引言

 

      無線傳感器網絡(WSN)由隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微型節(jié)點，通過自組織的方式構成網絡，傳感器網絡具有分布式處理帶來的監(jiān)測高精度、高容錯性、大覆蓋區(qū)域、可遠程監(jiān)控等眾多優(yōu)點，成為近期國際上網絡研究的重要熱點之一。
　　無線傳感器網絡微型節(jié)點是一次性的，要求節(jié)點成本低廉和工作時間盡可能長。無線傳感網絡中不應該存在專門的路由器節(jié)點，每個節(jié)點既是終端節(jié)點， 又是路由器節(jié)點。節(jié)點間采用移動自組織網絡聯(lián)系起來，并采用多跳的路由機制進行通信。因此，在單個節(jié)點上，一方面硬件必須低能耗，采用無線傳輸方式;另一方面軟件必須支持多跳的路由協(xié)議。IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議充分考慮了無線傳感器網絡應用的需求，是目前被業(yè)界普遍看好的一種
　　無線通信協(xié)議?；谶@些基本的思想，本文設計了以高檔8位AVR單片機ATmega128L為核心，結合外圍傳感器和2.4GHz無線收發(fā)模塊CC2420的無線傳感器網絡微型節(jié)點，并在實際中得到了應用。

微型節(jié)點的結構

      無線傳感器網絡微型節(jié)點由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理單元4部分組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集單元負責監(jiān)測區(qū)域內信息的 采集和數(shù)據(jù)轉換，本設計中數(shù)據(jù)采集單元包括了溫度、濕度、光強度、加速度和大氣壓力傳感器;數(shù)據(jù)處理單元負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定 位、功耗管理、任務管理等;數(shù)據(jù)傳輸單元負責與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);電源管理單元選通所用到的傳感器，節(jié)點電源由兩節(jié) 1.5V堿性電池組成，今后將采用微型紐扣電池，以進一步減小體積。為了調試方便及可擴展性，將數(shù)據(jù)采集單元獨立出來，做成兩塊能相互套接的可擴展主板。

微型節(jié)點模塊設計

數(shù)據(jù)處理單元

　　本設計中數(shù)據(jù)處理單元選用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它是采用低功耗COMS工藝生產的基于RISC結構的8位微控制器， 是目前AVR系列中功能最強大的單片機。AVR核將32個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結在一起，所有的工作寄存器都與ALU直接相連，實現(xiàn)了在一個時鐘周 期內執(zhí)行單條指令的同時訪問兩個獨立寄存器的操作，具有良好的性價比。這種結構提高了代碼效率，在性能上比普通CISC單片機提高約10倍。
　　ATmega128L具有豐富的資源和極低的功耗。它具有片內128KB的程序Flash，4KB的數(shù)據(jù)SRAM，可外擴到64KB的 E2PROM。此外，它還有8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器，并可在多種不同的模式下工作;8個PWM通道、可編程看門狗定 時器和片上振蕩器、片上模擬比較器;UART、SPI、I2C總線接口;JTAG接口。除了正常操作模式外，還具有六種不同等級的低功耗操作模式，每種模式具有不同的功耗。

　　采集環(huán)境參數(shù)信號，需要采樣率很高、數(shù)據(jù)量大的CPU。如果采用傳統(tǒng)51系列作為CPU，那么外圍A/D器件速度和CPU速度就有一個相互限制 的瓶頸;如果加上比較復雜的數(shù)據(jù)處理和存儲，需要擴展外部ROM和RAM;這樣多的外圍器件限制了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和速度的提高，同時也大大增加了系統(tǒng)的功 耗。綜合對比之后，數(shù)據(jù)處理單元選用ATmega128L進行開發(fā)。數(shù)據(jù)處理單元接口電路如圖2所示。

 

數(shù)據(jù)傳輸單元設計

 

