無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò),能夠?qū)崟r地監(jiān)測、感知采集節(jié)點部署區(qū)內(nèi)感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度、濕度、噪聲和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象),并對這些信息進行處理后以無線的方式發(fā)送出去,通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給終端用戶。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日趨成熟,具有感知、計算、通信、路由功能的微傳感器節(jié)點不斷涌現(xiàn),由這些節(jié)點構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)備受關(guān)注。因其在工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而成為當(dāng)今的熱點研究方向之一,被認(rèn)為是對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響的高新技術(shù)。
本文引用地址:http://2s4d.com/article/201706/353205.htm本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件設(shè)計選擇了器件,充分將GPRS(通用無線分組交換業(yè)務(wù))技術(shù)、嵌入式技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)融為一體,成功完成了本次嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由傳感器節(jié)點(sensornode)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(sink node)和終端用戶組成。如圖1所示,大量的傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域,通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳后路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點,網(wǎng)關(guān)節(jié)點在對數(shù)據(jù)進行分析、融合等處理后,通過有線或者無線的方式將數(shù)據(jù)送入終端用戶。用戶通過監(jiān)控中心對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理,發(fā)布監(jiān)測命令以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。
2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點特點及其功能
作為感知區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點與外部網(wǎng)絡(luò)或終端用戶的橋梁,網(wǎng)關(guān)節(jié)點要處理大量的數(shù)據(jù),必須具備高速度、大存儲量和較遠的傳輸距離,即低成本、高效能。同時因部署在環(huán)境惡劣地域,頻繁更換能源很不現(xiàn)實,充足的能量供應(yīng)必須優(yōu)先考慮,低功耗設(shè)計也成為整個設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點在完成不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換的同時,還要對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行管理和設(shè)置,需具備以下功能:掃描并選定物理信道,分配無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址,初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)置;記錄WSN網(wǎng)絡(luò)所采用的MAC算法和路由協(xié)議,協(xié)助節(jié)點完成與鄰居節(jié)點連接的建立和路由的形成;發(fā)送監(jiān)控中心控制指令,為用戶實現(xiàn)特定的操作功能;接收采集節(jié)點的請求和數(shù)據(jù),具有數(shù)據(jù)融合、仲裁請求和路由選擇功能。
3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件設(shè)計
依照設(shè)計原則,在很好地實現(xiàn)上述網(wǎng)關(guān)節(jié)點功能的同時,為克服因傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用有線方式 (如串口電纜RS232)與終端用戶相連而導(dǎo)致的移動范圍受限、遠程監(jiān)控困難、不能準(zhǔn)確提供基準(zhǔn)定位信息等一系列缺點,參考當(dāng)今前沿的短距離無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù),給出集中央處理單元、存儲單元、射頻收發(fā)模塊、GPRS無線通信模塊、電源模塊五位于一體的硬件設(shè)計方案。其總體結(jié)構(gòu)及相互接口如圖2所示。
3.1 中央處理單元
