基于AT89S52的無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)前端設(shè)計(jì)

趙璠，徐偉恒

（西南林業(yè)大學(xué)云南昆明650224）

隨著通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展與日益成熟，具有計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器開(kāi)始在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，由這些微型傳感器構(gòu)成的傳感網(wǎng)引起了人們的極大關(guān)注。傳感網(wǎng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行融合處理，獲得詳盡而準(zhǔn)確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。這種更小、更廉價(jià)的低功耗計(jì)算設(shè)備代表的“后PC時(shí)代”沖破了傳統(tǒng)臺(tái)式計(jì)算機(jī)和高性能服務(wù)器的設(shè)計(jì)模式，網(wǎng)絡(luò)化帶來(lái)的計(jì)算處理能力是難以估量的。因此，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。

傳感網(wǎng)的研究起步于20世紀(jì)90年代末期。從2000年起，國(guó)際上開(kāi)始出現(xiàn)一些有關(guān)傳感網(wǎng)研究結(jié)果的報(bào)道[1]。但是，這些研究成果處于起步階段，距離實(shí)際需求還相差甚遠(yuǎn)。我國(guó)在傳感網(wǎng)方面的研究工作還很少。目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和黑龍江大學(xué)已經(jīng)開(kāi)始了該領(lǐng)域的研究工作。一言以蔽之，傳感網(wǎng)的研究任重而道遠(yuǎn)。

1 硬件部分設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的設(shè)計(jì)，傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)會(huì)有所不同，但一般來(lái)說(shuō)都包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源4個(gè)部分，如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the WNS node system

1.1 數(shù)據(jù)處理模塊

選用較為常見(jiàn)的AT89S52。它是ATMEL公司的8位Flash單片機(jī)系列，它完全和8051系列單片機(jī)兼容。具備ISP下載功能，能提供方便下載調(diào)試功能。89系列單片機(jī)采用靜態(tài)時(shí)鐘方式[2]，可以節(jié)約電能，非常適合無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)這類對(duì)功耗敏感的系統(tǒng)，后面還會(huì)提到。

外擴(kuò)ROM?？紤]到無(wú)線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量比較大，外擴(kuò)了ATMEL公司的I2C總線的EEPROM，AT24C02。

時(shí)鐘芯片選用DS1302[3-4]。它是美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的一種串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片，內(nèi)部包括8位命令字節(jié)和40個(gè)字節(jié)（31個(gè)字節(jié)RAM和9個(gè)字節(jié)時(shí)鐘寄存器）的RAM，利用它們就能夠向單片機(jī)提供秒、分、時(shí)、日、月、年、及星期等實(shí)時(shí)時(shí)間信息，并能夠?qū)﹂c年天數(shù)自動(dòng)調(diào)整，日歷有效至2100年。DS1302具備雙電源供電功能，由雙電源中較大者供電，使系統(tǒng)在沒(méi)有主電源的情況下，通過(guò)備份電池或者超級(jí)電容也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。其次，DS1302具有引腳少、體積小、價(jià)格低、串行工作方式節(jié)約單片機(jī)資源等優(yōu)點(diǎn)。

LCD顯示模塊主要用于手工查看節(jié)點(diǎn)信息和在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)使用，在真正工作時(shí)可以不用LCD，以節(jié)約電能。我們所采用的字符型液晶模塊是一種用5x7點(diǎn)陣圖形[5]、顯示的容量為2行16個(gè)字的1602液晶模塊。該模塊采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳接口。如圖2所示。

圖2 1602 LCD顯示模塊Fig.2 1602 LCD display module

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

本節(jié)點(diǎn)對(duì)溫度、濕度和光照度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)大量傳感器的從性能、價(jià)格方面的選擇，最終選擇了SENSIRION公司生產(chǎn)的集合型全數(shù)字溫度濕度傳感器SHT75[6]和Microsemi公司的光照度傳感器Lx1970[7]。

SENSIRION的SHT75是一款集成了溫度傳感器和濕度傳感器、直接輸出數(shù)字量、且體積小巧的傳感器。如圖3所示。該傳感器對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)具有幾個(gè)特點(diǎn)：

①采用CMOS工藝制造，大幅降低了功耗；

②SHT75內(nèi)部采用感知與案件和14 bit的AD集成，這樣能保證信號(hào)的高速傳輸和外界干擾的隔離；

③數(shù)字輸出，節(jié)約單片機(jī)資源，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)。

圖3 SHT75溫濕度傳感器Fig.3 SHT75 temperature and humidity sensor module

光照度傳感器選用的是Microsemi公司的仿視覺(jué)光傳感器LX1970。它具有的獨(dú)立光二極管列陣使得其反應(yīng)時(shí)間很短，峰值能達(dá)到520 nm。同時(shí)內(nèi)置濾光片，能有效的過(guò)濾紫外線和紅外線。LX1970是一款模擬傳感器，用于本設(shè)計(jì)中還需要配合ADC。如圖4所示。

圖4 LX1970光照度傳感器Fig.4 LX1970 light sensor module

1.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

本設(shè)計(jì)是對(duì)前端進(jìn)行設(shè)計(jì)，故留有RS232串口作為傳輸出口，在后期可再加上ZigBee等主流傳輸方式。

2 軟件部分

軟件流程圖如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the node software design

