中心議題:
- 無線傳感器網絡節(jié)點系統概述
- 無線傳感器網絡節(jié)點硬件設計
- 無線傳感器網絡節(jié)點設計認證
本文設計了一種具有質量輕、體積小、低成本、低能耗的無線傳感器網絡節(jié)點。該節(jié)點由MSP430單片機、CC2420射頻收發(fā)器、FT232BM轉換芯片、SHT11溫度濕度傳感器、外圍芯片、電源電路以及JTAG調試接口組成。通過JTAG調試,以及安裝TinyOS操作系統,節(jié)點較好地實現了數據采集、無線傳輸以及無線網絡功能。
無線傳感器網絡是信息技術發(fā)展到一定階段后出現的一種聚合傳感器、嵌入式、現代網絡以及無線通信、分布式信息處理等多種綜合性的技術。傳感器網絡能夠廣泛用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復雜機械控制、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理,以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領域。文中設計了一種無線傳感器節(jié)點,硬件設計基于Moteiv方案,采用超低功耗單片機MSP430F1611作為數據處理芯片,以CC2420無線射頻芯片作為收發(fā)芯片,并擁有JTAG以及其他擴展接口。通過硬件測試以及軟件調試該節(jié)點符合設計指標。
1 系統概述
無線傳感器網絡由大量無線傳感器節(jié)點組成,每個節(jié)點由傳感器采集數據,數據處理芯片負責接收和處理傳感器采集到的數據,通過無線射頻芯片進行數據的無線傳輸與接收以及無線組網功能。USB接口可以作為電源以及編程接口,一線硅序列號可作為節(jié)點的唯一標識,Fla sh芯片用于存儲數據,JTAG口用于調試與編程。
圖1 系統框圖
2 硬件設計
節(jié)點主要由6部分組成:電源單元、無線射頻模塊、傳感器模塊、USB通信模塊和微處理器。
2.1 電源單元
傳感器節(jié)點體積微小,通常攜帶能量有限的電池。能量供應模塊在無線傳感器節(jié)點中至關重要,為傳感器節(jié)點各部分提供能量。需要長時間數據采集的傳感器有的需要太陽能等方式來維持節(jié)點的正常運轉。節(jié)點的各部分也需要精心設計。節(jié)點微處理器的工作電壓為1.8~3.6 V,無線射頻芯片工作電壓為2.1~3.6 V,Flash供電電壓為2.7~3.6 V,USB轉換芯片由USB供電。因此電源可以選用3 V紐扣電池供電,有效減少了節(jié)點的大小。另外USB也可以作為供電源,同時作為編程電源,電源單元如圖2所示。LC濾波單元對交流電具有較好的濾波效果,同時又不會降低直流輸出電壓。低壓差的穩(wěn)壓器ADP3339保證了電源較好的穩(wěn)壓性。
圖2 電源單元
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2.2 無線射頻模塊
節(jié)點中的無線收發(fā)機,采用Chipcon公司推出的一款兼容2.4GHz IEEE 802.15.4的無線收發(fā)芯片CC2420.它基于Chipeon公司的Smart RF03技術,使用0.18μm CMOS工藝生產,具有較高的集成度。該芯片體積小、功耗低,具有完全集成的壓控振蕩器,只需天線、16 MHz晶體等少量外圍電路就能在2.4GHz頻段上工作。CC2420采用O-QPSK調制方式;超低電流消耗,接收靈敏度可達到-94dBm,抗鄰道干擾能力強,其選擇性和敏感性指數超過了IEEE 802.15.4標準的要求,可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數據傳輸速率高達250 kbit·s-1,可實現多點對多點的快速組網。
圖3 無線射頻模塊
圖3中無線射頻模塊的外圍電路采用CC2420手冊提供的典型應用電路的器件數值,這樣保證了芯片能工作在正常狀態(tài)。另外為達到最優(yōu)性能,必須使用電源去耦,去耦電容和電源過濾的設置和大小對于在應用中獲得最優(yōu)性能起著關鍵作用,TI提供一個緊湊的參考設計,必須嚴格按照該設計進行。同時增加數字、模擬電源采用電容濾波。CC2420需要一個16 MHz的參考時鐘用于傳輸速率為250 kbit·s-1的數據收發(fā),參考時鐘可以來自外部時鐘源,也可以由內部晶體振蕩器產生,這里采用內部晶體振蕩器產生的方式。天線阻抗匹配至關重要,為獲得較好的發(fā)射功率,在原有基礎上對部分電容、電感進行了適當的調整。CC2420與微控制器的通信通過4線SPI總線實現(SI、SO、SCLK、CSn),通過控制FIFO和FIFOP管腳接口狀態(tài)可以使芯片工作在發(fā)射或接收模式,另外CCA用于空閑信道評估,SFD用于控制時鐘或定時信息的輸入。
2.3 傳感器模塊
