基于CC2531的無線傳感器網絡節點硬件設計

摘要：提出一種基于SoC芯片CC2531的通用無線傳感器網絡采集節點的硬件實現方案。該設計方案主要分為電源模塊、處理模塊、無線通信模塊和數據采集模塊4個部分。各模塊電路易于實現，具有較強的通用性和實用性。
關鍵詞：無線傳感器網絡；采集節點；CC2531

引言
半導體技術、微系統技術、通信技術、計算機技術的飛速發展，推動了具有現代意義的無線傳感器技術。無線傳感器網絡技術涉及計算機、半導體、網絡、通信、光學、微機械等眾多領域。微型、高可靠、多功能、集成化的傳感器，低功耗、高性能的專業集成電路，微型、大容量的能源，高效、可靠的網絡協議和操作系統，面向應用、低計算量的模式識別，低功耗、自適應的網絡結構，以及現實環境的各種
應用模式成為無線傳感器網絡課題研究的重點。
以傳感器和自組織網絡為代表的無線應用不需要較高的傳輸帶寬，但需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列，同時需要一種低端的、面向控制的、應用簡單的專用標準，ZigBee的出現正好解決了這一問題。ZigBee是無線個人
局域網絡(Wireless Personal Area Network，WPAN)的標準之一，具有高通信效率、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數字化等諸多優點。這些優點使得ZigBee 和無線傳感器網絡完美地結合在一起。目前，無線傳感器網絡的研究和開發已得到越來越多的關注。本設計基于ZigBee搭建的無線傳感器網絡采集節點硬件平臺，可以完成風向、風速和空氣濕度的測量。

1 無線傳感器網絡系統結構
無線傳感器網絡系統由上位機、中轉器、匯聚節點和若干采集節點組成，如圖1所示。采集節點采集并預處理傳感器采集的數據，在收到匯聚節點的上傳命令后將數據上傳至匯聚節點；匯聚節點收集采集節點上傳的數據并通過中轉器將數據上傳到上位機，上位機處理最終上傳的采集數據。上位機將用戶下達的各操作命令發送至中轉器，中轉器將命令信息傳遞給匯聚節點，匯聚節點將中轉器下發的命令通告個采集節點，同時負責采集節點相互間的組網及維護。


本設計中采集節點和匯聚節點均采用CC2531作為核心控制芯片；中轉器采用ARM處理器作為核心控制芯片。采集節點與匯聚節點間以ZigBee協議進行無線通信；匯聚節點與中轉器間采用串口通信；中轉器與上位機以GPRS通信方式進行交互；上位機實現人機交互。

2 CC2531芯片簡介
CC2531是TI公司推出的符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標準的射頻收發器。它具有很好的接收靈敏度和魯棒性以及低功耗特性，可編程輸出功率高達4．5 dBm，外部元件很少；結合RF收發器與業界標準增強型8051微控制器的性能，具有32 KB、64 KB、128 KB或256 KB的在系統可編程閃存和8 KB的RAM，且該RAM具備在各種供電方式下的數據保護能力；同時具有多種運行模式，而且運行模式之間轉換時間短，使低能耗特性能夠進一步保證。
CC2531提供了101 dB的鏈路質量以及一套廣泛的外設集，包括2個USART、8路輸入可配置的12位ADC、21個通用GPIO、高級加密標準(AES)安全協處理器、看門狗定時器和具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時器等設備。它支持一般的低功耗無線通信，可以應用于遠程控制、消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化、醫療以及更多領域。