低功耗無線傳感器網絡終端節點的硬件設計與實現

李坤明，楊光友，李 軍

(湖北省農業機械工程研究設計院，湖北武漢430068)

無線傳感器網絡是當前信息領域的研究熱點，應用前景非常廣泛。無線傳感器網絡涉及多個方面技術，主要是用廣泛分布的節點組成一個無線傳感器網絡，每個節點都可以對環境變量進行探測，并將分析得到的相關數據無線發給匯聚節點，從而得到數據的匯總，并加以研究。

1 節點整體設計原則

無線傳感器網絡的生命由無線傳感器節點所支撐，所以，傳感器節點設計的優良將直接影響網絡的穩定性。根據傳感器所面對的環境和基本特點，本文總結了以下幾個方面的基本設計原則。

1)節能續航能力。節能續航能力是傳感器網絡節點設計最關鍵的問題。無線傳感器網絡中的節點數目較多，不可能經常給每個節點人工更換電池，所以在設計時，應采用合理的能量監測與控制機制，讓網絡得以更長時間的生存。

2)成本高低。要盡量降低每個節點的成本，只有這樣才能讓節點數量較多的傳感器網絡得到更廣的應用。

3)體型微型化。只有節點本身足夠小，才能保證不干擾所分布的系統環境。

4)可擴展性。節點可以適應不同的外調，以豐富節點的使用功能，且可以接多種傳感器。

2 節點硬件設計

2.1 節點總體結構

在WSN中，最基本的單元是傳感器節點。節點基本上都由數據采集模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源模塊等4部分組成。數據采集模塊主要由傳感器組成，用于探測目標環境的變量;數據處理模塊為CPU，實現數據的分析、處理和存儲等功能;數據傳輸模塊為RF模塊，用于數據的傳輸;電源模塊給節點提供能量。

2.2 制作線路板

采用一體式平臺設計方案，即主控單片機與無線射頻單元合二為一。由于CC2430集成了無線射頻和微處理器，所以把CPU和RF簡化為一個模塊，大大簡化了電路。

本節點為3層結構:第一層，底層為充放電模塊;第二層，中間層主要用于擴展接口;第三層，上層是CC2430核心模塊。結構框圖如圖1所示。

圖1 一體式整體結構圖

2.2.1 數據采集模塊 節點主要通過各種類型傳感器采集周邊環境變量。為了適應多種傳感器的使用，做了兩個標準接口:一個是三線的電壓信號輸入接口，可接通超聲波傳感器等(圖2);一個是二線的電流信息輸入接口，如接入霍爾電流傳感器等(圖3)。

圖2 三線標準接口

圖3 二線標準接口

兩個接口分別做成三芯和二芯的插口:三芯的是接電壓信號輸入的傳感器;二芯的是電流信號輸入的傳感器。

2.2.2 CC2430核心模塊 CC2430由 Chipcon公司生產，其集成符合IEEE802.15.4標準協議的2.4 GHz的ZigBee射頻前端，有1個常規的16位計時器和2個8位計時器，具有14位的ADC、USART等功能，CC2430的休眠模式和主動模式之間轉換時間短的特性利于電池壽命的延長。除此之外，CC2430芯片不需要復雜的外圍器件即可實現信號的收發功能，因而有利于節能。CC2430芯片集成了有51內核。把CC2430做成一個模塊電路，單獨作為CPU和射頻，成為節點的核心部分。電路如圖4所示。

圖4 CC2430原理圖

2.2.3 電源模塊 本系統CC2430的工作電壓范圍為1.8～3.6 V(單片機典型工作電壓為3.3 V)。由于節點工作主要通過無線方式，以安裝方便靈活為其最大特點之一，所以適宜用電池作為電源。

硬件平臺的設計中，節能是本文考慮的一個重要因素，它對于增加整個傳感器網絡的壽命有著關鍵作用。節點節能和增加節點壽命的最主要方式有兩種:一是休眠機制，即通過使節點在工作模式和休眠模式下任意轉換來達到節能的作用(本文不考慮);二是增加電池電量，給節點配置了一個3500 hm的鋰電池，比一般的5號電池更耐用，且可以充電循環利用。該電路可以提供穩定的3.3 V電壓。

參考CC2430的工作電壓，設計了一個3.6 V的鋰電池充放電電路模塊。該充放電電路采用的芯片是TP4507，工作電壓5 V，也就是說可以用USB和一般的適配器給這個模塊充電。該芯片電路有鋰電池正負極反接保護、過熱保護、短路保護、自動再充電等功能(圖5)。

該電路有兩個指示燈:當給電池充電的時候，D3(紅燈)會亮，表示正在充電;當D2(綠燈)亮的時候，表示電已充滿。電池充滿的時候電壓最高可達4.2 V，通過 ADP3339 芯片，把電壓轉到 3.3 V，給CC2430模塊供電。

圖5 鋰電池充放電原理圖

2.2.4 PCB制作 本節點把供電模塊、數據處理傳輸模塊和擴展模塊分別做成單獨線路板，組成三層結構，也是為了減少對射頻信號的干擾，提高通訊的質量。在PCB線路設計中，要注意以下幾點問題:1)PCB板要進行鋪銅達到接地的作用，這是必須的抗干擾措施;2)PCB天線遠離高速信號線和布線密集的地方，以減少信號干擾;3)相鄰兩面的信號線盡量垂直交錯，少換層走線，最好是走直線，少走彎路，且走近路，需要轉折的地方，采用45°折線轉折。圖6為鋰電池電路層，圖7為終端節點實物。

圖6 供電層

圖7 節點實物

3 軟件設計

軟件開發平臺為IAR Workbench，主要用C語言編寫，程序設計思路:先把CC2430的端口初始化，配置時鐘，系統初始化;再對外設的相關部分進行配置;然后再寫主程序，通過JTag下載程序。

4 硬件測試

由于無線傳感器網絡具有成本低、規模大、功耗低、網絡壽命長、數據傳輸良好等特點，所以無線傳感器網絡的優良取決于節點的相關性能，因此，本測試的內容主要包括節點靜態能耗、節點間傳輸距離。

根據伏安法，在節點靜態工作時，通過測電壓和電流的輸出，計算節點的功耗。測試結果表明，節點靜態功耗為3.3 V×42 mA=0.13 W。節點間最大傳輸距離為50～800 m。

5 結束語

本文設計的節點在試驗中應用良好，實現了無線傳感器的基本功能，極大降低了能量的消耗，延長了整個網絡的壽命，實現了網絡的超低功耗的特點，而且成本低廉，適合大規模分布節點。主要存在的缺陷是Jtag被設計在擴展層上，這樣多個節點下載程序時至少要把一個節點取下，作為下載器，操作起來很麻煩。如將Jtag設計在CC2430模塊上，下載程序只需要把CC2430模塊取下即可。

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