无线传感器网络节点的硬件设计

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1、传感器A/D转换网, .二鼬：“Ulk.1,.:., :iw.具崩土A模块样1 :.,，站:.沱注！血；* 顷：吐部泠四!_：!：, : - T 7芝=天线1系统结构概述本文设计的WSN硬件平台，由若干传感器节点，具有无线接收功能的汇聚节点，以及一 台PC机组成。根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，节点的设计主要包括如下几个基本部 分：传感器单元、处理器单元、A/D单元、射频单元、供电单元以及扩展接口单元。节点的 硬件体系结构框架如图1-1所示。传感器模块处理器模块通信模块电路如图2-1-1所示。VCC%理器单元进行处理; 处理器单元负责数据处理及控制整个节点的正常工作;射频天线单元负责

2、与其他节点进行无 线通信，交换控制信息和相关数据；供电单元负责为节点提供运行所需的能量；扩展接口可 以实现节点平台的功能拓展，以适应不同的应用需求。2节点核心模块设计:2-1电源模块设计：电源是设计中的关键部分，电源稳定工作是整个节点正常工作的保证，设计合理的电源 电路至关重要。节点包含模拟器件和数字器件，模拟器件的抗干扰能力较差，且数字器件常 常为模拟器件的噪声源，故为了图 2-1-1提高电路的抗干扰能力，模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地。电源可选用电 池或干电池，电源芯片可选用XC6209、XC6221系列的LDO电源芯片，分别提供3.3V和1.8V 的数字与模拟电压，2-2传

3、感器模块 设计：2 cslXC6221 8一 一 -LCIAGND温度传感器，温度传感器设 计：本设计采用 LM75DM-33R2 串行 可编程温度传感器， 这种传感器在环境 温度超出用户变成 设置时通知主控制 器。滞后也是可以编 程解决。它采用2线总线方式，允直接从寄存器读出温度参数，并可实现编程设置INT/CMPTR输出极性。图2-2-1是其功能图，由于设计中只是简单的监测环境的温度，故只需一片LM75, 所以地址线A0、A1、A2置地，INT/CMPTR悬空，设计的接口电路如图2-2-2所示。Simplified Block DiagramAOAlA2lLo.s.5-DASCL5 SCL

4、VDDA2SDAA1A0INT/CMPRGN 口1i卜图 2-2-1图 2-2-2由于cc2431本身带有A/D模块，也可采用温度传感器AD590测量温度，其接口电路如 图 2-2-3。D601R601U6J_2_TTA - + - o AAVB 一 + OBBLM2904V33C601VCC io#IgndGND R604HR605图 2-2-3了监测房间中的烟雾，香烟烟雾或者房子中的灰尘等，可以采用 NIS-05离子式传感器。（这种传感器是低放射型的标准传感器，最大供电电压24v，由于阻抗 很高容易被外界电子噪音所干扰，所以PCB板设计时要注意保护措施。一般需采用特氟纶做支撑。NIS-05

5、1脚为VCC，2脚电压输出，3脚接地。由于阻抗高2脚输出电流很小，需采用 输入电流较小的运放，采用LMC6042。接口电路如图2-2-4。VCC 10VR701SR2 R702R703= vCC 】0VD70I您A+V-v+ OB By B+3MS-05Ai X LMC6042R705GND GND GNDU 白-R707R704R706CbHVCC 0VGND图 2-2-4湿度传感器设计：HS1101型湿度传感器是法国HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传 感器，其典型应用电路如图2-2-5所示。该传感器具有检测速度快、高精度、高可靠性、 长期稳定性和使用方便、体积小等特点。它是基于独特工

6、艺设计的电容元件，专利的固态聚 合物结构；高精度2%；极好的线性输出；199%RH湿度量程；-40100C的温度工作范围； 响应时间5秒；湿度输出受温度影响极小；防腐蚀性气体；常温使用无需温度补偿；无需校 准；电容与湿度变化0.34pf/%RH;典型值180pf55%RH;长期稳定性及可靠性，年漂移量 0.5%RH/ 年。湿度检测采用电容式HS1101型湿敏传感器。利用NE555定时器和湿度传感器HS1101 以及一些电阻构成多谐振荡器电路如图2-2-5所示。该电路把湿敏传感器随环境湿度不同体 现的电容值变化量转换为输出脉冲的频率变化量，电路输出的fo脉冲信号的振荡频率中包 含了环境湿度信息。

7、576心 -TLC555TRHSi IOO/I 101GNI WOl FT7iCOjTHp图 2-2-5R +3 %“ v*49.9 k rtf图2-2-6中虚线左侧是由LM331芯片构成的频率/电压(F/V)转换电路。图2-2-5中 输出的反映湿度信息的变频脉冲信号fo经C2R网络接入LM331的比较器阈值端6脚，脉冲 的下降沿引起输入比较器触发定时电路,1脚流出的平均电流为:iAvE=i (1. 1R8C4) X f O此电流经RC网络滤波即可获得与f o脉冲信号频率成正比的直流电压6 : :V out =f o X2. 09V X ( R9 / Rs ) X ( R8 C4 ) (2)该

