一種低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

目前有多種可供選擇的無線組網(wǎng)方案，如ZigBee，其具有功耗低、傳輸速率高、體積小、協(xié)議成熟、節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)同工作等特點(diǎn)。但ZigBee由于采用國外技術(shù)，其芯片價(jià)格高，限制了它的普及應(yīng)用。PT2262/PT2272系列編解碼芯片是一種采用CMOS工藝、低功耗、低價(jià)位芯片，在遙控門、防盜、玩具等產(chǎn)品中大量使用，但其在數(shù)據(jù)傳輸、安全性等方面有所不足。本文利用PIC16LF876單片機(jī)模仿PT2262編碼方式，并進(jìn)行了改進(jìn)，配合433MHz高頻發(fā)射電路，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸組網(wǎng)。傳感器選用具有數(shù)字I2C接口的雙軸加速度傳感器MX6202，可以無線采集加速度、傾斜角數(shù)值，具有接口簡單、體積小、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。無線節(jié)點(diǎn)部分均選用低電壓器件，實(shí)現(xiàn)了單節(jié)鋰電池供電。特別適合網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量龐大、對成本敏感(如家居、防盜、物聯(lián)網(wǎng)等)場合的應(yīng)用。

1 無線傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

無線傳感器系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)兩部分。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，匯總處理后經(jīng)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)通知用戶。本文重點(diǎn)介紹傳感器節(jié)點(diǎn)，給出了軟硬件實(shí)現(xiàn)方法。無線傳感器系統(tǒng)組成如圖1所示。其中無線傳感器節(jié)點(diǎn)中的虛線框?yàn)閿U(kuò)展部分，F(xiàn)05V與J05U為微型433M發(fā)射接收模塊；無線網(wǎng)關(guān)部分負(fù)責(zé)匯總節(jié)點(diǎn)信息與外界通信，采用EM310模塊，GSM/GPRS傳輸。

圖1 低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)框圖

傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星形連接方式，由各無線節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)組成。在大部分場合下(如防盜、環(huán)境監(jiān)測等)可以采用單向通信方式，即節(jié)點(diǎn)發(fā)射、網(wǎng)關(guān)接收，這樣，圖1中的虛線部中的節(jié)點(diǎn)的超外差接收電路、網(wǎng)關(guān)的RF發(fā)射電路即可以省去。當(dāng)需要實(shí)時采集、強(qiáng)調(diào)同步性時，加上虛線框內(nèi)部分，由網(wǎng)關(guān)集中控制各節(jié)點(diǎn)動作，通過發(fā)采集或變更工作模式指令，控制各節(jié)點(diǎn)，采用雙向通信方案。本文介紹的為單向通信方案。

傳感器節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的重要部分，負(fù)責(zé)現(xiàn)場采集工作，其工作穩(wěn)定與否對整個系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多時，它的成本占系統(tǒng)的絕大部分。有許多節(jié)點(diǎn)需要獨(dú)立在室外工作并由電池供電，對能耗有較高的要求。為此，本設(shè)計(jì)通過PIC單片機(jī)模擬PT2262芯片編碼，對433MHz高頻電路完成鍵控調(diào)制(ASK)，省去了無線收發(fā)芯片，實(shí)現(xiàn)了通用MCU+傳感器的節(jié)點(diǎn)方案，大大降低了系統(tǒng)成本。采用的PIC超低功耗MCU，具有與MSP430相似的節(jié)能特性，選用低電壓RF模塊F05V，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的3.3V供電。

2 無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)是本文的重點(diǎn)部分，需要滿足低成本、低功耗、小體積、適合電池供電等要求。無線節(jié)點(diǎn)方案比較如表1所示。

表1 無線節(jié)點(diǎn)方案比較

(1)本節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時所用器件及其性能：選用的PIC16LF876單片機(jī)，其性價(jià)比較高、外設(shè)豐富、工作穩(wěn)定，具有針對電池供電的低功耗系列；最高速率為4MIPS，工作電壓為2~5.5V，22 個I/O 口，片上集成有WDT、CCP、PWM、A/D等外設(shè)，14KB Flash，368bit RAM、256bit EEPROM，具有休眠省電模式。PIC16系列單片機(jī)不同型號之間大部分可兼容，可以根據(jù)需要，選用價(jià)格更低的PIC16F72或采用納瓦(nW)及超低功耗技術(shù)的PIC16F723，程序稍作改動，器件即可封裝兼容。

(2)加速度傳感器選用數(shù)字I2C接口的雙軸加速度傳感器MXC6202，其具有±2g的測量范圍，可以測量重力加速度，小體積、低功耗、接口簡單，工作電壓范圍為2.7~3.6V，有休眠模式，在保證低價(jià)格、小體積的同時，可以滿足防盜、人體姿態(tài)測量等應(yīng)用的需求。

(3)RF電路采用F05V微型發(fā)射模塊，具有2.1~3.5V的低電壓、低功耗(10mA，連發(fā))及1~10kb/s的傳輸速率，可以滿足監(jiān)控等場合數(shù)據(jù)采集的需要。小體積、低價(jià)位，只有正電源、地、數(shù)據(jù)輸入、天線(天線按照手冊由導(dǎo)線繞制而成)輸出4個接口，可以像一個三極管一樣使用它。

(4)網(wǎng)關(guān)配套的接收電路是J05U超外差接收模塊，具有與F05V類似的特點(diǎn)。使用PT2262/PT2272編解碼方案，開闊地接收距離在300m左右。