基于nRF905的溫度傳感器網絡硬件設計

無線傳感器網絡是由許多無線傳感器節(jié)點協同組織起來的，這些節(jié)點具有無線通訊、數據采集和協同合作能力，可以應用于布線和電源供給困難或人員不能到達的區(qū)域以及一些臨時場合等。無線傳感器網絡節(jié)點可以隨機或特定地布置在目標環(huán)境中，它們之間的通訊通過特定的協議自組織起來，能夠獲取周圍環(huán)境的信息，并且相互協同完成特定任務。本文基于nRF905設計了一款無線溫度傳感器網絡，通過無線網絡將普通辦公樓室內的溫度采集傳感器節(jié)點連接起來，實時采集房間內的溫度信息，并傳送到遠程控制中心進行監(jiān)測。

無線傳感器網絡概述

無線傳感器網絡系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。傳感器節(jié)點用多跳中繼的方式將數據傳送到匯聚節(jié)點，然后再經過各種通信網絡途徑傳送到用戶交互的管理節(jié)點；管理節(jié)點對整個傳感器網絡進行配置和對管理項進行管理，及時地收集信息數據并發(fā)布監(jiān)測任務。

無線傳感器網絡技術具有如下特點：

①基于應用的網絡。無線傳感器網絡是對每一個應用進行相關的設計的，通過感知識別客觀世界的物理量，它可以獲取外部信息。

②與物理世界交互。外部環(huán)境變化對無線傳感網絡系統(tǒng)的影響較大，因此，傳感器節(jié)點必須適時地調整自身工作狀態(tài)，以適應環(huán)境的變化。

③自組織網絡。為了能夠快速自動地配置調節(jié)、監(jiān)測與管理網絡，節(jié)點需具有自組織能力，這是因為網絡的外部環(huán)境不穩(wěn)定，網絡自身也有很多不可預測的地方。

④以數據為中心。無線傳感器網絡以數據為中心，快速有效地融合各節(jié)點信息，直接將其傳送給用戶。

⑤網絡的協作性。無線傳感器網絡要求用大量節(jié)點進行分布式協同的信號和信息處理，這是因為單個節(jié)點計算能力有限。

⑥節(jié)點能力有限。無線傳感器網絡設計時，會面臨電池能量、計算能力以及存儲能力有限的情況。

無線傳感器網絡具有許多其他網絡所沒有的優(yōu)點，其應用領域已經深入到人類社會的許多場合，例如在環(huán)境、反恐、家庭、軍事、醫(yī)療、救災以及其他商業(yè)、工業(yè)領域。

溫度傳感器網絡的結構組成

根據系統(tǒng)要求，溫度傳感器網絡包括遠程控制中心和智能節(jié)點。遠程控制中心用于發(fā)起數據采集命令，智能節(jié)點用以實現信息的采集、數據處理以及傳輸功能，其結構組成如圖1所示，主要由控制模塊、無線收發(fā)模塊、通訊模塊、溫度采集模塊、存儲模塊、電量檢測模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊以及GSM模塊等組成。依據實際應用背景，在所設計的溫度傳感器網絡中，普通節(jié)點首先通過無線射頻將所測溫度數據傳輸給匯聚節(jié)點，然后匯聚節(jié)點通過GSM模塊將數據傳給遠程控制中心。

圖1 溫度傳感器網絡結構組成圖

溫度傳感器網絡硬件設計

控制模塊設計

控制模塊的功能包括：①測量并處理傳感器模塊數據；②讀取并處理無線收發(fā)模塊接收的數據，進行數據融合，配置系統(tǒng)參數；③通信協議處理，完成無線傳感器網絡通信中的MAC和路由協議處理。因此，綜合考慮控制模塊的處理速度、存儲空間、外圍接口、功能和功耗等因素，本設計選取µPD78F0485微控制器作為控制模塊的核心器件。

