無線傳感器的網(wǎng)絡節(jié)點之硬件設計

　　圖8中虛線左側是由LM331 芯片構成的頻率/ 電壓（F/V） 轉換電路。圖2-2-5中輸出的反映濕度信息的變頻脈沖信號fo經(jīng)C2R 網(wǎng)絡接入LM331的比較器閾值端6腳，脈沖的下降沿引起輸入比較器觸發(fā)定時電路，1 腳流出的平均電流為：iAv E = i （1. 1 R8 C4 ） ×f O （1）此電流經(jīng)RC 網(wǎng)絡濾波即可獲得與f o 脈沖信號頻率成正比的直流電壓[ 6 ] :V out = f o ×2. 09V ×（ R9 / Rs ） ×（ R8 C4 ） （2）該部分F/ V 轉換器是輸出信號的電壓正比于輸入信號的頻率的線性變化電路，F(xiàn)/ V 轉換電路輸出呈0～5 V 之間的線性模擬電壓變化量，對應于相對濕度0～100 %RH 的變化。

圖8

　　我們也可以采用另一種集成的濕度傳感器設計方案，它采用DHT11數(shù)字濕度傳感器，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。由于其外圍電路比較簡單，在這里就不在贅述。

　　2.3 處理器及通信模塊設計

　　2.3.1 節(jié)點處理器

　　在無線傳感器節(jié)點各單元中，核心單元為處理器單元以及射頻單元。處理器單元決定了節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力，路由算法的運行速度以及無線傳感器網(wǎng)絡形式的復雜程度。而且不同處理器工作頻率不同，在不同狀態(tài)下消耗功率也不相同，因此不同處理器的選用也在一定程度上影響了節(jié)點的整體能耗和節(jié)點的工作壽命。射頻單元的選擇直接影響了無線通信使用的頻段、節(jié)點間數(shù)據(jù)通信的收發(fā)速率以及節(jié)點的通信距離等。

　　根據(jù)具體應用的需求，目前節(jié)點平臺中的處理器有以下幾種選擇：（1） ATMega128L芯片是ATMEL公司生產(chǎn)的AVR系列處理器。該系列處理器為增強RISC 內(nèi)載閃存（Flash）的芯片。（2）MSP430系列單片機是德州儀器（TI）公司的一種混合信號控制器，其最顯著的特點就是具有超低功耗特性。（3）若需要無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)復雜的數(shù)據(jù)處理功能以及復雜的路由協(xié)議等，就要采用功能更強大的處理器來滿足數(shù)據(jù)計算量的要求。具有代表性的是英特爾（Intel）公司生產(chǎn)的imote2節(jié)點采用的PXA270處理器。該處理器最高主頻達624MHz，具有極強的計算能力，足以應付包括視頻在內(nèi)的各種復雜數(shù)據(jù)處理需求。（4）此外為了降低節(jié)點的成本，一些平臺采用了通用的8051處理器，如AT89C52。這類處理器具有貨源充足、價格便宜、使用簡單等特點，為價格敏感的應用提供了解決方案。

　　2.3.2 節(jié)點射頻通信單元

　　在無線傳感器網(wǎng)絡中，廣泛應用的底層通信方式包括使用ISM波段 的普通射頻通信以及具有802.15.4協(xié)議和藍牙通信協(xié)議的射頻通信。使用普通ISM頻段的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主要采用的射頻芯片包括Chipcon公司生產(chǎn)的CC1000，Nordic公司生產(chǎn)的nrf903，Semtech公司生產(chǎn)的XE1205。還有部分無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點使用了帶有802.15.4/ZigBee協(xié)議的通信芯片，主要包括Chipcon公司的CC2420芯片，RFWave公司的RFW102芯片組。

　　為了滿足節(jié)點體積微型化的需要，人們相繼推出了多款整合了處理器和射頻單元的芯片，下面是幾種ZigBee解決方案的對比：

　　當然最具代表性的是Chipcon AS公司推出的CC2430、CC2431芯片，它們提供了簡單方便的ZigBee/IEEE 802.15.4低功耗無線傳感器網(wǎng)絡解決方案，為節(jié)點平臺的微型化提供了可能。

　　CC2430芯片在以往CC2420射頻芯片的基礎上整合了微處理器，存儲單元以及ZigBee 射頻（RF）前端。這樣在使用極少外圍器件的情況下就可以實現(xiàn)節(jié)點方案。處理器采用了8位的8051處理器，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還具有多種內(nèi)部資源，如模擬數(shù)字轉換器、定時器、看門狗等，使系統(tǒng)的設計開發(fā)更為方便。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流為27 mA。在接收和發(fā)射模式下，電流分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的時間極短的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

　　CC2431是在CC2430以及摩托羅拉基于IEEE 802.15.4標準的無線電定位解決方案的基礎上，集成在單一硅芯片上的系統(tǒng)解決方案，不僅具有CC2430的相關特點還具有硬件定位的功能。

　　圖10為CC2431的功能模塊圖。

圖10