網(wǎng)關(guān)的中央處理單元主要用來收集和處理從采集傳感器節(jié)點送來的數(shù)據(jù),合理分配不同節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲,并且完成終端用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制命令(包括休眠時間、采集間隔、傳感器開關(guān));同時支持休眠、任務(wù)喚醒模式,滿足整個系統(tǒng)低功耗要求。
為了實現(xiàn)上述功能,采用Philips公司的LPC2000系列32位ARM處理器LPC2106。LPC2106支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI -SCPU,標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試接口,并帶有128 KB嵌入的高速Flash存儲器;小型的LQFP封裝(7 mm×7 mm)、2種低功耗模式(空閑模式和掉電模式)以及外設(shè)功能的單獨使能和禁止,非常適合于小型化、低功耗作為主要要求的應(yīng)用;雙UART,其中一個具備完全的調(diào)制解調(diào)器接口,完全滿足本設(shè)計要求;帶有寬范圍的串行通信接口(片內(nèi)多達64 KB的SRAM),由于具有大規(guī)模的緩沖區(qū)和強大的處理器能力,非常適合于通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器、聲音識別以及低端的圖像處理。
3.2 GPRS無線通信模塊
首先,WSN是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)關(guān)節(jié)點的上行數(shù)據(jù)量大而下行數(shù)據(jù)量小,因而在考慮網(wǎng)關(guān)節(jié)點與外部網(wǎng)絡(luò)的連接方式時,上行數(shù)據(jù)率是一個關(guān)鍵指標(biāo);其次,應(yīng)用環(huán)境制約數(shù)據(jù)上行方式;另外,網(wǎng)關(guān)節(jié)點的成本及集成難度也是一個關(guān)鍵因素。綜合以上三點,選用Simcom公司生產(chǎn)的CPRS無線通信模塊SIM300C。該模塊具有如下特點:
?、僦С謨煞N操作模式(一種是電路交換數(shù)據(jù)模式CSD,支持語音、數(shù)據(jù)、SMS和FAX業(yè)務(wù);另一種是分組交換模式GPRS,采用多時隙,支CSI-CS4編碼);
?、跇?biāo)準(zhǔn)的AT命令,為GSM語音、短消息以及GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口;
③內(nèi)置TCP/IP協(xié)議,用戶不必自己編寫或者利用操作系統(tǒng)加入?yún)f(xié)議,降低了系統(tǒng)開發(fā)難度,縮短了開發(fā)周期;
?、軘?shù)據(jù)下行、上行傳輸速率分別高達85.6 kbps和42.8 kbps,標(biāo)準(zhǔn)RS232串行口,通過串行口使用AI、命令完成對模塊的操作;
?、葜С肿钌俟δ芎?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/休眠">休眠兩種省電模式。
需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點時,節(jié)點按照WSN的協(xié)議規(guī)范對數(shù)據(jù)進行打包,然后通過無線方式經(jīng)過一跳或多跳將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。傳感數(shù)據(jù)在通過無線傳輸進入網(wǎng)關(guān)節(jié)點后,微處理器利用WSN的協(xié)議棧拆包,得到原始數(shù)據(jù)之后,網(wǎng)關(guān)節(jié)點可應(yīng)用其操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件根據(jù)具體需求對原始數(shù)據(jù)進行處理(如進行數(shù)據(jù)的融合,去除冗余,減輕網(wǎng)關(guān)節(jié)點對外傳送的負擔(dān))。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)由TCP/IP模塊打包后通過串口與SIM300C相連,如圖3所示。最后,網(wǎng)關(guān)節(jié)點中的 GPRS模塊將數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)或者SMS方式傳送到上位機。當(dāng)需要向傳感器節(jié)點傳達控制命令時,上位機以短信的方式經(jīng)GSM傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的GPRS 模塊,完成相應(yīng)任務(wù)。
如圖4所示,將手機卡插入SIM卡座,通過相應(yīng)的AT指令便可以很方便地實現(xiàn)上位機和網(wǎng)關(guān)之間的自由通信,按流量計費,降低系統(tǒng)成本。
常用如下一些AT指令。
①連網(wǎng)指令:AT返回狀態(tài):OK(連網(wǎng)成功)
?、谌δ荛_啟指令:AT+CFUN=1
③關(guān)閉模塊指令:AT+CPOWD=1
?、茏x取第n條短信:AT+CMGR=n
同時,DTR外接一個上拉電阻,配合“AT+CSCLK=1”指令,可以輕易地實現(xiàn)SIM300C的休眠,通過短信即可喚醒。休眠時GPRS電流消耗僅2.5 mA,滿足整個系統(tǒng)低功耗要求。
3.3 射頻收發(fā)模塊
