一種無線傳感器硬件系統(tǒng)設計

葉天鳳，葉夢君，胡長暉*，萬里光

(1湖北理工學院電氣與電子信息工程學院，湖北黃石435003;2湖北師范學院機電與控制工程學院，湖北黃石435002)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡集成傳感器技術、計算機技術、通信技術、自動化技術等多種技術，是由大量靜止或移動的傳感器自組織和多跳方式構成的無線網(wǎng)絡［1］，已廣泛應用于社會生產(chǎn)實踐中，越來越受到人們的重視。

本文提出了一種近距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，目的是為了實現(xiàn)近距離范圍內多節(jié)點的數(shù)據(jù)通信，將采集的數(shù)據(jù)信號傳輸給監(jiān)控中心處理。重點介紹了這種無線傳感器系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)設計。

1 無線傳感器系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構

近距離無線傳感器系統(tǒng)的總體結構圖如圖1所示。

圖1 近距離無線傳感器系統(tǒng)的總體結構

該系統(tǒng)通過無線發(fā)送模塊，將數(shù)據(jù)傳輸給無線接收模塊，接收模塊通過嵌入式USB 接口將數(shù)據(jù)傳輸給主機，數(shù)據(jù)在主機中通過虛擬示波器系統(tǒng)顯示、處理。

2 數(shù)據(jù)采集模塊硬件系統(tǒng)設計

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設計

數(shù)據(jù)采集模塊硬件結構圖如圖2所示。8位單片機P89C58X2FN 為采集模塊的主控制器，它具有功耗低、性能高的優(yōu)點，比較適合嵌入式產(chǎn)品開發(fā)［2］。與該主控器連接的ADC 為MAX1247，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊NRF24L01 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊硬件結構圖

2.2 MAX1247 與P89C58X2FN 硬件連接設計

MAX1247 與P89C58X2FN 硬件連接圖如圖3所示，數(shù)據(jù)采集模塊采用的ADC 是Maxim公司的MAX1247，其精度為12 位，可同時接入的模擬信號為4 路，同時其片上集成了SPI主從機模塊［3］。

圖3 MAX1247 與P89C58X2FN 硬件連接圖

轉換數(shù)據(jù)為同步串行輸出，其中SPI 模塊的時鐘端SCLK、數(shù)據(jù)輸入端DIN、數(shù)據(jù)輸出端DOUT 分別連接主控制P89C58X2FN 的P1.0、P1.2、P1.3。由于主控制片上沒有集成SPI 模塊，所以主控制通過軟件模擬MAX1247 時序方式(時鐘由SCLK 端輸入)，實現(xiàn)數(shù)模轉換芯片的控制字寫入和數(shù)據(jù)讀出。MAX1247 通過從DIN端寫入的控制字來實現(xiàn)不同模擬通道及模擬量極性等相關信息的選擇。另外12 位精度的數(shù)字量由高到低依次按位從DOUT 端輸出。

2.3 NRF24L01 與P89C58X2FN 硬件連接設計

NRF24L01 與P89C58X2FN 硬件連接圖如圖4所示。NRF24L01 是NORDIC 公司的產(chǎn)品，該芯片工作在2.4～2.5 GHz 的ISM 頻段，同時具備無線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，數(shù)據(jù)傳輸速率高達2 Mbps［4］，能滿足多點通信的需要，適合與各種單片機連接。

圖4 NRF24L01 與P89C58X2FN 硬件連接圖

無線發(fā)送模塊NRF24L01 的時鐘端SCK、數(shù)據(jù)輸入端MOSI、數(shù)據(jù)輸出端MISO 分別連接主控制P89C58X2FN 的P0.1、P0.2、P0.3。主控制通過軟件模擬SPI 時序方式(時鐘由SCK端輸入)，實現(xiàn)NRF24L01 的各種控制命令和數(shù)據(jù)的寫入和讀出。NRF24L01 的命令和數(shù)據(jù)從MOSI 端輸入，從MISO 端輸出。CE 為使能發(fā)送和接收端，CE 為高電平時，啟動發(fā)射/接收模式。發(fā)送模式時將寄存器PRIM_RX 置低，接收模式時將寄存器PRIM_RX 置高。

