一種新型多用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

崔麗珍， 李 璋， 史明泉

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSNs)是一種低成本、低功耗、自組織性強(qiáng)、易于維護(hù)的小型區(qū)域化無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。目前常用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)其主控單片機(jī)與無線射頻模塊多為綁定形式，其無線通信頻段固定，只適用于某一種特定環(huán)境。

本文提出一種新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，此平臺(tái)創(chuàng)新點(diǎn)在于可自由搭配無線通信單元，實(shí)現(xiàn)“一平臺(tái)多用”這一設(shè)計(jì)目標(biāo)，即使無線信道環(huán)境改變也只需更換無線射頻模塊和適當(dāng)修改程序代碼而無需更換平臺(tái)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)通常應(yīng)用在惡劣環(huán)境中并采用電池供電，故低功耗設(shè)計(jì)也是本平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求之一[2]。此外，為方便用戶進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，本平臺(tái)選用目前國內(nèi)市場(chǎng)占有率較高的純51核心單片機(jī)作為主控單元，大幅度降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)程序的開發(fā)難度。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件組成

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由多種功能不同的硬件節(jié)點(diǎn)組成，單個(gè)節(jié)點(diǎn)一般包括主控單片機(jī)、無線通信模塊、硬件設(shè)備擴(kuò)展接口、用戶操作及指示電路，上位機(jī)通信電路和電源供給電路。按硬件結(jié)構(gòu)劃分，目前常用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)主要采用2種設(shè)計(jì)形式：一體式設(shè)計(jì)方案與分體式設(shè)計(jì)方案[3]。

一體式平臺(tái)設(shè)計(jì)方案指主控單片機(jī)與無線射頻單元合二為一的平臺(tái)方案，這類平臺(tái)也叫做片上系統(tǒng)(system on chip， SoC)，例如：TI公司的CC2430,CC2530等。此種平臺(tái)只需設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搭建相對(duì)容易。但其無線射頻發(fā)送接收頻段被限制，主控與射頻單元無法自由搭配；功耗相對(duì)較高，其正常工作電流約為60 mA；同時(shí)，這類平臺(tái)的程序開發(fā)通常必須結(jié)合TI公司協(xié)議棧Z-STACK且需一定的操作系統(tǒng)知識(shí)，對(duì)開發(fā)者素質(zhì)有較高的要求。

分體式設(shè)計(jì)方案為MCU+RF設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，目前常見的此種平臺(tái)主要有Atmega128+CC2420平臺(tái)、MSP430+CC2420平臺(tái)等，其特征在于，主控單片機(jī)與無線通信模塊分離，兩者之間通過數(shù)據(jù)線交換信息，硬件設(shè)計(jì)者可根據(jù)需要進(jìn)行主控單片機(jī)芯片和無線通信模塊的選型，平臺(tái)設(shè)計(jì)靈活度很高。同時(shí)，采用分體式設(shè)計(jì)方案，節(jié)點(diǎn)平臺(tái)的功耗和無線通信頻段可根據(jù)具體情況來定制，能夠滿足絕大部分無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求[4]。因此，本平臺(tái)設(shè)計(jì)采用分體式設(shè)計(jì)方案。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)部分包括：主控單元選型、多功能射頻模塊接口設(shè)計(jì)、硬件擴(kuò)展接口及其他外圍電路的設(shè)計(jì)等內(nèi)容，整體設(shè)計(jì)構(gòu)架如圖1,硬件節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖2。

