線型WSN網(wǎng)絡節(jié)點的設計

張捐凈 聶萌瑤

摘要：本文從線型WSN網(wǎng)絡的特點出發(fā)，提出了一種適用于線型網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點的硬件設計方案，主要論述了傳感器節(jié)點核心電路的設計，包括處理器模塊和射頻模塊，此外還有傳感器模塊設計和電源電路以及調(diào)試接口的設計，經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能夠完成網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)墓δ?，證明系統(tǒng)節(jié)點的硬件設計可以使用，對于無線傳感無網(wǎng)絡的構(gòu)建具有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞：線型WSN;網(wǎng)絡節(jié)點

中圖分類號：TP393? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1009-3044（2018）31-0051-02

1 概述

近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展與應用的普及，它已經(jīng)滲透到生活中的各個方面，比如：在軍事上，敵方兵力和裝備的監(jiān)控、戰(zhàn)場實時監(jiān)視等;在環(huán)境監(jiān)測方面，農(nóng)作物灌溉、土壤、空氣、家禽牲畜的環(huán)境監(jiān)測等;在醫(yī)療護理方面，醫(yī)院的藥物管理、人體生理數(shù)據(jù)的采集與檢測，醫(yī)患互動的監(jiān)控等;在智能家居方面，利用遠程監(jiān)控完成對家電的遙控等;在建筑物狀態(tài)監(jiān)控方面，利用WSN監(jiān)控它的狀態(tài)及時發(fā)現(xiàn)存在的安全隱患并傳遞給后臺管理人員。當然，WSN還有很多其他方面的應用，它改變了人類與自然界交互的方式，將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，人們利用它直接感知客觀世界，從而極大的擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡的功能和人類認識世界的能力。因此，WSN被列為21世紀最有影響力的21項技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。

線型WSN是一種特殊類型的傳感器網(wǎng)絡，它所監(jiān)控的區(qū)域類似于線性結(jié)構(gòu)，廣泛應用在高速公路，河流，火車軌道，輸變電線等的監(jiān)測系統(tǒng)中。此種網(wǎng)絡的主要特點是：數(shù)據(jù)傳輸距離遠并且路徑單一，傳感器節(jié)點沿著監(jiān)測成線型布設;根據(jù)Zigbee協(xié)議設備在網(wǎng)絡中擔當?shù)慕巧?，線性區(qū)域中一般會有多個終端節(jié)點和路由節(jié)點，但是距離后臺的控制中心一般只有一個中心節(jié)點，也就是SINK節(jié)點，它是網(wǎng)絡主要的數(shù)據(jù)處理單元。

線型WSN的基本組成單元是傳感器節(jié)點，大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，由于考慮到節(jié)點的微型化、擴展性和靈活性、穩(wěn)定性和安全性、低成本的特性，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。在實際的應用中，根據(jù)節(jié)點在網(wǎng)絡中充當?shù)慕巧煌?，傳感器?jié)點分為以上三種類型，而且三種類型節(jié)點的基本功能是相同的。終端節(jié)點是網(wǎng)絡的前端觸角，負責監(jiān)測區(qū)域的信息采集、傳輸和簡單的處理，一般由以下部分組成：傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、能量供應模塊和外圍模塊。由于長期放置在無人值守的野外，環(huán)境比較惡劣，更換電池不太方便，因此節(jié)點的設計一定要考慮低功耗的特性要求。終端節(jié)點的完整結(jié)構(gòu)如圖1所示。但是匯聚節(jié)點不包括傳感器模塊，它是數(shù)據(jù)處理中心，負責接收返回的數(shù)據(jù)和向其他節(jié)點發(fā)送命令，因此加入與上位機通信的RS232串口模塊。同樣路由器節(jié)點也不包括傳感器模塊，它的實際作用只是數(shù)據(jù)信息的中轉(zhuǎn)站，距離匯聚節(jié)點較遠的節(jié)點通過它的中轉(zhuǎn)傳輸信息。

2 傳感器節(jié)點核心電路設計

傳感器網(wǎng)絡是一種和應用相關(guān)的網(wǎng)絡，不同的應用需求配套不同的網(wǎng)絡模型、軟件系統(tǒng)和硬件平臺。節(jié)點的核心電路主要是處理器模塊和無線通信模塊，目前節(jié)點的核心硬件設計主要分為以下兩種類型。

