無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件的模塊化設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)要求的不斷提高，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其投資成本低、架設(shè)方便、可靠性高的性能優(yōu)勢(shì)得到了比較廣泛的應(yīng)用。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)采集、處理、通信等多個(gè)功能，因此硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)可以大大提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性。

1 CC2430芯片簡(jiǎn)介
CC2430是一款工作在2．4 GHz免費(fèi)頻段上，支持IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)芯片。該芯片具有很高的集成度，體積小功耗低。單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。CC2430擁有1個(gè)8位MCU(8051)，8 KB的RAM，32 KB、64 KB或128 KB的Flash，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，4個(gè)定時(shí)器(Timer)，AESl28協(xié)處理器，看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog-timer)，32．768 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器，上電復(fù)位電路(Power-on-Reset)，掉電檢測(cè)電(Brown-out-Detection)，以及21個(gè)可編程I／O接口。
CC2430芯片采用0．18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別為26．7 mA和26．9 mA；休眠時(shí)電流為O．5 μA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干采集節(jié)點(diǎn)、1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)、1個(gè)中轉(zhuǎn)器、1個(gè)上位機(jī)控制中心組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和通信工作；匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起和維護(hù)，收集并上傳數(shù)據(jù)，將中轉(zhuǎn)器下發(fā)的命令通告采集節(jié)點(diǎn)；中轉(zhuǎn)器負(fù)責(zé)上傳收集到的數(shù)據(jù)并將控制中心發(fā)出的命令信息傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)；控制中心負(fù)責(zé)處理最終上傳數(shù)據(jù)，并且可以由用戶(hù)下達(dá)網(wǎng)絡(luò)的操作命令。

采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)由CC2430作為控制核心，采集節(jié)點(diǎn)可采集并傳遞數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集所有采集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)。中轉(zhuǎn)器采用ARM處理器作為控制核心，和匯聚節(jié)點(diǎn)采用串口通信，以GPRS通信方式和上位機(jī)控制中心進(jìn)行交互。上位機(jī)控制中心實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以處
理、顯示上傳的數(shù)據(jù)并且可以直接由客戶(hù)下達(dá)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)作執(zhí)行命令。

3 節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)
匯聚節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)在硬件配置上基本相同，采用模塊化設(shè)計(jì)使得設(shè)計(jì)通用性更好。
每個(gè)節(jié)點(diǎn)主要由控制模塊、無(wú)線模塊、采集模塊、電源模塊4部分構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(gòu)成，完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)以及收發(fā)工作，并對(duì)電源模塊進(jìn)行管理。芯片CC2430包括21個(gè)可編程I／0口，其中8路A／D接口，可滿(mǎn)足多路傳感器的采集、處理需求。如圖3所示，CC2430自帶了一個(gè)復(fù)位接口，外接一個(gè)復(fù)位按鍵可以實(shí)現(xiàn)硬件初始化系統(tǒng)。32 MHz晶振提供系統(tǒng)時(shí)鐘，32．768 kHz晶振供系統(tǒng)休眠時(shí)使用。

節(jié)點(diǎn)選用芯片F(xiàn)M25L256作為存儲(chǔ)設(shè)備，這是一款256 Kb鐵電存儲(chǔ)器，其SPI接口頻率高達(dá)25 MHz，低功耗運(yùn)行以及10年的數(shù)據(jù)保持力保證了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的低成本以及可靠性。存儲(chǔ)器外圍電路連接如圖4所示。

3．2 無(wú)線模塊
無(wú)線模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)和命令的傳輸，因此，合理設(shè)計(jì)無(wú)線模塊是節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定、高效通信的重要保證。
TI公司提供了一個(gè)適用于CC2430的微帶巴倫電路，這個(gè)設(shè)計(jì)把無(wú)線電RF引腳差分信號(hào)的阻抗轉(zhuǎn)換為單端50 Ω。由于該電路直接影響節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量，在使用前必須對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。設(shè)計(jì)中選用ADS仿真軟件進(jìn)行仿真，采用了版圖和原理圖的聯(lián)合仿真方法。仿真電路圖如圖5所示，微帶電路為T(mén)I提供的微帶巴倫電路，分立元件均選自村田公司元件庫(kù)內(nèi)的模型，嚴(yán)格保證了仿真數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。仿真結(jié)果如圖6所示，由圖可以看出巴倫電路在工作頻段內(nèi)(2．400～2．4835 GHz)信號(hào)傳輸特性高效、穩(wěn)定。