黃銀濤,童玲,田雨

(電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院,成都611731)

引 言

半導(dǎo)體技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,推動(dòng)了具有現(xiàn)代意義的無(wú)線傳感器技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、網(wǎng)絡(luò)、通信、光學(xué)、微機(jī)械等眾多領(lǐng)域。微型、高可靠、多功能、集成化的傳感器,低功耗、高性能的專業(yè)集成電路,微型、大容量的能源,高效、可靠的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和操作系統(tǒng),面向應(yīng)用、低計(jì)算量的模式識(shí)別,低功耗、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以及現(xiàn)實(shí)環(huán)境的各種應(yīng)用模式成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課題研究的重點(diǎn)[1]。

以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無(wú)線應(yīng)用不需要較高的傳輸帶寬,但需要較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗,使用戶能擁有較長(zhǎng)的電池壽命和較多的器件陣列,同時(shí)需要一種低端的、面向控制的、應(yīng)用簡(jiǎn)單的專用標(biāo)準(zhǔn),ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問(wèn)題。ZigBee是無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Personal A rea Network,WPAN)的標(biāo)準(zhǔn)之一,具有高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。這些優(yōu)點(diǎn)使得ZigBee和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已得到越來(lái)越多的關(guān)注。本設(shè)計(jì)基于ZigBee搭建的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái),可以完成風(fēng)向、風(fēng)速和空氣濕度的測(cè)量。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由上位機(jī)、中轉(zhuǎn)器、匯聚節(jié)點(diǎn)和若干采集節(jié)點(diǎn)組成,如圖1所示。采集節(jié)點(diǎn)采集并預(yù)處理傳感器采集的數(shù)據(jù),在收到匯聚節(jié)點(diǎn)的上傳命令后將數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點(diǎn);匯聚節(jié)點(diǎn)收集采集節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)并通過(guò)中轉(zhuǎn)器將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī),上位機(jī)處理最終上傳的采集數(shù)據(jù)。上位機(jī)將用戶下達(dá)的各操作命令發(fā)送至中轉(zhuǎn)器,中轉(zhuǎn)器將命令信息傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn),匯聚節(jié)點(diǎn)將中轉(zhuǎn)器下發(fā)的命令通告?zhèn)€采集節(jié)點(diǎn),同時(shí)負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)相互間的組網(wǎng)及維護(hù)。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)中采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)均采用CC2531作為核心控制芯片;中轉(zhuǎn)器采用ARM處理器作為核心控制芯片。采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間以ZigBee協(xié)議進(jìn)行無(wú)線通信;匯聚節(jié)點(diǎn)與中轉(zhuǎn)器間采用串口通信;中轉(zhuǎn)器與上位機(jī)以GPRS通信方式進(jìn)行交互;上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2 CC2531芯片簡(jiǎn)介

CC2531是TI公司推出的符合2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。它具有很好的接收靈敏度和魯棒性以及低功耗特性,可編程輸出功率高達(dá)4.5 dBm,外部元件很少;結(jié)合RF收發(fā)器與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051微控制器的性能,具有32 KB、64 KB、128 KB或256 KB的在系統(tǒng)可編程閃存和8 KB的RAM,且該RAM具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保護(hù)能力;同時(shí)具有多種運(yùn)行模式,而且運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)間短,使低能耗特性能夠進(jìn)一步保證。

CC2531提供了101 dB的鏈路質(zhì)量以及一套廣泛的外設(shè)集,包括2個(gè)USART、8路輸入可配置的12位ADC、21個(gè)通用GPIO、高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器和具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時(shí)器等設(shè)備。它支持一般的低功耗無(wú)線通信,可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制、消費(fèi)型電子、家庭控制、計(jì)量和智能能源、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療以及更多領(lǐng)域[3]。

3 采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個(gè)采集節(jié)點(diǎn)可以劃分為電源模塊、處理模塊、無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊4個(gè)組成部分,各部分協(xié)同工作。電源模塊負(fù)責(zé)電壓調(diào)理,為其他模塊提供所需要的電壓;處理模塊負(fù)責(zé)處理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和命令;無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)、命令的傳輸;數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集與信號(hào)調(diào)理。

