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是終端節(jié)點(diǎn)，又是路由器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)間采用移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，并采用多跳的路由機(jī)制進(jìn)行通信。因此，在單個(gè)節(jié)點(diǎn)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。基于這些基本思想，設(shè)計(jì)了以高檔8位AVR單片機(jī)ATmega128L為核心，結(jié)合外圍傳感器和2.4 GHz無線收發(fā)模塊CC2420的WSNs微型節(jié)點(diǎn)。這兩款器件的體積非常小，加上外圍電路，其整體體積也很小，非常適合用作WSNs節(jié)點(diǎn)的元件。
圖1給出WSNs微型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。它由數(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。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)中包括了可燃性氣體傳感器和濕度傳感器；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)傳輸單元負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)電源由幾節(jié)AA電池組成，實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中采用微型紐扣電池，以進(jìn)一步減小體積。為了調(diào)試方便及可擴(kuò)展性，可將數(shù)據(jù)采集單元獨(dú)立出來，做成兩塊能相互套接的可擴(kuò)展主板。
2.2處理器選型
處理器的選型要求和指標(biāo)是功耗低，保證長(zhǎng)時(shí)間不更換電源也能順利工作，供給電壓小于5 V，有較快的處理速度和能力，由于節(jié)點(diǎn)是需要大量安置的，所以價(jià)格也要相對(duì)便宜。選用AVR單片機(jī)，考慮到電路中I／O的個(gè)數(shù)不多，功耗低、成本低、適合與無線器件接口配合等多方面因素，綜合對(duì)比后，選用Atmel公司的ATmega128L。該微型控制器擁有豐富的片上資源，包括4個(gè)定時(shí)器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM；擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便無線器件和傳感器的接入；有6種電源節(jié)能模式，方便低功耗設(shè)計(jì)。
2.3無線通信器件選型
CC2420是一款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范，工作于2.4 GHz頻段。該器件只需極少外部元件，即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?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 Kb／s，即可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，系統(tǒng)體積小、成本低、功耗小，適于電池長(zhǎng)期供電，具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。
2.4傳感器選型
由于WSNs是用于礦下安全監(jiān)測(cè)，常要檢測(cè)礦下可燃?xì)怏w的濃度(預(yù)防瓦斯氣體濃度過高)和空氣濕度，所以要選擇測(cè)量氣體濃度和濕度傳感器。
2.4.1 HIH-4000系列測(cè)濕傳感器
HIH-4000系列測(cè)濕傳感器作為一個(gè)低成本、可軟焊的單個(gè)直插式組件(SIP)能提供儀表測(cè)量質(zhì)量的相對(duì)濕度(RH)傳感性能。RH傳感器可用在二引線間有間距的配量中，它是一個(gè)熱固塑料型電容傳感元件，其內(nèi)部具有信號(hào)處理功能。傳感器的多層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)用環(huán)境的不利因素，諸如潮濕、灰塵、污垢、油類和環(huán)境中常見的化學(xué)品具有最佳的抗力，因此可認(rèn)定它能適用礦下環(huán)境。
2.4.2 MR511熱線型半導(dǎo)體氣敏元件
MR511型氣敏元件利用氣體吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面而產(chǎn)生熱傳導(dǎo)變化及電傳導(dǎo)變化的原理，由白金線圈電阻值變化測(cè)定氣體濃度。MR511由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì)組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)，檢測(cè)元件的電阻減小，橋路輸出電壓變化，該電壓變化隨氣體濃度的增大而成比例增大，補(bǔ)償元件具有溫度補(bǔ)償作用。MR511除具有靈敏度高、響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間短、穩(wěn)定性好特點(diǎn)外，還具有功耗小，抗環(huán)境溫濕度干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。WSNs的節(jié)能和井下惡劣溫濕環(huán)境要求MR5111可以滿足。
3 WSNs節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
3.1數(shù)據(jù)采集單元
考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的節(jié)能和井下惡劣的溫濕環(huán)境，為了便于數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用HIH-4000-01型測(cè)濕度傳感器和MR511熱線型半導(dǎo)體氣體傳感器。圖2、圖3分別給出其電路設(shè)計(jì)圖。
3.2數(shù)據(jù)處理單元