圖1 硬件設(shè)計(jì)原理框圖

圖2 硬件設(shè)計(jì)原理框圖

2.1 主控單片機(jī)選型

本次設(shè)計(jì)選用運(yùn)行速度快、程序空間大、外部I/O引腳較多、外圍電路簡(jiǎn)單、片上硬件資源豐富的IAP15F(L)2K61S2型號(hào)單片機(jī)作為主控單元。該單片機(jī)采用增強(qiáng)型1T高速8051處理單元，運(yùn)行速度為普通51單片機(jī)的12倍以上；片內(nèi)集成61kB Flash ROM程序存儲(chǔ)器和2kB擴(kuò)展XDATA數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；提供2個(gè)全雙工UART串行口和1個(gè)SPI串行外圍接口；片上集成8路10位A/D轉(zhuǎn)換器；包含內(nèi)置高精度RC振蕩器和自復(fù)位電路；內(nèi)部硬件資源結(jié)構(gòu)與普通51單片機(jī)基本相同，程序開發(fā)可采用目前廣泛應(yīng)用于51單片機(jī)的C51語言及傳統(tǒng)匯編語言，方便二次開發(fā)；支持ISP在系統(tǒng)可編程和IAP在應(yīng)用可編程功能，可進(jìn)行在線編程并可實(shí)現(xiàn)斷電數(shù)據(jù)保存；支持硬件在線仿真；工作電流較小，正常工作4～6 mA，休眠狀態(tài)小于1 μA，完全符合低功耗的設(shè)計(jì)要求。

2.2 多用無線通信模塊接口設(shè)計(jì)

本平臺(tái)無線射頻單元為自由搭配式，系統(tǒng)開發(fā)人員可根據(jù)實(shí)際信道特點(diǎn)選擇無線通信模塊。不同種類的無線模塊引腳數(shù)量和定義各不相同，需通過引腳轉(zhuǎn)接板與主控板連接。本平臺(tái)射頻模塊接口分為主控板上用于插接引腳轉(zhuǎn)接板的通用射頻模塊接口和用于插接無線模塊的引腳轉(zhuǎn)接板兩部分。

本平臺(tái)提供多種引腳轉(zhuǎn)接板，每個(gè)轉(zhuǎn)接板提供至少一種無線射頻模塊插座，以適配于不同種類的無線通信模塊，從而實(shí)現(xiàn)一平臺(tái)多用這一設(shè)計(jì)目標(biāo)。接口電路原理圖如圖3所示。

圖3 多用射頻模塊接口原理圖

2.3 硬件設(shè)備擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)需配合傳感器等擴(kuò)展設(shè)備使用，本平臺(tái)設(shè)備擴(kuò)展接口提供TTL數(shù)字式I/O接口和包含濾波限流電路的A/D轉(zhuǎn)換AD接口，用于連接不同類型的傳感器設(shè)備。為保證擴(kuò)展設(shè)備正常工作，本擴(kuò)展接口還提供5 V與3.3 V 2種電壓標(biāo)準(zhǔn)的電源供給接口[5]。本單元設(shè)計(jì)電路原理圖如圖4所示。

2.4 用戶操作與指示電路設(shè)計(jì)

本平臺(tái)用戶操作電路為微動(dòng)開關(guān)直接連接式，主控單片機(jī)可在開關(guān)按鍵被按下時(shí)立刻感應(yīng)相應(yīng)信號(hào)并進(jìn)行處理，提高了系統(tǒng)控制靈敏度；與之對(duì)應(yīng)，狀態(tài)指示電路使用發(fā)光二級(jí)管串聯(lián)電阻與單片機(jī)引腳相連，采用這種控制方式既可實(shí)時(shí)反映程序狀態(tài)，也將控制程序代碼簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的編程速度，降低了平臺(tái)程序設(shè)計(jì)難度。

圖4 硬件擴(kuò)展接口原理圖

2.5 上位機(jī)通信電路設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)需傳輸?shù)缴衔粰C(jī)才能進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境[6]。本節(jié)點(diǎn)提供DB9串行口和USB接口2種上位機(jī)通信接口。平臺(tái)所選單片機(jī)提供2個(gè)串行口，因此，為便于接口切換，硬件設(shè)計(jì)時(shí)提供跳線組供轉(zhuǎn)換接口連接關(guān)系，使單片機(jī)2個(gè)串行口可以自由連接DB9串行口和USB接口。

DB9串口部分采用SP232 電平轉(zhuǎn)換芯片配合電解電容器實(shí)現(xiàn)TTL與RS—232電平標(biāo)準(zhǔn)變換，以適配于計(jì)算機(jī)串行口。USB接口部分采用CH341時(shí)序轉(zhuǎn)換芯片配合外圍電路將串行口數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)序轉(zhuǎn)為USB接口時(shí)序，使其能夠在芯片驅(qū)動(dòng)程序作用下與上位機(jī)USB接口通信。通過這兩部分電路可使單片機(jī)串行口與通用計(jì)算機(jī)通信接口完全匹配，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)通信功能。