　　數(shù)據(jù)傳輸單元模塊電路由Chipcon公司生產的低功耗、短距離的無線通信模塊CC2420組成。CC2420是一款符合ZigBee技術的高 集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器件，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范，工作于2.4GHz頻段。該芯片只需極少外部元器件，可確保短距離通信的 有效性和可靠性。數(shù)據(jù)傳輸單元模塊支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網，系統(tǒng)體積小、成本低、功耗小，適于電池長期供電。具 有硬件加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點。數(shù)據(jù)傳輸單元接口電路如圖3所示。CC2420與處理器的連接非常簡便，使用SFD、FIFO、 FIFOP和CCA四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài);處理器通過SPI接口(MISO、MOSI、SCK)與CC2420交換數(shù)據(jù)，發(fā)送命令。

 

數(shù)據(jù)采集單元

 

　　整個節(jié)點由電池供電，要求數(shù)據(jù)采集單元中的傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡單，最好采用不需要信號調理電路的數(shù)字式傳感器。本設計中選用的傳感器都為數(shù)字式傳感器：
　　(1)溫度傳感器MLX90601：模擬線性輸出，PWM輸出，SPI可編程接口;精度±0.2℃。
　　(2)壓力傳感器MS5534AP：集成了壓阻式壓力傳感器和ADC接口IC，傳感器提供了16位的壓力參數(shù)輸出，壓力范圍 300-1100mbar;另外模塊也包含了6個可讀的參數(shù)，方便實現(xiàn)軟件校正及高的精度，可自動斷開電源，3線接口則可滿足與微處理器的各種通信。
　　(3)濕度傳感器SHT11：采用CMOSens技術，不僅將溫濕度傳感器結合在一起,而且還將信號放大器、模/數(shù)轉換器、校準數(shù)據(jù)存儲器、標 準I2C總線等電路全部集成在一個芯片內;全量程標定，兩線數(shù)字輸出;濕度測量范圍為-40_+123.8℃;溫度測量精度為±0.4℃。
　　(4)光強度傳感器TSL2550D：內含兩枚光電探測器，一枚感應可見光和紅外光，另一枚只感應紅外光。兩枚光電探測器產生兩路信號，傳感器 模擬人眼的原理，根據(jù)兩路信號的強弱判斷周圍光線的強度，可以直接將光強度轉換成數(shù)字量。這種器件的壓縮擴展型A/D轉換器，分辨率為12位，由于采用了 積分轉換技術，在測量交流電燈的光線時不會發(fā)生抖動，提高了測量穩(wěn)定性。
　　(5)兩維數(shù)字加速度計ADXL202AE：采用先進的MEMS技術，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器，并集成了一套精密的信號 處理電路。信號處理電路把表面微機械傳感器產生的模擬信號轉換為占空比調制(DCM)數(shù)字信號后輸出。這種占空比調制信號可以直接送往單片機，使用非常方 便。測溫數(shù)據(jù)采集單元接口電路如圖4所示

 

電源管理單元設計

　　電能是傳感器網絡最珍貴的資源，它決定著傳感器網絡的壽命。節(jié)點的電能一旦耗盡，即宣布其壽命到期并退出網絡，由剩下的節(jié)點再重新組網。因此節(jié) 點的電源管理非常重要。在本設計中采用多路器芯片ADG715BRU在I2C總線的控制下選通所用到的傳感器，沒有用到的傳感器不帶電，以達到在無數(shù)據(jù)采 集任務時及時關閉電源而節(jié)省電能的目的。

結語

　　作者在總結歸納已有研究成果的基礎上，詳細闡述了基于ATmega128L結合外圍傳感器和2.4GHz無線收發(fā)模塊CC2420的無線傳感器 網絡微型節(jié)點，該節(jié)點在試驗中應用良好，能夠采集精度較高的溫度、濕度、光線、加速度和大氣壓力數(shù)據(jù)，并通過網絡暢通地傳回給主機，并實現(xiàn)了傳感器網絡必須的低功耗。為將來通信結構和具體協(xié)議的設計提供了基礎。