田向麗

（山西省林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030003）

引言

自動化是工業(yè)高速發(fā)展的基礎(chǔ)，PLC控制器、DCS控制系統(tǒng)等均是實現(xiàn)工業(yè)自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵。工業(yè)的發(fā)展離不開先進的技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新型技術(shù)之一必不可少。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要相關(guān)的通信、傳感器以及計算機等技術(shù)作為支撐，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵在于完成無線傳感器節(jié)點的匹配性設(shè)計，包括硬件平臺的設(shè)計和上層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用協(xié)議的開發(fā)[1]。本文將針對工業(yè)自動化領(lǐng)域中的無限技術(shù)中的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的節(jié)點進行設(shè)計，并完成其功能的實現(xiàn)。具體闡述如下：

1 基礎(chǔ)理論原理研究

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有體積小、成本低的優(yōu)勢，該傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可根據(jù)功能需求的不同，為其配套并配置不同類型的傳感器。在工業(yè)常規(guī)應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)主要包括五個功能單元。其中，收發(fā)單元對數(shù)據(jù)進行采集和發(fā)送；處理單元對所采集數(shù)據(jù)進行分析處理；傳感單元對工作現(xiàn)場參數(shù)進行采集；能量來源單元為網(wǎng)絡(luò)提供動力、能量。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和功能需求，還可為其拓展天線和相應(yīng)的功能擴展模塊。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點：

1）傳感器網(wǎng)絡(luò)中的硬件成本偏低。

2）在實際應(yīng)用過程中僅需要消耗較少的能源即可實現(xiàn)預(yù)設(shè)的功能。

3）節(jié)點運行過程中需要配套動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)，以彌補無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點故障率偏高的缺陷。

4）在實際應(yīng)用中節(jié)點的數(shù)量較多，呈現(xiàn)較為密集的分布狀態(tài)。

處理器模塊主要包括有MSC—51微控制器和ARM處理器等，在選型時需綜合考慮整機的處理能力和功能等因素。對于無線通信模塊而言，可通過電磁波、超聲波以及激光等基本技術(shù)實現(xiàn)通信，在實際選型中需根據(jù)通信的頻率、傳輸距離、功耗以及傳輸效率等因素綜合考慮。傳感器模塊在選型時需特別注意傳感器電路和信號處理功能兩項指標(biāo)，能量管理模塊選型時需特別關(guān)注成本、能量損失以及重量等因素。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)的實際應(yīng)用需求，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計原理及各個模塊的選型原則，本節(jié)將對涉及到的各類模塊進行選型，并結(jié)合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)完成各類模塊之間的硬件互聯(lián)設(shè)計，為功能實現(xiàn)配套相適應(yīng)的PCB板。

2.1 各類模塊的選型設(shè)計

總體設(shè)計：所選型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的數(shù)據(jù)處理模塊為MSP430，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊為CC2420模塊，能源模塊選用兩節(jié)AA電池實現(xiàn)供電功能，所配置的傳感器包括有溫度傳感器、濕度傳感器、紅外傳感器和光照傳感器等。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的天線模塊為頻率為2.4 GHz的PCB印制天線，該型天線的增益為3.3dB，天線的尺寸為25.7 mm×7.5 mm。該型天線的結(jié)構(gòu)緊湊且成本偏低，非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的設(shè)計要求。

鑒于所選型的MSP430的數(shù)據(jù)處理模塊自帶的數(shù)據(jù)存儲器的存儲空間有限，還需為節(jié)點配置外部存儲器，該節(jié)點所配置的外部存儲器為Flash外部存儲器，具體型號為M25P80，實際存儲功能為1 MB。

2.2 硬件模塊的互連設(shè)計

為保證各類模塊功能的充分發(fā)揮，保證最終網(wǎng)絡(luò)的有效性，需將上述各類模塊實現(xiàn)互聯(lián)。電路為實現(xiàn)互聯(lián)的基礎(chǔ)，根據(jù)功能需求設(shè)計基帶電力和射頻電路。其中，基帶電路的主要功能是實現(xiàn)MCU的各個管腳與其他模塊管腳的連接，射頻電路的主要功能是實現(xiàn)天線與RFIC的連接。

2.2.1 基帶電路的設(shè)計

基帶電路設(shè)計后能確保各個模塊與MUC之間的通信，為后續(xù)實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和處理功能奠定基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中基帶電路如圖2所示：

2.2.2 射頻電路的設(shè)計

射頻電路是實現(xiàn)PCB天線與收發(fā)芯片之間互聯(lián)的樞紐，射頻電路除了實現(xiàn)射頻信號的轉(zhuǎn)化外，還能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中的阻抗匹配。為了避免引入BALUN電路，天線采用平衡的偶極子天線，對應(yīng)的射頻電路中有電阻與電容組成的振蕩電路和微帶線。

2.3 PCB板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密集，即分布較為緊湊的特點，綜合成本因素，一般在工業(yè)中應(yīng)用的PCB板的結(jié)構(gòu)采用4層結(jié)構(gòu)，包括有2層正表面和2層反表面。其中，頂層和底層為信號層，中間與射頻電路層相鄰，為保證射頻電路的射頻性能，在頂層和中間層之間鋪設(shè)一層銅箔，保證信號的回流質(zhì)量[5]。

為避免信號的完整性受到干擾，將涉及到高速線布置于靠近地面的一層中，或者是在高速線的一層另外并行走兩條地線，達到屏蔽的功能。結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的空間要求，一般將PCB的總厚度設(shè)計為1 mm，其中，頂層與底層之間介質(zhì)的厚度為0.3 mm，地層和中間層之間介質(zhì)的厚度為0.4 mm，中間層和底層之間介質(zhì)的厚度為0.3 mm。

3 結(jié)語

工業(yè)的高質(zhì)量、快速發(fā)展離不開各項穩(wěn)定、可靠的技術(shù)作為支撐。無線技術(shù)作為工業(yè)自動化領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)，其主要應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域中的通信功能中，保證信息傳輸?shù)臅r效性和準(zhǔn)確性，確保工業(yè)生產(chǎn)中上位機可準(zhǔn)確的做出判斷和決策。本文重點對工業(yè)自動化領(lǐng)域中的無線技術(shù)中的無限傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點展開研究，總結(jié)如下：

1）低功耗、功能全面為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心特點，因此在各類模塊的選型時應(yīng)嚴(yán)格遵循上述原則。

2）電路作為實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各類模塊互聯(lián)的基礎(chǔ)，其中射頻電路和基帶電路必不可少。

3）PCB板為實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能的基礎(chǔ)，包括有底層、地層、中間層和頂層，需根據(jù)實際需求確定各層之間介質(zhì)的厚度。