基于Arduino的ZigBee无线传感节点的硬件设计

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1、基于Arduino的ZigBee无线传感节点的硬件设计[导读]针对传统无线传感节点的成本高、可扩展性差等不足，提出一种基于Arduino开源平台及ZigBee协议的无线传感节点硬件系统。考虑到系统设计需求，首先给出该传感节点硬件系统的总体框架，然后对硬件系统中的处理器模块、传感器模块、无线通信模块、电源模块的设计给出了具体的方案。摘要：针对传统无线传感节点的成本高、可扩展性差等不足，提出一种基于Arduino开源平台及ZigBee协议的无线传感节点硬件系统。考虑到系统设计需求，首先给出该传感节点硬件系统的总体框架，然后对硬件系统中的处理器模块、传感器模块、无线通信模块、电源模块的设计

2、给出了具体的方案。该无线传感节点硬件系统能够实现高性能、低成本、低功耗的无线环境数据采集，较传统方法更具有研究和应用价值。无线传感器网络是物联网底层网络的重要技术形式，它综合了传感器技术、信息处理技术和无线通信等技术。无线传感器网络节点作为无线传感网络的基本组成部分，它的性能优劣及实用性关系到整个网络的工作效率和工作成本，因此高性能低成本的无线传感节点成为无线传感网络设计的关键。目前传统的无线传感节点主要有两种类型：一种是封装好直接购买可用的节点如Micaz、TelosB节点;另一种是在特定芯片如CC2430、CC2530上自主设计制作的节点。前一种节点性能佳，但价格较贵且可定制性差

3、，后一种节点，虽价格便宜，但开发工作量大，且可扩展的接口少。Arduino是近年来快速流行起来的一种控制器，其硬件电路的核心是一个AVR芯片，整块电路板在功能上与单片机开发板类似，但是Arduino板要比单片机开发板在功能上强大很多。ZigBee是一种短距离无线通信技术，它可以很好地解决物联网中最后100m的通信问题，并且已经广泛地应用于智能交通、智能医疗、智能家居和工业自动化当中。本文针对现有的无线传感网络节点的发展现状，从硬件角度着手，设计了一种基于Arduino的ZigBee无线传感节点，它将Arduino软硬件开源、接口丰富、容易上手、价格低廉、可根据应用需求实现个性化系统设

4、计等特性与ZigBee技术传输延时较低、复杂度低、容量高、功率消耗极低、成本低廉等特性结合到一起，实现更具有实用性和更适用于物联网的无线传感网络节点。1硬件整体设计无线传感网络节点硬件电路包括处理器模块、传感器模块、无线通信模块及电源模块。其中，电源部分为整个节点提供能量，其余3个均是耗能模块。本文采用ArduinoUnoR3功能板的电路作为硬件设计的基础电路板，并结合实际需求在该电路基础上进行组成部件的删减和功能模块的增加。ArduinoUnoR3是ArduinoUSB接口系列的最新版本。其上的所有参考设计均是基于AVR芯片ATmega328的，二者的管脚是兼容的。节点的各个模块中

5、，处理器模块采用单片机ATmega328P—PU作为CPU对传感数据进行采集、处理和传输，单片机ATmega16U2-MU作为转换芯片实现USB接口数据与处理器串口数据的对接。传感器模块设为接口模式，没有直接选定传感器并将该传感器连接到电路中。传感器模块接口包括数字信号接口和模拟信号接口。无线通信模块采用Digi公司生产的XBeeZB模块，XBeeZB模块通过RX、TX串口与单片机进行数据通信。电源模块采用电池供电和USB供电协作模式，为了避免电池供电和USB供电同时接入电路产生冲突，采用FDN340P场效应管来实现电池供电和USB供电模式的自动切换。此外，节点还通过硬件辅助的形式控

6、制传感模块和无线通信模块的工作状态，以降低节点的工作能耗。无线传感网络节点硬件系统结构框图如图1所示。 2模块设计2.1处理器模块节点硬件系统处理器模块的元器件选型主要是基于ArduinoUnoR3功能板。ArduinoUnoR3电路板的主控芯片是ATmega328P—PU，USB转串口芯片是ATmega16U2-MU。单片机ATmega328P—PU是一款高性能低功耗的AVR微控制器，它的工作电压是1.8～5.5V，片上包含32kB的Flash、1kB的EEPROM以及2kB的SRAM，有6个模拟输入接口，有14个数字输入输出接口且数字接口中有6个PWM模拟输出接口，晶振频率是16

7、MHz。这款单片机能够完全满足传感节点的处理器需求。该单片机的外围电路中，需要在5V电源与管脚reset之间连接一个110欧姆的电阻，因为ArduinoUnoR3提供自动复位设计，可以通过在主机上运行相应程序进行自动复位，但本节点的复位模式设计为外部电路触发复位模式，所以需在管脚reset位置进行电路修改。另外，需要在ATmega328P—PU的XTAL1、XTAL2引脚之间接尺寸小、可靠性能佳的陶瓷振荡子CSTCE16MOV53-R0，而不是接普通的16