1. 無線感測器網路節點硬體的模塊化設計
無線感測器網路節點硬體的模塊化設計
隨著人們對於環境監測要求的不斷提高，無線感測器網路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。由於無線感測器網路節點需要實現採集、處理、通信等多個功能，因此硬體上採用模塊化設計可以大大提高網路節點的穩定性和安全性。那麼下面我就來討論一下無線感測器網路節點硬體的模塊化設計。
1 CC2430晶元簡介
CC2430是一款工作在2.4 GHz免費頻段上，支持IEEE 802.15.4標準的無線收發晶元。該晶元具有很高的集成度，體積小功耗低。單個晶元上整合了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介面。
CC2430晶元採用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 無線感測器網路系統結構
整個無線感測器網路由若干採集節點、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。無線感測器網路採集節點完成數據採集、預處理和通信工作;匯聚節點負責網路的發起和維護，收集並上傳數據，將中轉器下發的命令通告採集節點;中轉器負責上傳收集到的數據並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，並且可以由用戶下達網路的操作命令。
採集節點和匯聚節點由CC2430作為控制核心，採集節點可採集並傳遞數據，匯聚節點負責收集所有採集節點採集到的數據。中轉器採用ARM處理器作為控制核心，和匯聚節點採用串口通信，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、顯示上傳的數據並且可以直接由客戶下達網路動作執行命令。
3 節點模塊化設計
匯聚節點和採集節點在硬體配置上基本相同，採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、採集模塊、電源模塊4部分構成。
3.1 控制模塊
控制模塊主要由CC2430及其外圍電路構成，完成對採集數據的處理、存儲以及收發工作，並對電源模塊進行管理。晶元CC2430包括21個可編程I/0口，其中8路A/D介面，可滿足多路感測器的採集、處理需求。CC2430自帶了一個復位介面，外接一個復位按鍵可以實現硬體初始化系統。32 MHz晶振提供系統時鍾，32.768 kHz晶振供系統休眠時使用。
節點選用晶元FM25L256作為存儲設備，這是一款256 Kb鐵電存儲器，其SPI介面頻率高達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。
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於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。由於該電路直接影響節點的通信質量，在使用前必須對其進行模擬驗證。設計中選用ADS模擬軟體進行模擬，採用了版圖和原理圖的聯合模擬方法。模擬電路圖如圖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，嚴格保證了模擬數據的`真實性和可靠性。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。
3.3 採集模塊
採集模塊負責採集數據並調理數據信號。本設計中，監測的是土壤的溫度和濕度數據，採用的感測器是PTWD-3A型土壤溫度感測器以及TDR-3型土壤水分感測器。
PTWD-3A型土壤溫度感測器採用精密鉑電阻作為感應部件，其阻值隨溫度變化而變化。為了准確地進行測量，採用四線法測量電阻原理，將電阻信號調理成CC2430晶元A/D通道能采樣的電壓信號。由P354運算放大器、高精度精密貼片電阻以及2.5 V電源構成10 mA恆流源。10 mA的電流環流經感測器電阻R1、R2將電阻信號轉換成為電壓信號，由差分放大器LT1991一倍增益將信號轉換為單端輸出送入CC2430晶元的ADC通道進行采樣。
TDR-3型土壤水分感測器輸出信號即為電壓信號。感測器輸出信號通過P354運算放大器送入CC2430晶元的ADC通道進行采樣。
3.4 電源模塊
電源模塊負責調理電壓、分配能量，分為充電管理模塊、雙電源切換管理模塊、電壓轉換模塊3個模塊。本設計中採用額定電壓12 V、電容量3 Ah的鉛酸電池供電。
作為環境監測的無線感測器網路應用，節點需要在野外無人看守的情況下進行工作，能量補給是系統持續工作的重要保證。本設計採用太陽能電池板為節點在野外工作時進行電能的補給，充電管理模塊則是根據日照情況以及電池能量狀態對鉛酸電池進行合理、有效的充電。光電耦合器TLP521-100和場效應管Q共同構成了充電模塊的開關電路，可以由CC2430晶元的I/0口很方便地進行控制。
在太陽能電池板對電池充電時，電池不能對系統進行供電，因此設計中採用了雙電源供電方式，保持“一充一供”的工作狀態，雙電源切換管理模塊負責電源的安全、快速切換。如圖10所示，採用了兩個開關電路對兩塊電源進行切換。
在電源進行切換時，總是先打開處於閑置狀態的電源，再關閉正在為系統供電的電源，因此會在一段短暫的時間內同時有兩個電源對系統供電，這是為了防止系統出現掉電情況。
電源模塊需提供5 V、3.3 V、2.5 V等多組電源以滿足節點各模塊的供能需求。由於系統電源組較多，電壓轉換模塊採用了開關型降壓穩壓器以及低壓差線性穩壓器等多種電壓轉換晶元來對電源進行電壓轉換，同時要確保電源模塊供能的高效性。
結語
節點的設計對整個無線感測器網路系統至關重要。本設計採用了功能強大的射頻晶元CC2430作為核心管理晶元，能較好地完成數據採集、分析、傳輸等多個功能。硬體的模塊化設計大大加強了節點的穩定性、可靠性和通用性，在野外無人值守的情況下無線感測器網路系統可以長期、穩定地進行環境方面的監測。
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