无线传感器网络节点硬件计算机计算机硬件与维护计算机计算机硬件与维护.pdf

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1、1系统结构概述 本文设计的 wsr 硬件平台，由若干传感器节点，具有无线接收功能的汇聚节点，以及 一台 PC机组成。根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，节点的设计主要包括如下几个基本部 分：传感器单元、处理器单元、A/D 单元、射频单元、供电单元以及扩展接口单元。节点 的硬件体系结构框架如图 1-1所示。图 1-1 传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据，提供给处理器单元进行处 理；处理器单元负责数据处理及控制整个节点的正常工作；射频天线单元负责与其他节点 进行无线通信，交换控制信息和相关数据；供电单元负责为节点提供运行所需的能量；扩 展接口可以实现节点平台的功能拓展，以适应不

2、同的应用需求。2节点核心模块设计:2-1电源模块设计：电源是设计中的关键部分，电源稳定工作是整个节点正常工作的保证，设计合理的电 源电路至关重要。节点包含模拟器件和数字器件，模拟器件的抗干扰能力较差，且数字器 件常常为模拟器件的噪声源，故为了 图 2-1-1 提高电路的抗干扰能力，模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地。电源可选用 电池或干电池，电源芯片可选用 XC6209 XC6221系列的 LDO 电源芯片，分别提供 3.3V 和 1.8V 的数字与模拟电压，电路如图 2-1-1所示。2-2传感器 模块设计：温度传感器设 计：本设计采用 LM75DM-33R2 串 行 可编程温度传感

3、 器，这种传感器在 环境温度超出用户 变成设置时通知主 控制器。滞后也是 可以编程解决。它 采用2 线总线方式，允许读入当前温度，并可配置器件。它是数字型温度传感器，直接从 v x r -12 VP.ZL 寄存器读出温度参数，并可实现编程设置 INT/CMPTR 输出极性。图 2-2-1是其功能图，因为设计中只是简单的监测环境的温度，故只需一片 LM75,所以地址线 A0 A1、A2 置地，INT/CMPTR 悬空，设计的接口电路如图 2-2-2所示。Simplified Block Diagram 图 2-2-1 图 2-2-2 因为 CC2431 本身带有 A/D 模块，也可采用温度传感器

4、 AD590 测量温度，其接口电路如 图 2-2-3。1L 3&A SCL l-a I ci nl 器网络的应用需求以及功能要求节点的设计主要包括如下几个基本部分传感器单元处理器单元单元射频单元供电单元以及扩展接口单元节点的硬件体系结构框架如图所示传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据提供给通信交换控制信息和相关数据供电单元负责为节点提供运行所需的能量扩展接口可以实现节点平台的功图能拓展以适应不同的应用需求节点核心模块设计电源模块设计电源设计中的关键部分电源稳定工作整个节点正常工作的保证设的噪声源故为了图提高电路的抗干扰能力模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地电源可选用电池或

5、干电池电源芯片可选用系列的电源芯片分别提供和的数字与模拟电压电路如图所示传感器模块设计温度传感器设计本设计 GDvcc_iov 图 2-2-3 烟雾传感器设计：为了监测房间中的烟雾，香烟烟雾或者房子中的灰尘等，可以采用 NIS-05 离子式传感器。这种传感器是低放射型的标准传感器，最大供电电压 24v，因为阻 抗很高容易被外界电子噪音所干扰，所以 PCB 板设计时要注意保护措施。一般需采用特氟 纶做支撑。NIS-051 脚为 VCC 2 脚电压输出，3 脚接地。因为阻抗高 2 脚输出电流很小，需采用输入电流较小的运放，采用 LMC6042 接口电路如图 2-2-4。VCC IOV 图 2-2-

6、4 湿度传感器设计：HS1101 型湿度传感器是法国 HUMIREL 公司生产的变容式相对湿度 传感器，其典型应用电路如图 2-2-5所示。该传感器具有检测速度快、高精度、高可靠 性、长期稳定性和使用方便、体积小等特点。它是基于独特工艺设计的电容元件，专利的 固态聚合物结构。高精度 2%极好的线性输出；1 99%RH 湿度量程；-40100 C的温度 工作范围；响应时间 5 秒；湿度输出受温度影响极小；防腐蚀性气体；常温使用无需温度 补偿；无需校准；电容与湿度变化 0.34pf/%RH。典型值 180pf55%RH长期稳定性及可靠 性，年漂移量 0.5%RH/年。湿度检测采用电容式 HS110

