基于CC2531的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2011-01-17 來源：網(wǎng)絡(luò)

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為方便選擇不同種類的傳感器，我們將各I／O口連接到統(tǒng)一的傳感器排針接口上，并將具有A／D功能的I／O與GPIO在電路板上進(jìn)行了劃分，以防止數(shù)模串?dāng)_。這種設(shè)計(jì)增強(qiáng)了可擴(kuò)展性和靈活性。為實(shí)現(xiàn)對(duì)I／O口的高效利用，設(shè)計(jì)中有部分I／O進(jìn)行了復(fù)用。復(fù)用后最多可以有
6路A／D以及9路GPIO供采集多路模擬傳感器信號(hào)和數(shù)字傳感器信號(hào)使用，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇傳感器和連接接口。由于采集的數(shù)據(jù)量較大，而 CC2531自帶的內(nèi)存需要存儲(chǔ)程序，不能滿足存儲(chǔ)要求，所以需要外接存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)選用Ramtron公司帶SPI接口的鐵電存儲(chǔ)器FM25L2 56，它具有高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、功耗低、可擦寫次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)。選取CC2531提供的SPI接口1(即P0．2～P0．5四個(gè)引腳)與FM25L256連接，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其接口電路如圖5所示。

3．3 無線通信模塊
無線通信模塊作為系統(tǒng)中重要的數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)了采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)、采集節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸及組網(wǎng)功能。本設(shè)計(jì)中，CC2531與 CC2591聯(lián)合使用構(gòu)成無線通信模塊。CC2591為TI公司面向低功耗與低電壓無線應(yīng)用的、集成度最高的2．4 GHz射頻前端。它集成了功率放大器(可將輸出功率提高+22 dBm)、低噪聲放大器(可將接收機(jī)靈敏度提高+6 dB)、平衡轉(zhuǎn)換器(balun)、交換機(jī)、電感器和RF匹配網(wǎng)絡(luò)等，從而能夠顯著增大無線系統(tǒng)的覆蓋范圍，降低系統(tǒng)安裝成本。這種高集成度簡化了高性能設(shè)計(jì)工作，使客戶能用極少的外部組件開發(fā)出高輸出功率的無線解決方案。CC2591為CC2531提供了無縫接口，對(duì)于加速系統(tǒng)開發(fā)、改善系統(tǒng)RF性能方面具有很大幫助。其連接電路如圖6所示。其中，B1為磁珠，作濾波用，推薦型號(hào)BLMl5HG102SN1D。

TI公司為CC2591與CC2531之間的連接提供一個(gè)緊湊的參考設(shè)計(jì)，并提供了PCB板參數(shù)。PCB板經(jīng)過仿真驗(yàn)證后參照參考設(shè)計(jì)繪制，對(duì)電源、地的布局進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。同時(shí)，天線的信號(hào)走線進(jìn)行了阻抗匹配設(shè)計(jì)，使到達(dá)天線端阻抗為50 Ω，并且PCB板上使用村田公司的高頻分立元件，以達(dá)到較好的信號(hào)傳輸效果，增加節(jié)點(diǎn)間的無線通信距離。
3．4 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)信號(hào)的調(diào)理。選用EC21B型高動(dòng)態(tài)性能測(cè)風(fēng)傳感器和PTS-3型空氣濕度傳感器。采用排針接口設(shè)計(jì)，如果需要用于其他的應(yīng)用場(chǎng)合，只需更換不同的傳感器(包括信號(hào)調(diào)理部分)并采用排線連接即可，大大擴(kuò)展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。
EC21B型高性能測(cè)風(fēng)傳感器為三杯式、單尾翼型測(cè)風(fēng)傳感器，風(fēng)杯為一體式。該傳感器只需5 V電壓即可工作，輸出信號(hào)為RS485數(shù)字信號(hào)。為采集傳感器信號(hào)，需要對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)選用了Exar半導(dǎo)體公司的SP3494芯片，實(shí)現(xiàn)了RS485信號(hào)和TTL信號(hào)的雙向轉(zhuǎn)換。SP3494是一個(gè)半雙工的轉(zhuǎn)換速率部分受限的收發(fā)器，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)2．5 Mbps，含有低功耗關(guān)斷模式和驅(qū)動(dòng)器／接收器高阻使能控制線。測(cè)風(fēng)傳感器信號(hào)調(diào)理電路如圖7所示。SP3494的接收器輸出端(R0)、發(fā)送器輸入端 (DI)及使能端(、DE)通過排針與I／O接口連接；同相發(fā)送器輸出／接收器輸入端(A)、反相發(fā)送器輸出／接收器輸入端(B)與傳感器信號(hào)線連接。

PTS-3型空氣濕度傳感器需要5 V直流電壓供電，只需一根信號(hào)輸出線，輸出電壓范圍為1～4 V模擬信號(hào)。為了使PTS-3輸出的模擬電壓能夠被CC2531正確采樣，需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使其輸出信號(hào)更加穩(wěn)定且電壓值不超過基準(zhǔn)電壓?？諝鉂穸葌鞲衅餍盘?hào)調(diào)理電路如圖8所示。U1為傳感器接口，5 V電源向傳感器供電，傳感器的輸出信號(hào)(1～4 V)通過精密電阻1／2分壓后送入由P354構(gòu)成的射隨器，并最終將信號(hào)送入CC2531的一個(gè)ADC通道。

結(jié)語
基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、體積小的顯著優(yōu)點(diǎn)，可在特殊環(huán)境下實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)信號(hào)的采集傳輸與處理。Zig-Bee新一代 SoC芯片CC2531是真正的片上系統(tǒng)解決方案，適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)測(cè)等系統(tǒng)的開發(fā)。伴隨新的能量解決方案的提出及無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用到更多領(lǐng)域。