一個基于IEEE 802.15.4的CC2430無線收發(fā)模塊,主要用來完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間、節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的無線通信。核心部分是一個CC2420射頻收發(fā)器,它完全支持ZigBee組網(wǎng)協(xié)議,具備傳輸速率高、傳輸距離遠和低功耗等優(yōu)點。主要特征如下:
①工作頻帶范圍是2.4~2.483 5 GHz;
②采用IEEE 802.15.4規(guī)范要求的DSSS(直接序列擴頻方式);
?、蹟?shù)據(jù)速率達250 kbps,碎片速率達2 Mchip/s,接收靈敏度高(-94 dBm),鄰道抗干擾能力強(39 dB),超低電流消耗(RX27 mA,TX25 mA);
?、艿碗妷汗╇?2.1~3.6 V),內(nèi)部集成VCO、LNA、PA及電源穩(wěn)壓器。
CC2420通過簡單的四線(SI、SO、SCLK、CS)與SPI接口相連。可以通過調(diào)制解調(diào)控制寄存器的控制位配置成不同的發(fā)射和接收模式,通常工作在緩沖模式。如圖5所示,它的外圍電路器件簡單,主要包括晶振電路、天線及阻抗匹配電路、接口電路和引腳的去耦濾波電路等。射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入/輸出阻抗,使其輸入/輸出阻抗為50 Ω,同時為芯片內(nèi)部的PA和LAN提供支流偏置。
為了提高無線收發(fā)系統(tǒng)的效率,保證傳輸距離,射頻電路天線的選取也至關(guān)重要,其中包括射頻天線形狀、輸出方向、天線長度、天線材料等一系列因素。射頻電路常用差動天線、不平衡天線。典型的差動天線(如雙極天線),不需要巴倫(balun)匹配可直接接人。其他短距離通信的天線有單極天線、螺旋天線和環(huán)狀天線。螺旋天線可以看作是單極天線和環(huán)狀天線的混合,但是優(yōu)化起來比單極天線困難。環(huán)狀天線易于集成到印刷電路板(PCB)中,但是由于發(fā)射阻抗非常低,難于匹配,且匹配效果不好,因此設(shè)計中選用單極天線。
單端單極天線要求在差分輸出和天線之間有巴倫匹配。巴倫匹配可以采用傳輸線形式,也可以采用離散元器件形式,兩種形式都等效于在天線連接處匹配了50 Ω的負載。傳輸線形式較離散元器件形式,不僅改善了誤差向量幅度性能,而且靈敏度和諧波抑制也得到改善,所以設(shè)計中采用了傳輸線形式。CC2430無線收發(fā)PCB布線圖如圖6所示。
在PCB布線方面,λ/2巴倫匹配的傳輸線確保射頻信號在正確的頻段,同時要遠離有耗材料(比如電池),靠近射頻芯片以減少兩者之間的射頻損耗。另外,還要避免數(shù)字信號對其的干擾。因此,傳輸線各方向上要留有一定的避讓空間,該距離與工作頻率成反比。避讓空間沒有固定公式,根據(jù)物理形狀、材料的射頻損耗等確定。對于芯片,避讓空間的最小半徑在λ/100左右;對于較大的有源損耗體(如AA電池),最小半徑在λ/10左右(λ為無線通信頻率的波長)。采用的巴倫匹配傳輸線的避讓空間如圖6所示。經(jīng)匹配后的網(wǎng)關(guān)與節(jié)點能在150~200 m的范圍內(nèi)自由通信,傳輸效果令人滿意。
3.4 存儲單元
微處理器自帶128 KB Flash不能滿足操作系統(tǒng)的移植存儲的代碼量,以及傳感器節(jié)點每天采集的數(shù)據(jù)量(64個節(jié)點一天大約4.3K),故必須進行存儲器的擴展。結(jié)合考慮微處理器外設(shè)接口和數(shù)據(jù)存儲讀寫速度,選擇2 Mb的非易失性鐵電隨機存儲器FM25H20。其硬件原理圖如圖7所示。
FM25H20具有無限的讀寫次數(shù),掉電數(shù)據(jù)多達10年保持時間,寫數(shù)據(jù)無延時,快速SPI串行協(xié)議,高達40 Mbps的總線速度,完善的軟、硬件寫保護,極低的靜態(tài)工作電流(5μA),非常適合本嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計的需要。
3.5 電源模塊
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般工作在無人值守的環(huán)境下,所以選擇能源非常重要;另外,自然界的能源補充也至關(guān)重要。設(shè)計中采用太陽能電池板實現(xiàn)整個系統(tǒng)的能源供給。比較當(dāng)今常用電池性能,分析計算設(shè)計節(jié)點各模塊的功耗,選擇額定電壓為3.7 V、容量為1 Ah的高能量密度電池鋰離子電池(Lithium Ion battery)。與同樣大小的鎳鎘電池、鎳氫電池相比,電量儲備最大、重量最輕、壽命最長、充電時間最短、無記憶效應(yīng),是目前性能最好的電池。雙組電源輪流供電(一用一備),利用無線收發(fā)模塊A/D采樣、自動監(jiān)測控制電池電壓,根據(jù)設(shè)計的電池上下限值自動開啟太陽能電池板對其自動充電,始終做到整個節(jié)點電源供給穩(wěn)定。
結(jié) 語
本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點,對WSN網(wǎng)關(guān)進行了研究,并給出了詳細的硬件實現(xiàn)方案。關(guān)鍵模塊是:基于SIM1300C模塊的GPRS接口實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)到有線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸;基于CC2430芯片的RF收發(fā)電路。通過研究,較好地解決了WSN數(shù)據(jù)從采集地到監(jiān)控中心的雙向傳輸問題,從邏輯上將物理世界與信息世界更加緊密地融合于一體;在低功耗、高速度、低噪聲、低成本方面取得了較為滿意的結(jié)果,為開發(fā)和構(gòu)造無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。
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