2.6 電源供給電路設(shè)計(jì)

本平臺(tái)設(shè)計(jì)外接電源和干電池2種電源供給方式，以方便在不同環(huán)境中使用。

為保證硬件平臺(tái)安全運(yùn)行且延長節(jié)點(diǎn)使用壽命，本硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了電源/干電池供電自動(dòng)切換電路，兩者之間通過同軸電源插座內(nèi)置開關(guān)配合截流二極管實(shí)現(xiàn)切換功能，當(dāng)外部電源或USB數(shù)據(jù)線連接到節(jié)點(diǎn)平臺(tái)時(shí)，電池電路自動(dòng)截止，改由外部電源供電。此種設(shè)計(jì)也可防止在使用外部電源時(shí)電池處于充電狀態(tài)，消除因無形充電導(dǎo)致電池爆炸造成事故的隱患。電源接口部分設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 電源接口電路原理圖

3 平臺(tái)性能參數(shù)評(píng)估

3.1 平臺(tái)功耗測(cè)試

本測(cè)試采用結(jié)果較為精確的電壓電流監(jiān)視法來確定節(jié)點(diǎn)功耗這一重要指標(biāo)[7]。

本測(cè)試選用的Si4432射頻芯片內(nèi)部設(shè)有TX_POWER寄存器用于控制該模塊的發(fā)射功率，測(cè)試前根據(jù)芯片技術(shù)手冊(cè)將其功率設(shè)置為最大，此時(shí)測(cè)得的功率即為平臺(tái)最大功率。

首先編寫一組包含串口數(shù)據(jù)傳輸功能的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信程序，發(fā)送端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和無線傳輸；接收端將接收的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。測(cè)試前關(guān)閉無線通信模塊，測(cè)得單片機(jī)和外圍電路的總電流即平臺(tái)靜息電流是50 mA。由于節(jié)點(diǎn)在工作中其功耗值隨無線射頻部分工作情況不斷變化，所以,本次測(cè)試使用時(shí)間段監(jiān)視法來獲得節(jié)點(diǎn)的工作電流變化趨勢(shì)。此處獲取發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)兩組電流變化數(shù)據(jù)。

表1為發(fā)送節(jié)點(diǎn)平臺(tái)工作1 min內(nèi)的電流變化情況。在此時(shí)間段中，平臺(tái)的最大工作電流為56 mA；最小工作電流為46 mA。

表1 發(fā)送節(jié)點(diǎn)1 min內(nèi)電流變化數(shù)據(jù)

在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，由于使用恒壓開關(guān)電源供電，節(jié)點(diǎn)的工作電壓固定為5 V，則其最大功率為5 V×56 mA=280 mW。在節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)，發(fā)送節(jié)點(diǎn)實(shí)際功耗將遠(yuǎn)小于或等于此數(shù)值。

接收節(jié)點(diǎn)平臺(tái)工作1 min內(nèi)的電流變化情況見表2。

表2 接收節(jié)點(diǎn)1 min內(nèi)電流變化數(shù)據(jù)

在接收模式中，平臺(tái)的最大工作電流是50 mA，為靜息電流；最小工作電流為44 mA，此時(shí)無線射頻模塊處于被動(dòng)接收狀態(tài)，單片機(jī)處于空閑狀態(tài)。

從接收節(jié)點(diǎn)電流變化情況可知，無線射頻模塊處于接收狀態(tài)下工作電流較小，且其工作時(shí)主控單片機(jī)處于空閑模式，所以,節(jié)點(diǎn)在接收數(shù)據(jù)時(shí)功耗小于靜息電流；而當(dāng)數(shù)據(jù)接收完成后主控單片機(jī)恢復(fù)到正常工作模式開始處理數(shù)據(jù)，所以，此狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)功耗較大。通過功耗測(cè)試可知，本無線傳感器平臺(tái)最大功耗值為280mW，開發(fā)者可設(shè)定無線模塊的發(fā)射和接收功率以降低功耗，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)低功耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3.2 無線通信距離測(cè)試

