基于ZigBee的通用無線傳感器網絡硬件設計
加入技術交流群
在無線傳感器網絡中，節點任意散落在被監測區域內。節點以自組織形式構成網絡，通過多跳中繼方式將監測數據傳到Sink節點，最終借助長距離或臨時建立的Sink鏈路將整個區域內的數據傳送到遠程中心進行集中處理。圖1給出了一般形式的無線傳感器網絡體系結構[3]。
針對環境及結構狀態監測，我們設計了一種通用無線傳感器網絡硬件平臺，該硬件平臺由若干傳感器節點、具有無線接收功能的Sink節點及一臺計算機構成。無線傳感器節點分布于需要監測的區域內，執行數據采集、處理和無線通信等工作，Sink節點接收各傳感器的數據并以有線的方式將數據傳送給計算機，如圖2所示。
無線傳感器節點的硬件設計
無線傳感器節點一般由傳感器模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。其中，傳感器模塊負責采集監視區域的信息并完成數據轉換，采集的信息可以包含溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力等；數據處理 模塊負責控制整個節點的處理操作、路由協議、同步定位、功耗管理以及任務管理等；數據傳輸模塊負責與其他節點或Sink節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；電源管理模塊選通所用到的傳感器，節點電源采用微型紐扣電池，以減小節點的體積。
我們設計的節點實現機理是以ZigBee傳輸模塊代替傳統的串行通信模塊，將采集到的信息數據以無線方式發送出去。該節點包含ZigBee無線傳輸模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口電路、直流電源模塊以及外部存儲器等。為了降低傳感器節點的成本，減小傳感器節點的體積，我們采用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。圖3是設計的無線傳感器節點的結構框圖。下面將分別介紹無線傳感器節點中的幾個主要功能模塊。
SoC芯片CC2430
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。
評論