ATmega128L的外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)時(shí)注意在數(shù)字電路的電源并人多只電容濾波。ATmega128L的工作時(shí)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(shí)鐘源等方式。工作時(shí)鐘源的選擇通過ATmega128L的內(nèi)部熔絲位來設(shè)計(jì)。熔絲位可以通過JTAG編程、ISP編程等方式設(shè)置。ATmega128L采用7.3728 MHz和32.768 kHz兩個(gè)外部晶振。前者用作工作時(shí)鐘，后者用作實(shí)時(shí)時(shí)鐘源。
3.3數(shù)據(jù)傳輸單元
3.3.1 CC2420外圍電路設(shè)計(jì)
圖4給出數(shù)據(jù)傳輸單元的外圍電路。CC2420只需要極少的外圍元器件。其外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。
射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50 Ω，同時(shí)為器件內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。射頻輸入／輸出是高阻抗，有差別。射頻端最適合的負(fù)載是115+j180 Ω。C61、C62、C71、C81、L61組成不平衡變壓器，L62和L81匹配射頻輸入輸出到50 Ω；L61和L62同時(shí)提供功率放大器和低噪聲放大器的直流偏置。內(nèi)部的T／R開關(guān)是為了切換低噪聲放大器／功率放大器。R451偏置電阻是電流基準(zhǔn)發(fā)生器的精密電阻。CC2420本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。若由內(nèi)部電路提供時(shí)，需外加晶體振蕩器和兩只負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。設(shè)計(jì)采用16 MHz晶振時(shí)，其電容值約為22 pF。C381和C391是外部晶體振蕩器的負(fù)載電容。片上電壓調(diào)節(jié)器提供所有內(nèi)部1.8 V電源的供應(yīng)。C42是電壓調(diào)節(jié)器的負(fù)載電容，用于穩(wěn)定調(diào)節(jié)器。為得到最佳性能必須使用電源去耦。在應(yīng)用中使用大小合適的去耦電容和功率濾波器是非常重要的。CC2420可以通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設(shè)置器件的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀，寫緩存數(shù)據(jù)，讀／寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP引腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射／接收緩存器。
3.3.2配置IEEE 802.15.4工作模式
CC2420為IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為：頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗(yàn)幀；PHY層的幀格式為：同步幀+PHY頭幀+MAC幀，幀頭序列的長(zhǎng)度可通過設(shè)置寄存器改變，采用16位CRC校驗(yàn)來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴０l(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作。表1給出CC2420的四線串行SPI接口引腳功能。它是設(shè)計(jì)單片機(jī)電路的依據(jù)，充分發(fā)揮這些功能是設(shè)計(jì)無線通信產(chǎn)品的前提。
3.3.3 CC2420與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)
圖5給出CC2420與ATmega128L單片機(jī)的接口電路。CC2420通過簡(jiǎn)單的四線(SI、SO、SCLK、CSn)與SPI兼容串行接口配置，這時(shí)CC2420是受控的。ATmega128L的SPI接口工作在主機(jī)模式，它是SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品剑籆C2420設(shè)為從機(jī)工作方式。當(dāng)ATmega128L的SPI接口設(shè)為主機(jī)工作方式時(shí)，其硬件電路不會(huì)自動(dòng)控制SS引腳。因此，在SH通信時(shí)，應(yīng)在SPI接口初始化，它是由程序控制SS，將其拉為低電平，此后，當(dāng)把數(shù)據(jù)寫入主機(jī)的SPI數(shù)據(jù)寄存器后，主機(jī)接口將自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器，在硬件電路的控制下，移位傳送，通過MOSI將數(shù)據(jù)移出ATmega128L，并同時(shí)從CC2420由MISO移人數(shù)據(jù)，8位數(shù)據(jù)全部移出時(shí)，兩個(gè)寄存器就實(shí)現(xiàn)了一次數(shù)據(jù)交換。
4 結(jié)語
通過對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中傳感器元件、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源的選擇，設(shè)計(jì)了一種以CC2420和ATmega128L為主體的硬件方案。利用該方案設(shè)計(jì)的CC2420和ATmega128L的外圍電路以及兩者之間的接口電路。此外，還對(duì)傳感器與單片機(jī)的接口電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的硬件節(jié)點(diǎn)基本上達(dá)到了項(xiàng)目要求，經(jīng)調(diào)試能通過傳感器正確真實(shí)地采集數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)無線節(jié)點(diǎn)(兩個(gè)電路板。AA電池供電)在30 m左右的通信、傳輸數(shù)據(jù)、并反映到終端設(shè)備。