通信距離測(cè)試采用數(shù)據(jù)單向發(fā)送方式進(jìn)行。硬件部分采用Si4432無線射頻模塊，軟件部分編寫一對(duì)單向數(shù)據(jù)包發(fā)送接收程序來進(jìn)行測(cè)試。發(fā)送端程序每隔0.5 s發(fā)送一組64 bytes數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)使用平臺(tái)上發(fā)光二級(jí)管閃爍提醒發(fā)送狀態(tài)。接收端用相同方法提示是否已接收到數(shù)據(jù)包。

測(cè)試程序設(shè)定無線模塊為中等發(fā)射功率，此狀態(tài)下可測(cè)出本平臺(tái)在搭載Si4432模塊時(shí)其無線通信的有效距離。本次測(cè)試條件分為可視環(huán)境與非可視環(huán)境2種，具體測(cè)試數(shù)據(jù)情況見表3。

表3 通信距離測(cè)試數(shù)據(jù)

通過傳輸距離測(cè)試可知,此平臺(tái)無線通信距離可滿足一般的智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的技術(shù)要求，同時(shí)該平臺(tái)的無線通信距離仍有較大的調(diào)整空間。

3.3 丟包率測(cè)試

丟包率測(cè)試程序在發(fā)送端設(shè)定一個(gè)數(shù)據(jù)幀編號(hào)并存入待發(fā)送數(shù)據(jù)包中，每完成一次發(fā)送時(shí)，此變量值自加并存入進(jìn)行下一次發(fā)送，每個(gè)數(shù)據(jù)包都將包含此數(shù)據(jù)幀的編號(hào)。

接收端程序內(nèi)部設(shè)置一個(gè)變量來存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)幀數(shù)量，每接收一幀數(shù)據(jù)此變量自加，同時(shí)將收數(shù)據(jù)幀的編號(hào)提取并通過串行口發(fā)送至計(jì)算機(jī)。測(cè)試時(shí)只需比較接收數(shù)據(jù)包數(shù)量和最大數(shù)據(jù)包編號(hào)即可得知丟包數(shù)量并計(jì)算出丟包率。

移動(dòng)方式為可視范圍和非可視范圍移動(dòng)2種，移動(dòng)距離均為80 m，此區(qū)段內(nèi)各發(fā)送300個(gè)數(shù)據(jù)包。

在可視移動(dòng)范圍內(nèi)串口終端接收到接收節(jié)點(diǎn)最后5個(gè)數(shù)據(jù)包編號(hào)與接收數(shù)據(jù)包總數(shù)見表4。

表4 可視范圍內(nèi)接收數(shù)據(jù)表

在可視移動(dòng)環(huán)境中，本平臺(tái)信號(hào)穩(wěn)定性較好，通信可靠性高，丟包率很低。

非可視移動(dòng)范圍串口終端接收到數(shù)據(jù)情況見表5。

通過這組數(shù)據(jù)可以得出，非可視環(huán)境中的數(shù)據(jù)丟包率為3.67 %。

表5 非可視范圍接收數(shù)據(jù)表

由于非可視環(huán)境中無線電波信號(hào)因受到多種建筑物構(gòu)件的阻擋而發(fā)生反射和衰減，使其能量大幅度耗散,且本次測(cè)試選擇的環(huán)境為結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的建筑物內(nèi)，多徑傳輸也導(dǎo)致無線通信的可靠性降低，由上述原因造成的信號(hào)損耗將進(jìn)一步加劇，因而，在非可視環(huán)境中數(shù)據(jù)丟包率相對(duì)較高。但在通常使用情況下，其丟包率將遠(yuǎn)小于上述測(cè)試值。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的新型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)具備高性能、低功耗、應(yīng)用程序開發(fā)方便等特點(diǎn)，且可適用于多種參數(shù)不同的無線信道，滿足不同的設(shè)計(jì)需求。該平臺(tái)最大功耗為280 mW，滿足低功耗設(shè)計(jì)指標(biāo)；無線通信實(shí)際距離達(dá)到120 m，符合一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用要求；正常使用時(shí)丟包率很低，僅為0.667 %，通信可靠性很好。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新型技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，各種不同的無線傳感器硬件平臺(tái)為順應(yīng)市場(chǎng)需要被研制和推廣，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。

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