無線傳感囂網絡的嵌入式網關硬件設計

為了提高無線收發系統的效率，保證傳輸距離，射頻電路天線的選取也至關重要，其中包括射頻天線形狀、輸出方向、天線長度、天線材料等一系列因素。射頻電路常用差動天線、不平衡天線。典型的差動天線(如雙極天線)，不需要巴倫(balun)匹配可直接接人。其他短距離通信的天線有單極天線、螺旋天線和環狀天線。螺旋天線可以看作是單極天線和環狀天線的混合，但是優化起來比單極天線困難。環狀天線易于集成到印刷電路板(PCB)中，但是由于發射阻抗非常低，難于匹配，且匹配效果不好，因此設計中選用單極天線。
單端單極天線要求在差分輸出和天線之間有巴倫匹配。巴倫匹配可以采用傳輸線形式，也可以采用離散元器件形式，兩種形式都等效于在天線連接處匹配了50 Ω的負載。傳輸線形式較離散元器件形式，不僅改善了誤差向量幅度性能，而且靈敏度和諧波抑制也得到改善，所以設計中采用了傳輸線形式。CC2430無線收發PCB布線圖如圖6所示。

在PCB布線方面，λ／2巴倫匹配的傳輸線確保射頻信號在正確的頻段，同時要遠離有耗材料(比如電池)，靠近射頻芯片以減少兩者之間的射頻損耗。另外，還要避免數字信號對其的干擾。因此，傳輸線各方向上要留有一定的避讓空間，該距離與工作頻率成反比。避讓空間沒有固定公式，根據物理形狀、材料的射頻損耗等確定。對于芯片，避讓空間的最小半徑在λ／100左右；對于較大的有源損耗體(如AA電池)，最小半徑在λ／10左右(λ為無線通信頻率的波長)。采用的巴倫匹配傳輸線的避讓空間如圖6所示。經匹配后的網關與節點能在150～200 m的范圍內自由通信，傳輸效果令人滿意。
3．4 存儲單元
微處理器自帶128 KB Flash不能滿足操作系統的移植存儲的代碼量，以及傳感器節點每天采集的數據量(64個節點一天大約4．3K)，故必須進行存儲器的擴展。結合考慮微處理器外設接口和數據存儲讀寫速度，選擇2 Mb的非易失性鐵電隨機存儲器FM25H20。其硬件原理圖如圖7所示。

FM25H20具有無限的讀寫次數，掉電數據多達10年保持時間，寫數據無延時，快速SPI串行協議，高達40 Mbps的總線速度，完善的軟、硬件寫保護，極低的靜態工作電流(5μA)，非常適合本嵌入式網關設計的需要。
3．5 電源模塊
無線傳感器網絡節點一般工作在無人值守的環境下，所以選擇能源非常重要；另外，自然界的能源補充也至關重要。設計中采用太陽能電池板實現整個系統的能源供給。比較當今常用電池性能，分析計算設計節點各模塊的功耗，選擇額定電壓為3．7 V、容量為1 Ah的高能量密度電池鋰離子電池(Lithium Ion battery)。與同樣大小的鎳鎘電池、鎳氫電池相比，電量儲備最大、重量最輕、壽命最長、充電時間最短、無記憶效應，是目前性能最好的電池。雙組電源輪流供電(一用一備)，利用無線收發模塊A／D采樣、自動監測控制電池電壓，根據設計的電池上下限值自動開啟太陽能電池板對其自動充電，始終做到整個節點電源供給穩定。

結 語
本文針對無線傳感器網絡特點，對WSN網關進行了研究，并給出了詳細的硬件實現方案。關鍵模塊是：基于SIM1300C模塊的GPRS接口實現無線網絡到有線網絡的數據傳輸；基于CC2430芯片的RF收發電路。通過研究，較好地解決了WSN數據從采集地到監控中心的雙向傳輸問題，從邏輯上將物理世界與信息世界更加緊密地融合于一體；在低功耗、高速度、低噪聲、低成本方面取得了較為滿意的結果，為開發和構造無線傳感器網絡開拓了新的應用領域。