µPD78F0485微控制器具有如下特點：①工作電壓低、范圍寬、功耗低：電壓為1.8V~5.5V；在STOP模式下工作電流1µA，使用副時鐘（32.768kHz）全速工作時電流僅200µA。②方便的開發(fā)方式，存儲容量大：支持在線編譯，具有片上調試功能；內部存儲器為60KB，高速RAM為1KB，擴展ROM為1KB，存儲空間為64K。③管腳驅動能力強：驅動電流可達10mA，可直接連接到電流低于10mA的芯片的電源引腳上，為這些芯片提供電源。④具有8通道10位AD轉換器；內置看門狗定時器。⑤具有按鍵中斷功能，方便系統(tǒng)實時響應用戶操作。⑥具有LCD控制器/驅動器，可直接驅動液晶顯示器。⑦具有1個16位的定時器/事件計數器，3個8位的定時器/事件計數器，3個8位的定時器，1個實時計數器，定時器可用作實現整個網絡的組網定位過程中的延時，實時計數器主要用作實現系統(tǒng)的時鐘同步功能。⑧兩通道串行接口等片內資源，可以直接連接GSM模塊和USB通訊模塊。⑨共有62個I/O口，多數接口具有內部上拉電阻，對于必須使用上拉電阻的電路，可使用內部上拉電阻，以節(jié)省電路板空間。⑩內置蜂鳴器輸出控制器，可實現低電壓報警、溫度報警等功能。

無線收發(fā)模塊設計

本設計在考慮調制方式、功耗、傳輸距離、功率等因素的基礎上，選取Nordic VLSI公司的無線射頻芯片nRF905。nRF905是一款低功耗無線收發(fā)芯片，可工作于433/868/915MHz ISM頻段，GFSK調制，本設計采用433MHz為中心頻率。該收發(fā)芯片由功率放大器、頻率合成器、晶體振蕩器、接收解調器和調制器組成，片內自動完成曼徹斯特編碼和解碼，廣泛應用于無線數據通信、無線報警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測和家庭自動化等領域。

nRF905通過SPI與微控制器進行通信，可自動處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗）。發(fā)送數據時，微控制器只需將配置寄存器信息、所要發(fā)送的數據和接收地址通過SPI傳送給nRF905，它會自動完成數據的打包和發(fā)送。接收數據時，nRF905自動檢測載波并進行地址匹配，接收到正確數據后自動移去字頭、地址和CRC校驗碼，再通過SPI將數據傳送到微控制器。nRF905具有四種工作模式：掉電模式、待機模式、Shock Burst接收模式和Shock Burst發(fā)送模式。在掉電模式中，電流僅為2.5µA，易于實現節(jié)能。當nRF905處于掉電模式時，SPI接口仍可以保持在工作狀態(tài)；通過Shock Burst收發(fā)模式進行無線數據傳輸，收發(fā)可靠，使用方便。因此，nRF905在諸多領域都具有廣闊的應用前景，這些特點決定了nRF905芯片非常適合應用于無線傳感器網絡中。

無線收發(fā)模塊的電路如圖2所示?？刂埔_TX_EN、TRX_EN、PWR_UP直接與微控制器的P44、P45、P46相連；狀態(tài)引腳DR與微控制器的中斷引腳P120/INTP0相連，狀態(tài)引腳CD、AM直接與微控制器P47、P10相連；由于系統(tǒng)沒有SPI總線，因此采用I/O引腳模擬SPI總線通信。微控制器的P11、P12、P13分別與nRF905的SCK、MOSI、MISO連接；微控制器的P14與SPI的控制端口CSN連接。nRF905通過電容和電感與天線J2相連接。nRF905帶有外部時鐘輸出引腳uPCLK，能夠輸出四種不同頻率的時鐘，采用示波器連接uPCLK引腳可測試nRF905是否工作正常。

圖2 無線收發(fā)模塊電路圖

存儲模塊設計

傳感器節(jié)點需存儲用戶設定的參數以及運行記錄等大量數據。本設計選擇AT24C256作為存儲芯片，它是ATMEL公司推出的低功耗256K串行EEPROM芯片，具有如下特點：①具有三種工作電壓，分別為5.0V、2.7V、1.8V；②具有64字節(jié)頁寫模式；③符合雙向數據傳送協議；④具有硬件寫保護和軟件數據保護功能；⑤采用斯密特觸發(fā)，可抑制輸入噪聲；⑥采用2線串行接口；⑦內部可以組織成32K×8存儲單元。

AT24C256存儲器電路如圖3所示，AT24C256的A0引腳和A1引腳接地。由于µPD78F0485微控制器沒有I2C接口，因此采用µPD78F0485的I/O引腳模擬I2C總線通信。采用µPD78F0485的I/O引腳控制EEPROM的供電，將存儲器的電源引腳VCC與µPD78F0485的P12引腳相連接。使用存儲器時，需設置P12引腳輸出高電平，以實現為存儲器供電；不使用存儲器時，可將存儲器電源關掉，節(jié)省電量，這也保證了電源不穩(wěn)定時不能訪問EEPROM，防止EEPROM讀寫出現錯誤。µPD78F0485的P13和P14與AT24C256的SCL引腳和SDA引腳相連接。

圖3 AT24C256存儲器電路圖