數(shù)據(jù)采集模塊的工作原理是:當數(shù)據(jù)采集模塊接收到主機的數(shù)據(jù)采集命令后，從主機接收采集節(jié)點地址，通過中斷方式采集相應節(jié)點的數(shù)據(jù)，每次采集30 字節(jié)數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)打包，即給數(shù)據(jù)包加上2 字節(jié)的包頭，該2 字節(jié)包頭的首字節(jié)表示節(jié)點地址，次字節(jié)表示數(shù)據(jù)包的序號。形成32 字節(jié)的數(shù)據(jù)包后，將數(shù)據(jù)包寫入無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊NRF24L01，再通過無線通信網(wǎng)絡發(fā)送給數(shù)據(jù)接收模塊。

3 數(shù)據(jù)接收模塊硬件系統(tǒng)設計

3.1 數(shù)據(jù)接收模塊硬件設計

數(shù)據(jù)接收模塊硬件原理圖如圖5所示，其主控制器也采用P89C58X2FN，它與無線數(shù)據(jù)接收模塊NRF24L01 的硬件連接關系和數(shù)據(jù)采集模塊中的類似，只是將NRF24L01 的工作模式設置為接收。

圖5 數(shù)據(jù)接收模塊硬件結構圖

3.2 PDIUSBD12 與P89C58X2FN 硬件連接設計

PDIUSBD12 與P89C58X2FN 硬件連接圖如圖6所示。PDIUBD12 的數(shù)據(jù)端口D0 與主控制的P0 口連接，實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸。寫控制端口WR_N 和RD_N 與主控制的讀寫控制端口WR_N 和RD_N 連接，地址/數(shù)據(jù)端口A0與主控制的P2.7 連接，中斷輸出端口IN_N與主控制的外部中斷端口INT0 連接，線片端CS_N 與主控制的P3.5 連接。PDIUSBD12 具有獨立的時鐘電路。主控制的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 連接無線接收模塊NRF24L01 的SCK、MISO、MOSI、CE 端。

圖6 PDIUSBD12 與P89C58X2FN 硬件連接圖

4 系統(tǒng)軟件設計

無線傳感器系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示，其中虛線表示無線通信方式，包括數(shù)據(jù)采集，無線發(fā)送、接收，數(shù)據(jù)處理，詳細的軟件流程及其工作原理請查閱文獻［5］。

圖7 無線傳感器系統(tǒng)軟件流程圖

5 系統(tǒng)測試

基于Lab Windows CVI7.0 開發(fā)了虛擬示波器系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要功能是顯示采集的傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測試時，將正弦波的信號作為節(jié)點輸入信號，測試效果如圖8所示。

圖8 虛擬示波器顯示節(jié)點正弦波圖

本系統(tǒng)的最高采樣頻率為13 kHz，USB 接口的傳輸速度為2 Mbps，因此系統(tǒng)可同時接入多個節(jié)點，能夠很好地滿足一般數(shù)據(jù)的檢測和實時采樣的要求。

本文對近距離無線傳感器系統(tǒng)的硬件設計作了詳細介紹，另外從本系統(tǒng)的組網(wǎng)方式來看，它較適用于通信距離要求不高的領域。由于此系統(tǒng)具有組網(wǎng)簡單、成本較低、應用穩(wěn)定、擴展性強及易于實現(xiàn)等特點，尤其是硬件設計性價比極高，因此可以廣泛地推廣使用。

［1］Akyildiz I F，W Su Y，Sankarasubranma－niam，et al.A survey on sensor networks［J］.IEEE Communications Magazine，2002:102－114.

［2］熊健民，胡長暉，宋庭新.USB 數(shù)據(jù)采集卡的研制［J］.湖北工業(yè)大學學報，2007，22(3):6－9.

［3］胡長暉，葉夢君.新型便攜式數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.微型機與應用，2011，30(4):107－109.

［4］胡長暉，葉夢君.基于GPRS 和廣域IP 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］.信息技術，2011(2):93－95.

［5］葉天鳳，胡長暉，葉夢君，等.一種近距離無線傳感器系統(tǒng)的設計［J］.信息技術，2012，30(4):26－28.