无线传感器开发系统的设计及实现

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1、无线传感器开发系统的设计及实现摘要：设计并实现了一种低功耗、通用性好的无线传感器节点，重点介绍了开发板的软、硬件设计，充分考虑了节能和扩展性的需求。系统支持多种目标文件格式。　　微电子和无线通信技术的飞速发展，使得低功耗、低成本、体积微小的传感器网络的研制成为可能。这种网络的节点被放置在目标区域中，自组网络，采集数据，通过无线通信设备将数据经多跳传送到基站，由Intemet或其他有线网络传到用户终端。传感器网络的应用非常广泛，可用于环境检测、军事探测、医疗保健等各个部门。它的应用将对人们的生活方式产生深远的影响，该技

2、术被美国《商业周刊》评为未来四大高技术产业之一。　　本文介绍了一种无线传感器开发系统的设计方法．包括节点和开发板。节点具有功耗低、通用性好的特点，带有多种传感器，可以感知温度、湿度和光等，并带有扩展口。开发板用于配置节点和下载程序。开发板具有友好的上位机用户界面，并支持多种编译系统生成的不同目标文件格式。　　1节点的硬件设计　　传感器节点的硬件结构主要由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成。传感器节点一般采用电池供电，由于节点放置在危险或不易到达的区域，更换电池几乎是不可能，因此节能成为设计的关键技术，此外，还

3、要控制成本和体积。设计的节点硬件框图如图1所示。　　1．1微处理器模块　　微处理器选用ATMEL公司的ATMELGAl28L。该芯片功耗低，且有多种睡眠模式；多个中断源，53个10口，可以连接多个传感器扩展口；内带8路10位A／D转换器，可以将传感器送来的模拟信号转换为数据信号；双向I2C串行总线接口；主/从SPI串行接口；可编程串行通信接口；JTAG和SPI在线编程方式等。该芯片的丰富资源可以满足节点数据处理和传输的要求，尤其是六种不同的睡眠模式，特别适合有能量限制的应用。　　存储器存放待处理或接收的数据．选用Mi

4、erochip公司的25AAl024。该芯片的存储量为1024KB，功耗低，读写方式为SPI，占用10口少。节点索引号产生器选用MAXIM公司的DS2411，用来产生48位随机数，作为节点的惟一标识号。　　1．2射频模块　　射频芯片的选取直接影响节点的功耗，因为节点消耗能量的近2／3都用于无线收发。选用的射频芯片为NORDIC公司的nRF24L01。该芯片功耗低。在相同工作模式下，比Chipcon公司的CC2420芯片节省近l/3的能量；工作于2．4G～2．5GHzISM频段；支持高速跳频；体积很小；外围器件少，配置

5、简单，且使用两层PCB板，节省成本。nRF24L0l配置框图如图2所示。　　nRF24L01与微处理器相连只需6根信号线，其中4根是SPI信号线，与ATMELGAl28L的SPI口相连；其余一根为片选，另一根用于中断请求。　　射频电路要取得好的RF性能，PCB设计必须合理。nRF24L01的供电电源必须经过良好的滤波，并且与数字电路分开；避免长距离走线；在射频信号输出部分，根据发送功率设置滤波网络，以实现阻抗匹配，使到达天线的信号最强。要防止高频信号泄漏，否则会对发射信号造成很大干扰。由于天线要散播电磁能量，需选用Q

6、我较小的器件。制作PCB板时，在器件周围覆铜，以提高抗干扰性能。　　1．3传患器模块和扩展口　　板上设有一光敏电阻感应光信号，由于是模拟信号，需接入ATMELGAl28L的AD引脚进行AD转换后才可处理。板上还装有一数字型温湿度传感芯片SHT15，可感知温度和湿度，精确度较高，且功耗低，采用I2C读写，占有IO口很少。　　为了让节点具有更广泛的应用，节点板上接有扩展口，其中有I2C口、AD口和中断口等，用来连接其他传感器。　　1．4电源横块和电能消耗　　节点有两种供电方式，在实验室调试和测试时通过开发板供电，在外界环

7、境中工作时，用2个AA电池供电。为了防止2个电源之间的干扰，在板上加有一个手动开关。　　因为电能的消耗决定了传感器节点的使用寿命，在节点的软、硬件设计时，必须充分考虑能源的有效性。节点在各种运行模式下，必须关闭不必要的模块以节省能量。当通信采用节点定时关闭和打开的协议且关闭与打开的时间比为1：99时，使用2节1000毫安时(mAhr)的AA电池供电，节点耗能如表1所示。　　在上述工作模式下，如果用2节1000mA-hr的AA电池供电，则节点寿命为12．55个月。此值是在最大发送功率情况下计算的。当发送功率和收发速率变

8、小时，耗能更少，传感器的寿命会更长。　　2开发板的硬件设计　　开发板的硬件系统框图如图3所示。节点CPU的JTAG口接在开发板上。如果使用JTAG口下载和调试程序，则需要JTAG下载器。为此，设计了另一种下载方式，即串行下载。CPU通过USB口接收上位机的代码，然后通过SPI口下载到节点CPU的FLASH。CPU为中心控制模块，接收上位机的各种