基于ZigBee的無線傳感器網絡硬件設計

　　CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內存和微控制器。它使用1個8位8051 MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AES128協同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

　　得益于CC2430的高集成度，其外圍電路非常簡單，只需要數量很少而且廉價的外圍元件，即可完成無線傳感器節點的數據傳輸和處理功能，因而大大降低了成本。

　　傳感器模塊

　　根據實際需要選擇不同的傳感器對監測區域內溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進行檢測。可選用了光敏器件、數字格式傳感器和駐極體話筒，對光強、溫度、振動和聲音等進行探測。

　　光敏電阻5516是基于半導體光電效應工作的光導管，對光強感應靈敏度相當高，當受到一定波長范圍的光照時，其阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加，通過參考電阻分壓后進行模數變換即可獲得光敏電阻的阻值，進而換算出光照強度。

　　Maxim公司的DS18B20是一線式數字溫度傳感器，測量結果可選用9～12位串行數據輸出，測量范圍-55～125℃，在-10～85℃測量準確度為±0.5℃。

　　駐極體話筒HX034P是電容式微麥克風。輸入信號為聲音信號，輸出信號經MAX4466構成的前置放大電路后進行電壓值A/D采樣，處理器的A/D采樣頻率可達200KHz，可捕獲到聲音信號。

　　ADI公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器，它采用先進的微型機電系統技術，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器，集成精確的信號處理電路，可測靜態及動態加速度。該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監測、車輛安全和電池供電設備的運動狀態測試等領域。

　　結合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網絡節點，能夠實現溫度、加速度(震動)的準確測量與探測，光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在設計中不作精確標定；另外對聲音信號的捕獲和復現需要進行大量的數據處理，從能量利用和傳感器節點功能的精簡角度考慮，設計中對聲光強弱的探測通過設定閾值來給出布爾型輸出。

　　電源模塊

　　實現節點設計的微型化，節點可采用輸出電壓3.6V可充電鋰離子鈕扣電池LIR2032供電。該類電池自放電率小于10％每月，但額定容量較小，限制了節點的生存期，若以兩節5號電池供電，則可維持更長的工作時間，在以網絡形式工作狀態下通過合理的設置節點發射極的接收、發射以及待機狀態，可有效地延長節點的使用壽命。針對節點供電單元不便于更換的無線傳感器網絡，新的能源解決方法研究及網絡系統的低功耗設計也是當前值得關注的課題。

　　阻抗匹配網絡

　　CC2430的射頻信號采用差分方式，其最佳差分負載阻抗是115+j180Ω，阻抗匹配電路需要根據這一數值進行調整。本設計采用50歐姆單極子天線，由于CC2430的射頻端口是差分形式具有兩個端口，而天線是單端口，因此需要一個巴倫來完成兩端口到單端口間的轉換。巴倫電路由成本低廉的電感和電容構成，如圖4所示，包括電感L1、L2、L3和電容C1和兩段長的傳輸線。

　　Sink節點的硬件設計

　　無線傳感器網絡內的信息與外部網絡或處理終端間的連接需要通過Sink節點來實現，Sink節點是無線傳感器網絡與有線設備連接中轉站，負責發送上層命令(如查詢、分配ID地址等)，接收下層節點請求和數據，具有數據融合、請求仲裁和路由選擇功能，是無線傳感器網絡中最重要的一部分。我們設計的Sink 節點帶有USB數據口和RS232數據口，兩種數據口可以通過開關進行切換，以方便Sink與外部網絡或處理終端間的連接。

　　圖5是我們設計的Sink節點的結構框圖，仍然采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實現傳感器節點的數據傳輸和處理功能。TTL與RS232電平轉換單元選用MAX 3316芯片，該芯片在2.25～3.0V供電即可實現兩通道雙向電平轉換，可直接操作CC2430芯片串行數據線和控制線。CC2430的外圍電路設計與傳感器節點相同。

　　結語

　　基于ZigBee的無線傳感器網絡具有低功耗、低成本、體積小的顯著優點，可在特殊環境下實現監測區域內信號的采集傳輸與處理。伴隨無線自組織網絡技術的成熟和新的能量解決方案的提出，無線傳感器網絡的應用必將從軍事、環境監測、醫療保健、空間探索和災害預測普及到生活中的各個領域。