一種低成本無線傳感器網絡節點的設計

目前有多種可供選擇的無線組網方案，如ZigBee，其具有功耗低、傳輸速率高、體積小、協議成熟、節點能夠協同工作等特點。但ZigBee由于采用國外技術，其芯片價格高，限制了它的普及應用。PT2262/PT2272系列編解碼芯片是一種采用CMOS工藝、低功耗、低價位芯片，在遙控門、防盜、玩具等產品中大量使用，但其在數據傳輸、安全性等方面有所不足。本文利用PIC16LF876單片機模仿PT2262編碼方式，并進行了改進，配合433MHz高頻發射電路，實現了數據的無線傳輸組網。傳感器選用具有數字I2C接口的雙軸加速度傳感器MX6202，可以無線采集加速度、傾斜角數值，具有接口簡單、體積小、價格低的優點。無線節點部分均選用低電壓器件，實現了單節鋰電池供電。特別適合網點數量龐大、對成本敏感(如家居、防盜、物聯網等)場合的應用。

1 無線傳感器系統設計方案

無線傳感器系統包括傳感器節點與網關兩部分。傳感器節點負責實地數據采集，網關負責接收各節點數據，匯總處理后經GSM/GPRS網絡通知用戶。本文重點介紹傳感器節點，給出了軟硬件實現方法。無線傳感器系統組成如圖1所示。其中無線傳感器節點中的虛線框為擴展部分，F05V與J05U為微型433M發射接收模塊；無線網關部分負責匯總節點信息與外界通信，采用EM310模塊，GSM/GPRS傳輸。

圖1 低成本無線傳感器網絡設計框圖

傳感器網絡采用星形連接方式，由各無線節點與網關組成。在大部分場合下(如防盜、環境監測等)可以采用單向通信方式，即節點發射、網關接收，這樣，圖1中的虛線部中的節點的超外差接收電路、網關的RF發射電路即可以省去。當需要實時采集、強調同步性時，加上虛線框內部分，由網關集中控制各節點動作，通過發采集或變更工作模式指令，控制各節點，采用雙向通信方案。本文介紹的為單向通信方案。

傳感器節點是系統的重要部分，負責現場采集工作，其工作穩定與否對整個系統具有至關重要的作用。而當節點數量較多時，它的成本占系統的絕大部分。有許多節點需要獨立在室外工作并由電池供電，對能耗有較高的要求。為此，本設計通過PIC單片機模擬PT2262芯片編碼，對433MHz高頻電路完成鍵控調制(ASK)，省去了無線收發芯片，實現了通用MCU+傳感器的節點方案，大大降低了系統成本。采用的PIC超低功耗MCU，具有與MSP430相似的節能特性，選用低電壓RF模塊F05V，實現了系統的3.3V供電。

2 無線傳感器節點設計

2.1 節點硬件電路設計

無線傳感器節點是本文的重點部分，需要滿足低成本、低功耗、小體積、適合電池供電等要求。無線節點方案比較如表1所示。

表1 無線節點方案比較

(1)本節點設計時所用器件及其性能：選用的PIC16LF876單片機，其性價比較高、外設豐富、工作穩定，具有針對電池供電的低功耗系列；最高速率為4MIPS，工作電壓為2~5.5V，22 個I/O 口，片上集成有WDT、CCP、PWM、A/D等外設，14KB Flash，368bit RAM、256bit EEPROM，具有休眠省電模式。PIC16系列單片機不同型號之間大部分可兼容，可以根據需要，選用價格更低的PIC16F72或采用納瓦(nW)及超低功耗技術的PIC16F723，程序稍作改動，器件即可封裝兼容。

(2)加速度傳感器選用數字I2C接口的雙軸加速度傳感器MXC6202，其具有±2g的測量范圍，可以測量重力加速度，小體積、低功耗、接口簡單，工作電壓范圍為2.7~3.6V，有休眠模式，在保證低價格、小體積的同時，可以滿足防盜、人體姿態測量等應用的需求。

(3)RF電路采用F05V微型發射模塊，具有2.1~3.5V的低電壓、低功耗(10mA，連發)及1~10kb/s的傳輸速率，可以滿足監控等場合數據采集的需要。小體積、低價位，只有正電源、地、數據輸入、天線(天線按照手冊由導線繞制而成)輸出4個接口，可以像一個三極管一樣使用它。

(4)網關配套的接收電路是J05U超外差接收模塊，具有與F05V類似的特點。使用PT2262/PT2272編解碼方案，開闊地接收距離在300m左右。