傳感器是無線傳感器節(jié)點的數據采集單元,可以根據實際需要選用不同的傳感器,節(jié)點采用溫度、濕度傳感器SHT11.SHT11是一款將溫度、濕度傳感器、信號放大調理器、A/D轉換器和總線接口集成于一個芯片上的單片全校準數據輸出傳感器,它可以直接提供溫度在-40~120℃范圍內且分辨率為14 bit的數字輸出和濕度在0~100%RH范圍內且分辨率為12 bit的數字輸出。傳感器及外圍模塊如圖4所示。
圖4 傳感器模塊
SHT11電源供電要求為2.4~5.5V,電源和時鐘信號均由微處理器提供,數據線管腳三態(tài)輸出,因此需要外界一個上拉電阻將信號拉高。
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2.4 USB通信模塊
無線傳感器網絡由大量節(jié)點組成,這些節(jié)點按一定協議將采集的數據進行融合、傳輸,最終將數據傳送到個人電腦上進行處理和觀察,同時節(jié)點工作需要將特定的程序寫入Flash中。目前個人電腦最常用的接口為USB,而微處理器使用USART接口,為實現兩種接口之間轉換,節(jié)點使用FT232BM芯片作為轉換芯片。FT232BM是一種單片USB到異步串口轉換芯片,支持全握手和調制解調接口信號,在TTL級數據傳輸速度范圍為300 bit·s-1~3 Mbit·s-1.芯片通過USB總線供電,工作電壓為4.35~5.25 V,采用外部6 MHz時鐘。USB PID、序列號和產品信息可以保存在外部EEPROM中。USB通信模塊接口如圖5所示。
圖5 USB通信模塊
2.5 微處理器模塊
微處理器是無線傳感器節(jié)點的核心,傳感器數據的數據處理,串行口以及無線模塊的傳輸與控制均需要微處理器的參與。節(jié)點微處理器TI公司的16為超低功耗MSP430F1611.該微處理器工作電壓為1.8~3.6 V,在RAM數據保持方式下耗電僅為0.2μA,在激活工作1 MHz的情況下為330μA,可以工作在5中低功耗模式,喚醒時間<6μm.Flash大小為48 kB,RAM大小為10 kB.芯片內部有16位定時器Timer_A和Timer_B具有捕獲/比較功能;大量的捕獲/比較寄存器可用于事件計數、時序發(fā)生等;多功能串口(USART)可以實現異步、同步和I2C串行通信,可以方便地實現多級通信的應用;具有較多的I/O端口,最多達6×8條I/O口線,P1、P2口還可以接收外部上升或下降沿的中斷輸入;12位A/D轉換器有較高的轉換速率,最高可達200 kbit·s-1,能滿足大多數數據采集的應用。微處理器模塊如圖6所示。溫度濕度傳感器連接P1口5、6、7管腳,無線模塊SPI接在P3口1、2、3和P4.4管腳,USB通信模塊數據線連接到P3口6、7管腳。其他管腳分別用于控制和擴展接口。外部晶振大小為32MHz。
圖6 微處理器模塊
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2.6 電路板設計
電路板根據不同的標準有不同的分類,在設計中大多數根據板的數目分類,在電氣連接關系復雜的電路板設計中,雙面板難以滿足電路布線的要求,這時就必須考慮使用多層板。本節(jié)點采用4層板,頂層主要是USB模塊和無線模塊,底層為微處理器模塊,內部層為電源層和地層。設計結果如圖7所示。
圖7 節(jié)點PCB布局
節(jié)點實物如圖8所示。
圖8 節(jié)點實物圖
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3 設計驗證
3.1 無線模塊驗證
為對設計的節(jié)點功能進行驗證,首先使用IAR集成開發(fā)環(huán)境編寫CC2420的測試程序,通過JTAG將程序燒入Flash,經過檢測,射頻部分較好地滿足了預期。芯片工作頻帶范圍為2.4~2.48 GHz,發(fā)射功率為0 dBm.經過頻譜儀和頻率計驗證設計符合要求,驗證結果如圖9所示。
圖9 射頻模塊驗證
3.2 傳感器和USB轉換模塊驗證
TinyOS是UC Berkeley開發(fā)的開放源代碼操作系統,專為嵌入式無線傳感器設計,操作系統基于構件的架構使得快速更新成為可能,而這又減小了受傳感器網絡存儲器限制的代碼長度。TinyOS的構件包括網絡協議、分布式服務器、傳感器驅動及數據識別工具。其良好的電源管理源于事件驅動執(zhí)行模型,該模型也允許時序安排具有靈活性。因此對于整個無線傳感器網絡的驗證采用TinyOS操作系統,設計為兩個節(jié)點,節(jié)點A負責采集溫度濕度數據,然后將采集到的數據發(fā)送到另一個節(jié)點B,節(jié)點B接收到數據后,通過USB將數據傳輸到個人電腦,并將該數據通過圖表顯示,如圖10所示。
圖10 傳感器數據
4 結束語
文中所設計的一種無線傳感器節(jié)點,硬件設計基于Moteiv方案,采用超低功耗單片機MSP430F1611作為數據處理芯片,以CC2420無線射頻芯片為收發(fā)芯片,并擁有JTAG以及其他擴展接回,通過硬件測式以及軟件調成該節(jié)點符合設計指標。