無線傳感器網絡節點硬件的模塊化設計

隨著人們對于環境監測要求的不斷提高，無線傳感器網絡技術以其投資成本低、架設方便、可靠性高的性能優勢得到了比較廣泛的應用。由于無線傳感器網絡節點需要實現采集、處理、通信等多個功能，因此硬件上采用模塊化設計可以大大提高網絡節點的穩定性和安全性。

1 CC2430芯片簡介
CC2430是一款工作在2．4 GHz免費頻段上，支持IEEE 802．15．4標準的無線收發芯片。該芯片具有很高的集成度，體積小功耗低。單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。CC2430擁有1個8位MCU(8051)，8 KB的RAM，32 KB、64 KB或128 KB的Flash，還包含模擬數字轉換器(ADC)，4個定時器(Timer)，AESl28協處理器，看門狗定時器(Watchdog-timer)，32．768 kHz晶振的休眠模式定時器，上電復位電路(Power-on-Reset)，掉電檢測電(Brown-out-Detection)，以及21個可編程I／O接口。
CC2430芯片采用0．18μm 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，電流損耗分別為26．7 mA和26．9 mA；休眠時電流為O．5 μA。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。

2 無線傳感器網絡系統結構
整個無線傳感器網絡由若干采集節點、1個匯聚節點、1個中轉器、1個上位機控制中心組成，系統結構如圖1所示。無線傳感器網絡采集節點完成數據采集、預處理和通信工作；匯聚節點負責網絡的發起和維護，收集并上傳數據，將中轉器下發的命令通告采集節點；中轉器負責上傳收集到的數據并將控制中心發出的命令信息傳遞給匯聚節點；控制中心負責處理最終上傳數據，并且可以由用戶下達網絡的操作命令。

采集節點和匯聚節點由CC2430作為控制核心，采集節點可采集并傳遞數據，匯聚節點負責收集所有采集節點采集到的數據。中轉器采用ARM處理器作為控制核心，和匯聚節點采用串口通信，以GPRS通信方式和上位機控制中心進行交互。上位機控制中心實現人機交互，可以處
理、顯示上傳的數據并且可以直接由客戶下達網絡動作執行命令。

3 節點模塊化設計
匯聚節點和采集節點在硬件配置上基本相同，采用模塊化設計使得設計通用性更好。
每個節點主要由控制模塊、無線模塊、采集模塊、電源模塊4部分構成，網絡節點模塊化設計結構圖如圖2所示。

3．1 控制模塊
控制模塊主要由CC2430及其外圍電路構成，完成對采集數據的處理、存儲以及收發工作，并對電源模塊進行管理。芯片CC2430包括21個可編程I／0口，其中8路A／D接口，可滿足多路傳感器的采集、處理需求。如圖3所示，CC2430自帶了一個復位接口，外接一個復位按鍵可以實現硬件初始化系統。32 MHz晶振提供系統時鐘，32．768 kHz晶振供系統休眠時使用。

節點選用芯片FM25L256作為存儲設備，這是一款256 Kb鐵電存儲器，其SPI接口頻率高達25 MHz，低功耗運行以及10年的數據保持力保證了節點數據存儲的低成本以及可靠性。存儲器外圍電路連接如圖4所示。

3．2 無線模塊
無線模塊負責節點間數據和命令的傳輸，因此，合理設計無線模塊是節點穩定、高效通信的重要保證。
TI公司提供了一個適用于CC2430的微帶巴倫電路，這個設計把無線電RF引腳差分信號的阻抗轉換為單端50 Ω。由于該電路直接影響節點的通信質量，在使用前必須對其進行仿真驗證。設計中選用ADS仿真軟件進行仿真，采用了版圖和原理圖的聯合仿真方法。仿真電路圖如圖5所示，微帶電路為TI提供的微帶巴倫電路，分立元件均選自村田公司元件庫內的模型，嚴格保證了仿真數據的真實性和可靠性。仿真結果如圖6所示，由圖可以看出巴倫電路在工作頻段內(2．400～2．4835 GHz)信號傳輸特性高效、穩定。