8、部分F/ V转换器是输出信号的电压正 比于输入信号的频率的线性变化电路,F/ V转换电路输出呈05 V之间的线性模拟电压变 化量，对应于相对湿度0100 %RH的变化。_ sLMJ31 FREQ rHREFOin图2-2-6CVADCOR32CHI IGND I我们也可以采用另一种集成的湿度传感器设计方案，它采用DHT11数字湿度传感器，DHT11 5曰治e土吊耍曰一竦含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字数字温湿度传感器是模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器 包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相

9、连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在 检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。 超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的 应用场合的最佳选则。由于其外围电路比较简单，在这里就不在赘述。2-3处理器及通信模块设计:节点处理器：在无线传感器节点各单元中，核心单元为处理器单元以及射频单元。处理 器单元决定了节点的数据处理能力，路由算法的运行速度以及无线传感器网络形式的复杂程 度

10、。而且不同处理器工作频率不同，在不同状态下消耗功率也不相同，因此不同处理器的选 用也在一定程度上影响了节点的整体能耗和节点的工作寿命。射频单元的选择直接影响了无 线通信使用的频段、节点间数据通信的收发速率以及节点的通信距离等。根据具体应用的需求，目前节点平台中的处理器有以下几种选择：（1）ATMega128L芯 片是ATMEL公司生产的AVR系列处理器。该系列处理器为增强RISC内载闪存（Flash）的 芯片。（2）MSP430系列单片机是德州仪器（TI）公司的一种混合信号控制器，其最显著的 特点就是具有超低功耗特性。（3）若需要无线传感器网络节点实现复杂的数据处理功能以及 复杂的路由协议等，

11、就要采用功能更强大的处理器来满足数据计算量的要求。具有代表性的 是英特尔（Intel）公司生产的imote2节点采用的PXA270处理器。该处理器最高主频达 624MHz，具有极强的计算能力，足以应付包括视频在内的各种复杂数据处理需求。（4）此外 为了降低节点的成本，一些平台采用了通用的8051处理器，如AT89C52。这类处理器具有 货源充足、价格便宜、使用简单等特点，为价格敏感的应用提供了解决方案。节点射频通信单元：在无线传感器网络中，广泛应用的底层通信方式包括使用ISM波段 的普通射频通信以及具有802.15.4协议和蓝牙通信协议的射频通信。使用普通ISM频段的 无线传感器网络节点主要采

12、用的射频芯片包括Chipcon公司生产的CC1000，Nordic公司生 产的nrf903，Semtech公司生产的XE1205。还有部分无线传感器网络节点使用了带有 802.15.4/ZigBee协议的通信芯片，主要包括Chipcon公司的CC2420芯片，RFWave公司的 RFW102芯片组。为了满足节点体积微型化的需要，人们相继推出了多款整合了处理器和射频单元的 芯片，下面是几种ZigBee解决方案的对比：FeatureJN5121MCJ32xxEM 2503C 2430/CC 2431MCU32 bit RISC at 16MHz8 bit at 40MHz16bitXA frojn

13、CCL8051 at 32MHzMejnoiy96k RAM, 64k ROM4k RAM, 60k Flash,5k RAM, 128k Flash8k RAM, 128k Flash,SleepCurrent5uAWuAL5uAluARX/TXCurrent50/40jiiA29/33mA27Z25mAPeripheralsADC,DAC,LJART,SPI,I2C,Timer, CompaiatorADC,Timers, UART,SPI,I2C, ComparatorsADC, Timers, UART SPI, I2CADC, Timers, UART,图2-3-1当然最具代表性的是

14、Chipcon AS公司推出的CC2430、CC2431芯片，它们提供了简单方便的 ZigBee/IEEE 802.15.4低功耗无线传感器网络解决方案，为节点平台的微型化提供了可能。 CC2430芯片在以往CC2420射频芯片的基础上整合了微处理器，存储单元以及ZigBee射频 （RF）前端。这样在使用极少外围器件的情况下就可以实现节点方案。处理器采用了8位的8051 处理器，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还具有多种内部资源，如模拟数字转换器、 定时器、看门狗等，使系统的设计开发更为方便。CC2430芯片采用0.18以m CMOS工艺生 产，工作时的电流为27 mA。在接收和发射模式下，电流分别低于27 mA或25 mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的时间极短的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC2431是在C C2430以及摩托罗拉基于IEEE 802.15.4标准的无线电定位解决方案的基础上， 集成在单一硅芯片上的系统解决方案，不仅具有CC2430的相关特点还具有硬件定位的功能。 图2-3-2为CC2431的功能模块图。?l_?fd_3DbCHYlTIOMUSftHT 1USART 2