圖2 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 電源模塊

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于人們不方便或者不經(jīng)常到達(dá)的地方,因此電源的選擇尤為重要。電源模塊控制著整個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量分配,在整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中具有極其重要的意義。目前,比較容易實(shí)現(xiàn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電方式是電池供電,根據(jù)不同場(chǎng)合和條件也可以選擇不同種類電池。鋰電池的放電曲線平滑,可以保證無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在平常使用時(shí)具有更好的線性特性,因此可以作為系統(tǒng)能量來(lái)源的一種選擇。但是,鋰電池額定容量較小,而且需要升壓處理,限制了節(jié)點(diǎn)的生存期。為了維持更長(zhǎng)的工作時(shí)間和節(jié)省成本,本設(shè)計(jì)采用5節(jié)7號(hào)鎳氫電池供電。除此之外,軟件上通過(guò)合理設(shè)置節(jié)點(diǎn)的發(fā)射、接收以及待機(jī)狀態(tài),也可以有效地延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。新的能源解決方法也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要研究的重要課題,太陽(yáng)能或者風(fēng)力充電就是目前的研究熱點(diǎn)[4]。

數(shù)據(jù)采集模塊需要外部提供5 V直流電壓,處理模塊及無(wú)線通信模塊需要3.3 V直流電壓,因而采用了Sipex公司的低壓差電源芯片SPX2815和SP6201EM-3.3 V將輸入的電池電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3.3 V。經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換后將電源繼續(xù)劃分為數(shù)字部分與模擬部分供各芯片、模塊使用,保證模擬電源、數(shù)字電源之間不互相干擾。CC2531具有8路A/D接口,使用TI公司的基準(zhǔn)電壓二極管LM 4040為CC2531的8路A/D接口提供2.5 V的參考電壓,同時(shí)為傳感器信號(hào)調(diào)理電路提供2.5 V電壓。LM4040的輸出電壓穩(wěn)定性好、精度高,輸出電壓精度為0.5%,其接口電路如圖3所示。

圖3 LM4040接口電路

3.2 處理模塊

處理模塊是采集節(jié)點(diǎn)的核心部分,主要由CC2531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。CC2531的接口電路如圖4所示。CC2531具有21個(gè)I/O口(其中8路P0口具有A/D功能),它們分別與傳感器接口、SPI存儲(chǔ)器及在線仿真器連接。圖中P0_7接收LM4040提供的2.5 V基準(zhǔn)電壓;系統(tǒng)時(shí)鐘由32M Hz晶振提供;系統(tǒng)休眠所用時(shí)鐘由32.768 kH z無(wú)源晶振提供;復(fù)位按鍵與RESET連接,可實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)位,初始化系統(tǒng)。

圖4 CC2531接口電路

為方便選擇不同種類的傳感器,我們將各I/O口連接到統(tǒng)一的傳感器排針接口上,并將具有A/D功能的I/O與GPIO在電路板上進(jìn)行了劃分,以防止數(shù)模串?dāng)_。這種設(shè)計(jì)增強(qiáng)了可擴(kuò)展性和靈活性。為實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O口的高效利用,設(shè)計(jì)中有部分I/O進(jìn)行了復(fù)用。復(fù)用后最多可以有6路A/D以及9路GPIO供采集多路模擬傳感器信號(hào)和數(shù)字傳感器信號(hào)使用,可以根據(jù)實(shí)際需求選擇傳感器和連接接口。由于采集的數(shù)據(jù)量較大,而CC2531自帶的內(nèi)存需要存儲(chǔ)程序,不能滿足存儲(chǔ)要求,所以需要外接存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)選用Ram tron公司帶SPI接口的鐵電存儲(chǔ)器FM 25L256,它具有高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、功耗低、可擦寫次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)。選取CC2531提供的SPI接口1(即P0.2～P0.5四個(gè)引腳)與FM 25L256連接,完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其接口電路如圖5所示。