1）MCU+RF模塊

節(jié)點采用全球通用的開放頻段2.4GHZ進行無線通信，以低功耗的單片機作為處理器芯片，同時選擇內(nèi)嵌ZIGBEE協(xié)議的無線收發(fā)芯片組成節(jié)點的核心電路。雖然單片機技術(shù)目前發(fā)展比較成熟，使用方便，易于控制，但是拓展性不是很好。后期的擴展存在局限性。而且如果自己設計硬件還需要考慮到端口的匹配，端口的驅(qū)動能力等影響。一種簡單的MUC+RF設計策略如下圖2所示。

2）SOC設計

隨著電子技術(shù)的進步，集成電路（IC）制造工藝的迅速發(fā)展，片上系統(tǒng)（SOC）得到了越來越廣泛的應用。SOC實現(xiàn)了在一塊微型芯片上將系統(tǒng)的處理器模塊、算法模塊以及各層次的電路和器件等設計整合到一起，完成整個系統(tǒng)的功能。和傳統(tǒng)IC搭建的電子系統(tǒng)相比較，SOC具有以下的優(yōu)點：低功耗;由于集成度較高，減少了芯片對外連接的管腳數(shù)，相應減少了外圍接口電路和驅(qū)動電路，同時內(nèi)嵌的線路減少了系統(tǒng)信號之間的干擾，因此它具有高可靠性;開發(fā)成本較低;開發(fā)周期短。此種設計在一定程度上能夠簡便的實現(xiàn)系統(tǒng)功能，同時提高了系統(tǒng)性能，降低了開發(fā)的成本，因此本文使用這種設計策略。選擇適用于傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計的一款片上系統(tǒng)CC2530。

CC2530內(nèi)嵌Zigbee協(xié)議，采用全球通用的收發(fā)頻段2.4GHZ是一款真正地將IEEE 802.15.4Zigbee和RF4集成在一起的片上系統(tǒng)。它內(nèi)嵌有標準的增強型8051內(nèi)核，結(jié)合RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，可以實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，具有8KB的隨機存儲器（RAM）以及其他強大的功能。此外它可以有幾種不同的運行模式，根據(jù)不用的應用選擇不同的模式，使得它尤其適用于超低功耗要求的系統(tǒng)，同時不同的模式間相互轉(zhuǎn)換需要的時間很短也能進一步降低能源的消耗。CC2530設計電路原理圖如圖3所示。

3 外圍模塊的設計

WSN網(wǎng)絡要構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，就要達到擴展性、靈活性和高效性的要求，因此需要外部支持系統(tǒng)。外圍模塊的設計一般包括外部存儲器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和外部接口電路以及電源模塊等。由于CC2530芯片本身內(nèi)部具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，而且存儲空間很大，可以直接使用，不需要外部轉(zhuǎn)換電路和外擴存儲器。

1）電源電路設計

電源電路是節(jié)點的能量供應單元，實際應用過程中通常采用電池供電。協(xié)調(diào)器一般都能與PC機直接通信，它可以使用接口作為電源使用，但是因為接口和芯片所需的電壓有差，于是需要加入旁路電容來控制電壓的輸入輸出。電源電路如圖4所示。

2）調(diào)試接口的設計

協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡的中心節(jié)點，它負責全網(wǎng)數(shù)據(jù)的上傳和命令的下達。為了實現(xiàn)它和PC的相互通信，設計USB調(diào)試接口，能夠直接和電腦連接。如圖5所示。

4 結(jié)論

系統(tǒng)硬件設計完成之后，在實驗室的條件下進行了硬件測試。終端節(jié)點搭載了溫濕度傳感器SH11進行模擬調(diào)試，它是一種數(shù)字傳感器，接口簡單，使用方便。中間布置了4個路由器節(jié)點，網(wǎng)絡內(nèi)有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點直接和PC機相互連接，用來接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)并上傳給PC機，顯示結(jié)果如圖6所示。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能夠完成網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)墓δ?，證明系統(tǒng)節(jié)點的硬件設計可以使用，對于無線傳感無網(wǎng)絡的構(gòu)建具有一定的指導意義。