7、1 型湿敏传感器。利用 NE555 定时器和湿度传感器 HS1101 以及一些电阻构成多谐振荡器电路如图 2-2-5所示。该电路把湿敏传感器随环境湿 度不同体现的电容值变化量转换为输出脉冲的频率变化量，电路输出的 fo 脉冲信号的振 荡频率中包含了环境湿度信息。R70in R70 -VCC IOV U7 D70I R707 oP m LMC6(M2R705 m V-B+33 1S05 MS-05A1 L .GND GND GNDl|i AND 10V 器网络的应用需求以及功能要求节点的设计主要包括如下几个基本部分传感器单元处理器单元单元射频单元供电单元以及扩展接口单元节点的硬件体系结构框架如图

8、所示传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据提供给通信交换控制信息和相关数据供电单元负责为节点提供运行所需的能量扩展接口可以实现节点平台的功图能拓展以适应不同的应用需求节点核心模块设计电源模块设计电源设计中的关键部分电源稳定工作整个节点正常工作的保证设的噪声源故为了图提高电路的抗干扰能力模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地电源可选用电池或干电池电源芯片可选用系列的电源芯片分别提供和的数字与模拟电压电路如图所示传感器模块设计温度传感器设计本设计 转换电路。图 2-2-5中 输出的反映湿度信息的变频脉冲信号 fo 经 C2R 网络接入 LM331 的比较器阈值端 6 脚，脉冲 的下

9、降沿引起输入比较器触发定时电路,1 脚流出的平均电流为：iAv E=i(1.1 R8 C4 Xf O(1 此电流经 RC 网络滤波即可获得与 f o 脉冲信号频率成正比的直流电压 6 :V out=f o X 2.09V X(R9/Rs X(R8 C4 (2 该部分 F/V 转换器是输出信号的 电压正比于输入信号的频率的线性变化电路，F/V 转换电路输出呈 05 V 之间的线性模 拟电压变化量，对应于相对湿度 0100%RH 的变化。图 2-2-6 我们也可以采用另一种集成的湿度传感器设计方案，它采用 DHT11 数字湿度传感器，DHT1 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复

10、合传感器。它应用专用 的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定 性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机相连 接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成 变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达 20M 以上，使其成为各类应用 甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。因为其外围电路比较简单，在这里就

11、不在赘述。2-3处理器及通信模块设计：节点处理器：在无线传感器节点各单元中，核心单元为处理器单元以及射频单元。处 理器单元决定了节点的数据处理能力，路由算法的运行速度以及无线传感器网络形式的复 杂程度。而且不同处理器工作频率不同，在不同状态下消耗功率也不相同，因此不同处理 器的选用也在一定程度上影响了节TR 7 351-603 3 Hz（o-ioo%）Ri i 1|ADCOR12:CH!D1 *器网络的应用需求以及功能要求节点的设计主要包括如下几个基本部分传感器单元处理器单元单元射频单元供电单元以及扩展接口单元节点的硬件体系结构框架如图所示传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据提供给

12、通信交换控制信息和相关数据供电单元负责为节点提供运行所需的能量扩展接口可以实现节点平台的功图能拓展以适应不同的应用需求节点核心模块设计电源模块设计电源设计中的关键部分电源稳定工作整个节点正常工作的保证设的噪声源故为了图提高电路的抗干扰能力模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地电源可选用电池或干电池电源芯片可选用系列的电源芯片分别提供和的数字与模拟电压电路如图所示传感器模块设计温度传感器设计本设计点的整体能耗和节点的工作寿命。射频单元的选择直接 影响了无线通信使用的频段、节点间数据通信的收发速率以及节点的通信距离等。根据具体应用的需求，目前节点平台中的处理器有以下几种选择：1)ATMega

13、128L 芯片是 ATMEL 公司生产的 AVR 系列处理器。该系列处理器为增强 RISC 内载闪存Flash)的芯片。2)MSP430 系列单片机是德州仪器 TI)公司的一种混合信号控制器，其最显著 的特点就是具有超低功耗特性。3)若需要无线传感器网络节点实现复杂的数据处理功能 以及复杂的路由协议等，就要采用功能更强大的处理器来满足数据计算量的要求。具有代 表性的是英特尔lntel)公司生产的 imote2 节点采用的 PXA270 处理器。该处理器最高主 频达 624MHz 具有极强的计算能力，足以应付包括视频在内的各种复杂数据处理需求。前端。这样在使用极少外围器件的情况下就可以实现节点方