圖5 LM4040接口電路

3.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊作為系統(tǒng)中重要的數(shù)據(jù)傳輸通道,實(shí)現(xiàn)了采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)、采集節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸及組網(wǎng)功能。本設(shè)計(jì)中,CC2531與CC2591聯(lián)合使用構(gòu)成無(wú)線通信模塊。CC2591為TI公司面向低功耗與低電壓無(wú)線應(yīng)用的、集成度最高的2.4 GHz射頻前端。它集成了功率放大器(可將輸出功率提高+22 dBm)、低噪聲放大器(可將接收機(jī)靈敏度提高+6 dB)、平衡轉(zhuǎn)換器(balun)、交換機(jī)、電感器和RF匹配網(wǎng)絡(luò)等,從而能夠顯著增大無(wú)線系統(tǒng)的覆蓋范圍,降低系統(tǒng)安裝成本[5]。這種高集成度簡(jiǎn)化了高性能設(shè)計(jì)工作,使客戶能用極少的外部組件開發(fā)出高輸出功率的無(wú)線解決方案。CC2591為CC2531提供了無(wú)縫接口,對(duì)于加速系統(tǒng)開發(fā)、改善系統(tǒng)RF性能方面具有很大幫助。其連接電路如圖6所示。其中,B1為磁珠,作濾波用,推薦型號(hào)BLM 15HG102SN 1D。

圖6 CC2591連接電路

TI公司為CC2591與CC2531之間的連接提供一個(gè)緊湊的參考設(shè)計(jì),并提供了PCB板參數(shù)。PCB板經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證后參照參考設(shè)計(jì)繪制,對(duì)電源、地的布局進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。同時(shí),天線的信號(hào)走線進(jìn)行了阻抗匹配設(shè)計(jì),使到達(dá)天線端阻抗為50Ω,并且PCB板上使用村田公司的高頻分立元件,以達(dá)到較好的信號(hào)傳輸效果,增加節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信距離。

3.4 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)信號(hào)的調(diào)理。選用EC21B型高動(dòng)態(tài)性能測(cè)風(fēng)傳感器和PTS-3型空氣濕度傳感器。采用排針接口設(shè)計(jì),如果需要用于其他的應(yīng)用場(chǎng)合,只需更換不同的傳感器(包括信號(hào)調(diào)理部分)并采用排線連接即可,大大擴(kuò)展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。

EC21B型高性能測(cè)風(fēng)傳感器為三杯式、單尾翼型測(cè)風(fēng)傳感器,風(fēng)杯為一體式。該傳感器只需5 V電壓即可工作,輸出信號(hào)為RS485數(shù)字信號(hào)。為采集傳感器信號(hào),需要對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)選用了Exar半導(dǎo)體公司的SP3494芯片,實(shí)現(xiàn)了RS485信號(hào)和TTL信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)換。SP3494是一個(gè)半雙工的轉(zhuǎn)換速率部分受限的收發(fā)器,數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)2.5 Mbps,含有低功耗關(guān)斷模式和驅(qū)動(dòng)器/接收器高阻使能控制線。測(cè)風(fēng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路如圖7所示。SP3494的接收器輸出端(R0)、發(fā)送器輸入端(DI)及使能端I/O接口連接;同相發(fā)送器輸出/接收器輸入端(A)、反相發(fā)送器輸出/接收器輸入端(B)與傳感器信號(hào)線連接。PTS-3型空氣濕度傳感器需要5 V直流電壓供電,只需一根信號(hào)輸出線,輸出電壓范圍為1～4 V模擬信號(hào)。為了使PTS-3輸出的模擬電壓能夠被CC2531正確采樣,需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,使其輸出信號(hào)更加穩(wěn)定且電壓值不超過(guò)基準(zhǔn)電壓?？諝鉂穸葌鞲衅餍盘?hào)調(diào)理電路如圖8所示。U 1為傳感器接口,5 V電源向傳感器供電,傳感器的 輸出信號(hào)(1～4 V)通過(guò)精密電阻1/2分壓后送入由P354構(gòu)成的射隨器,并最終將信號(hào)送入CC2531的一個(gè)ADC通道。

圖7 測(cè)風(fēng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路

圖8 空氣濕度傳感器信號(hào)調(diào)理電路

結(jié) 語(yǔ)

基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、體積小的顯著優(yōu)點(diǎn),可在特殊環(huán)境下實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)信號(hào)的采集傳輸與處理。ZigBee新一代SoC芯片CC2531是真正的片上系統(tǒng)解決方案,適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)測(cè)等系統(tǒng)的開發(fā)。伴隨新的能量解決方案的提出及無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用到更多領(lǐng)域。

[1]孫利民,李建中,陳渝.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[2]昂志敏,金海紅,范之國(guó),等.基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與通信實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(10).

[3]TI.CC2531 Datasheet,2009-09.

[4]姜連祥,汪小燕.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件綜述[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006(11).

[5]TI.CC2591 Datasheet,2009.