3 低功耗考慮

本設(shè)計(jì)中的低功耗考慮主要從硬件和軟件兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行的。

3.1 硬件系統(tǒng)中低功耗設(shè)計(jì)

盡量多的采用CMOS器件。CMOS器件比雙極性器件功耗低很多，同時(shí)，幾乎每一種規(guī)格、型號(hào)的器件都有相同管腳、相同功能可以直接互換的CMOS器件。因此在單片機(jī)系統(tǒng)中全部采用CMOS電路可使整機(jī)功耗大大降低，還能增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

不懸空MCU沒(méi)用的I/O口。MCU的這些不用的I/O口如果懸空的話，受外界的一點(diǎn)點(diǎn)干擾就可能成為反復(fù)振蕩的輸入信號(hào)了，而MOS器件的功耗基本取決于門電路的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。如果把它上拉的話，每個(gè)引腳也會(huì)有微安級(jí)的電流，所以最好的辦法是設(shè)成輸出（當(dāng)然外面不能接其他有驅(qū)動(dòng)的信號(hào)）。

不上下拉每個(gè)信號(hào)線的電阻。信號(hào)需要上下拉的原因很多，但也不是個(gè)個(gè)都要拉。上下拉電阻拉一個(gè)單純的輸入信號(hào)，電流也就幾十微安以下，但拉一個(gè)被驅(qū)動(dòng)了的信號(hào)，其電流將達(dá)毫安級(jí)，現(xiàn)在的系統(tǒng)常常是地址數(shù)據(jù)各32位，可能還有244/245隔離后的總線及其它信號(hào)，都上拉的話，幾瓦的功耗就耗在這些電阻上了。

盡量多的使用了存儲(chǔ)器的CS端。大部分存儲(chǔ)器的功耗在片選有效時(shí)（不論OE和WE如何）將比片選無(wú)效時(shí)大100倍以上，所以應(yīng)盡可能使用CS來(lái)控制芯片，并且在滿足其它要求的情況下盡可能縮短片選脈沖的寬度。

3.2 軟件系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計(jì)

在整機(jī)的整體設(shè)計(jì)中，在軟硬件效率差不多的情況下，遵循硬件軟件化的原則，盡量壓縮硬件，用軟件來(lái)代替以往硬件實(shí)現(xiàn)的功能。如對(duì)數(shù)放大電路、抗干擾電路等；

選用較低的時(shí)鐘頻率；

不采用CPU查詢的工作方式，而要用中斷地工作方式，減少CPU的工作時(shí)間，充分利用單片機(jī)的等待模式，在鍵盤輸入、A/D轉(zhuǎn)換等場(chǎng)合均應(yīng)采用信號(hào)中斷方式；

充分利用單片機(jī)定時(shí)/計(jì)時(shí)器進(jìn)行定時(shí)和計(jì)數(shù)，而不采用軟件循環(huán)計(jì)時(shí)的工作方式，這樣可以利用單片機(jī)的等待模式；

在工作程序的設(shè)計(jì)中有許多人機(jī)對(duì)話和單片機(jī)工作間隙，這些CPU工作的空襲要在軟件設(shè)計(jì)中盡量使單片機(jī)進(jìn)入等待模式來(lái)降低功耗。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中以AT89S52作為核心所制作的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)[8]系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，成本歷練，可靠性強(qiáng)，功耗低。采用的SHT75溫濕度傳感器很好的解決了單片機(jī)資源緊張的問(wèn)題，并且提供了可靠的溫濕度數(shù)據(jù)。時(shí)間芯片DS1302為本系統(tǒng)提供精確的時(shí)間，使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作而不需要校對(duì)時(shí)間，系統(tǒng)進(jìn)入掉電模式時(shí)仍能工作，在節(jié)點(diǎn)輸出數(shù)據(jù)時(shí)提供精確的參考時(shí)間。除此以外，硬件和軟件兩方面的低功耗考慮也使本設(shè)計(jì)功耗取得預(yù)期的結(jié)果。

[1] CAELE J，SIMPlOT-RYL D.Energy-efficient area monitoring for sensor networks[J].IEEE Computer Society，2004，37（2）:40-46.

[2] Atmel Corporation.AT89S52 Data Sheet[EB/OL].[2008-06-01].http://www.atmel.com/Images/doc1919.pdf.

[3] Maxim Integrated.DS1302 Data Sheet[EB/OL].[2008-12-02].http://pdfserv.maximintegrated.com/en/ds/DS1302.pdf.

[4] 申建軍.串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷芯片DS1302的特性及其應(yīng)用[EB/OL].[2005-03-03].http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200503-18.

[5] 謝剛.16X2字符型液晶顯示模塊的驅(qū)動(dòng)[EB/OL].[2006-10-13].http://www.xie-gang.com/yjmk.htm.

[6] Sensirion Co.SHT7x Data Sheet[EB/OL].[2011-12-01].http://www.sensirion.com/fileadmin/user_upload/customers/sensirion/Dokumente/Humidity/Sensirion_Humidity_SHT7x_Datasheet_V5.pdf

[7] Microsemi Integrated.LX1970 Data Sheet[EB/OL].[2008-01-25].http://www.microsemi.com/datasheets/lx1970.pdf.

[8] 韋然.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技，2012（1）:31-35.WEI Ran.Design and implementation of the wireless sensor network node[J].Electronic Science and Technology，2012（1）:31-35.