14、案。处理器采用了 8 位的 8051 处理器，具有 128 KB 可编程闪存和 8 KB 的 RAM，还具有多种内部资源，如模拟数字 转换器、定时器、看门狗等，使系统的设计开发更为方便。CC2430 芯片采用 0.18 卩 m CMOS 工艺生产，工作时的电流为 27 mA。在接收和发射模式下，电流分别低于 27 mA 或 25 mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的时间极短的特性，特别适合那些要求电池寿 命非常长的应用。CC2431 是在 CC2430 以及摩托罗拉基于 IEEE 802.15.4 标准的无线电定位解决方案的基础 器网络的应用需求以及功能要求节点的设计主要包括如下几

15、个基本部分传感器单元处理器单元单元射频单元供电单元以及扩展接口单元节点的硬件体系结构框架如图所示传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据提供给通信交换控制信息和相关数据供电单元负责为节点提供运行所需的能量扩展接口可以实现节点平台的功图能拓展以适应不同的应用需求节点核心模块设计电源模块设计电源设计中的关键部分电源稳定工作整个节点正常工作的保证设的噪声源故为了图提高电路的抗干扰能力模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地电源可选用电池或干电池电源芯片可选用系列的电源芯片分别提供和的数字与模拟电压电路如图所示传感器模块设计温度传感器设计本设计上，集成在单一硅芯片上的系统解决方案，不仅具有

16、 功能。图 2-3-2为 CC2431 的功能模块图。图 2-3-2 CC2431 的设计结合了 8 KB 的 RAM 及强大的外围模块，并有 3 种不同的版本。它们根据不 同的闪存空间 32 KB、64 KB 和 128 KB 来优化复杂度与成本。CC2431 的尺寸只有 7 mm X 7 mm 的 48 脚封装，采用具有内嵌闪存的 0.18 卩 m CMOS标准技术。针对协议栈、网络和应 用软件执行时对 MCU 处理能力的要求，CC2431 包含一个增强型工业标准的 8 位 8051 微控 制器内核，运行时钟为 32 MHz。CC2431 还包含一个 DMA 控制器，可以减少 8051 微

17、控制 器内核对数据的传送操作，因此提高了芯片整体的性能。在 CC2431 8 KB静态 RAM 中的 4 KB 是超低功耗 SRAM。32 KB、64 KB 或 128 KB 的片内 Flash 块提供在线可编程非易失性 存储器。CC2431 集成了 4 个振荡器用于系统时钟和定时操作，以及用于用户自定义应用的 外设，具有 4 个定时器。此外，还集成了实时时钟、上电复位、8 通道 814 位 ADC 等其 他外设，并带有定位跟踪引擎。图 2-3-3为 CC2431 的典型接线图，他的外围电路很少，只需设计晶振电路和天线电路即 可。CC2430 的相关特点还具有硬件定位的 G!EST WAVCH

18、1XK；TIMER ON OIIP _1 ArOL HECU.ATQR-p*7j VOC fl 3 UKXXJM.JEXl v-MGH SHED HJC-CRYSTAL OSC DEBUG IWTFRFAClf CLOCII MUX A GAI IHMT4C1H 劉L童 f TlHtf ft SLMP hKl C TIM申金!MAC UMIRI I IMt R 3(3 M|TIMn RADIO PATA WTI-WACF C4VGML&7W ACM；MOfflJt ATOH HkCHVlT CHAM IHAHSMir CHAIN RESET?*CRYSTJUL OW：叱 陀_2 Fl.F 器网

19、络的应用需求以及功能要求节点的设计主要包括如下几个基本部分传感器单元处理器单元单元射频单元供电单元以及扩展接口单元节点的硬件体系结构框架如图所示传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据提供给通信交换控制信息和相关数据供电单元负责为节点提供运行所需的能量扩展接口可以实现节点平台的功图能拓展以适应不同的应用需求节点核心模块设计电源模块设计电源设计中的关键部分电源稳定工作整个节点正常工作的保证设的噪声源故为了图提高电路的抗干扰能力模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地电源可选用电池或干电池电源芯片可选用系列的电源芯片分别提供和的数字与模拟电压电路如图所示传感器模块设计温度传感器设计本设

20、计 加Piii LM S7 图 2-3-3 串口通信模块：为了方便监测网络中数据传输的正常，需要串口来连接计算几，读取节点 内部的数据。连接串口到 CC2431，必须加 max232 进行电平转换。设计中因为是 sink 节点故 只需一路输入输出，用 P1-6 连接 T2IN，P1-7 连接 R20UT。VDD 需要接电源并用 C1，C2 接 地。如图2-3-4.A EM i1!v W CC243I R2M llj i?EM HU U4|讪 器网络的应用需求以及功能要求节点的设计主要包括如下几个基本部分传感器单元处理器单元单元射频单元供电单元以及扩展接口单元节点的硬件体系结构框架如图所示传感器

21、单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据提供给通信交换控制信息和相关数据供电单元负责为节点提供运行所需的能量扩展接口可以实现节点平台的功图能拓展以适应不同的应用需求节点核心模块设计电源模块设计电源设计中的关键部分电源稳定工作整个节点正常工作的保证设的噪声源故为了图提高电路的抗干扰能力模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地电源可选用电池或干电池电源芯片可选用系列的电源芯片分别提供和的数字与模拟电压电路如图所示传感器模块设计温度传感器设计本设计 图 2-3-5 引卿 喀称 方向 功能描皿 1(JND 瓷共地 2 U-VDD Output+3.3V电源输出 3 1 DC 1/0 4 DD I

22、/O 数据信号 5 CSn I/O 艇钟常号 6 SCI K o 7 RESET Output MOSf I/O 数掘估号 9 MISO 1.0 10 NC*空脚 图 2-3-5 晶振电路设计：采用两个石英谐振器和 4 个电容分别构成 1 个 32MHZ 的晶振电路和一个 32.768 的晶振电路，如图 2-3-6所示，R221 R261 为偏置电阻，其中 R221 为 32MHZ 晶振设置 精密偏置电流。图 2-3-4 仿真器接口设计：JTAG 口设计必须符合电路引脚要求，否则无法连接。烧写和调试程序，接口电路如图 2-3-5所示，可根据后续需要改进。JTAG 口设计方便 Q I J 3 7

23、 9 2 490 器网络的应用需求以及功能要求节点的设计主要包括如下几个基本部分传感器单元处理器单元单元射频单元供电单元以及扩展接口单元节点的硬件体系结构框架如图所示传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据提供给通信交换控制信息和相关数据供电单元负责为节点提供运行所需的能量扩展接口可以实现节点平台的功图能拓展以适应不同的应用需求节点核心模块设计电源模块设计电源设计中的关键部分电源稳定工作整个节点正常工作的保证设的噪声源故为了图提高电路的抗干扰能力模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地电源可选用电池或干电池电源芯片可选用系列的电源芯片分别提供和的数字与模拟电压电路如图所示传感器模块

24、设计温度传感器设计本设计 图 2-3-6 3小结 根据无线传感器的设计要求，结合系统的实际要求，设计出了无线传感器节点的硬件 设计方案。选用 CC2431 处理器 和 8051 微处理器兼容）作为系统的微处理器，并且配以温 度、湿度以及烟雾传感器，选用 ZigBee 协议作为 wsn 的传输协议，实现了一种低功耗的无 线传感器网络节点硬件平台，为系统的应用提供了必要的基础。申明:所有资料为本人收集整理，仅限个人学习使用，勿做商业用 n/xusc 02 Fi_vxosc_ai XOSC QI xn$c Q2 kBtASl KB1A5?RRtGOtT AYDD.RM5G 器网络的应用需求以及功能要求节点的设计主要包括如下几个基本部分传感器单元处理器单元单元射频单元供电单元以及扩展接口单元节点的硬件体系结构框架如图所示传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据提供给通信交换控制信息和相关数据供电单元负责为节点提供运行所需的能量扩展接口可以实现节点平台的功图能拓展以适应不同的应用需求节点核心模块设计电源模块设计电源设计中的关键部分电源稳定工作整个节点正常工作的保证设的噪声源故为了图提高电路的抗干扰能力模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地电源可选用电池或干电池电源芯片可选用系列的电源芯片分别提供和的数字与模拟电压电路如图所示传感器模块设计温度传感器设计本设计