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當今世界通信技術迅猛發展，隨著微機電系統、片上系統、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知行業的一場變革。基于此，設計實現了一種以CC24 30為核心的無線傳感器網絡。其中，傳感器模塊包括有溫濕度傳感器SHTll、紅外傳感器BS520、光照度傳感器PGM5506。 1 無線傳感器網絡系統總體結構 無線傳感器網絡是對周圍環境的溫度、濕度、光、加速度等信息進行監控和管理的技術。這種無線傳感器節點中內置了傳感器、傳感器控制電路、CPU、無線通信模塊、天線、電源裝置等，通過Ad-Hoc通信技術，可以與周圍的傳感器節點一起把數據傳輸到匯聚節點。本文介紹的無線傳感器網絡由一個匯聚節點和多個傳感器節點組成，通過匯聚節點上傳到遠程主機。系統的總體結構如圖1所示。 2 硬件電路的設計 CC2430是Chipcon公司推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統。CC2430只需要很少的外接元件就可以運行，其內部已集成了大量必要的電路，因此采用較少的外圍電路即實現信號的收發功能。圖2為CC2430基本電路設計。 圖2中C1，C2為22pF的電容，連接32 MHz的晶振電路，此石英晶振用于正常工作使用。C3，C4為15 pF的電容，連接32．768 kHz的晶振電路，此石英晶振用于休眠時工作，從而降低功耗。C5=O．1μF，用于去除一些雜波干擾，防止單片機錯誤復位。C6～C8分別為100 nF，220n F，220 nF，用作濾波，去除雜波干擾使電壓更穩定。C9=5．6 pF，電路中非平衡變壓器由電容C9和電感L1，L2，L3以及一個PCB微波傳輸線組成，整個結構滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求，L1，L2，L3分別為8．2 nH，22 nH，1．8 nH。C10，C11，C12，C13，C14為去耦合電容，用于電源濾波，以提高芯片工作的穩定性。偏置電阻器R1，R2分別為43 kΩ，56 kΩ，R1用于為32 MHz晶體振蕩器設置精密偏置電流。 由于CC2430芯片具有低功耗的特性，選用2節2 800 mAh的干電池為節點機供電。天線選用外置天線。 CC2430與溫濕度傳感器SHTll，光照度傳感器PGM5506，紅外傳感器BS520連接原理圖如圖3所示，其中P0．O，P0．1，P0．6，P1．2和P1．3為CC2430的I／O端口。 SHTll采用兩線串行線和處理器進行數據通信，SCK數據線負責處理器和SHTll的通訊同步；DATA三態門用于數據的讀取。為避免信號沖突，微處理器應驅動DATA在低電平。需要一個外部的上拉電阻將信號提拉至高電平，圖3顯示CC2430的引腳P1．2用于SCK，P1．3用于DATA。 光照度傳感器PGM5506實際就是一個光敏電阻，隨著周邊環境的光量而改變電阻值，從而輸入3 V電壓受到隨著光量而變化的光敏電阻的影響，因而輸出電壓值改變。在測定輸出電壓值的LIGHTOUT中，可以根據變化的電壓量感知光量。圖3顯示CC2430的引腳P0．0連接LIGHT OUT。紅外傳感器BS520，隨著紅外線的強弱輸出A／D也變化，因此CC2430處理器可以根據輸入的電流變化量來測定紅外線值。圖3顯示CC2430的引腳PO．1連接INFRARED ADC。 3 網絡節點軟件的設計 網絡節點的軟件包括傳感器的數據采集及無線通信。數據采集包括溫濕度傳感器、光照度傳感器、紅外傳感器，由于光照度傳感器、紅外傳感器數據的采集就是直接將輸入的模擬量轉化為數字量，軟件設計相對簡單，下面只以溫濕度傳感器SHTll為例介紹數據采集軟件。無線通訊采用ZigBee技術將采集到的數據發送給協調器以及協調器接收數據。 3．1 溫濕度數據采集模塊 溫濕度傳感器SHTll采用串行接口，但是在傳感器信號的讀取及電源損耗方面，都做了優化處理。SCK用于CC2430與SHTll之間的通訊同步，DATA雙向串行通信線可寫命令和讀數據。控制流程圖如圖4所示。首先進行數據傳輸的初始化，然后發送一組測量命令。SHTll接收命令測量數據后處理器來讀取數據。 3．2 無線通信模塊 ZigBee網絡支持三種拓撲結構，即星狀、樹狀和網狀拓撲。本系統采用的協議棧為TI協議棧。對協議棧進行了適當的修改和增減以適應硬件電路的實際應用，組成樹狀傳感器網絡。 網絡協調器程序流程圖如圖5所示，首先初始化CC2430，之后初始化協議棧，然后創建一個新網絡，并確定PANID與頻道選擇。打開全局中斷之后程序開始進入應用程序，監測空氣中有無ZigBee信號，如果有節點申請加入網絡，網絡協調器給節點分配網絡地址。同樣如果終端設備發送來的是傳感器測試數據值，并從串口發送給遠程主機。 傳感器節點程序流程圖如圖6所示，程序同樣首先初始化CC2430，之后初始化協議棧，并打開全局中斷。開始發送加入網絡信號，等待協調器響應，如果加入網絡成功，傳感器進入休眠狀態，如果不成功就繼續申請加入網絡。加入網絡成功之后，溫濕度采集節點就定時采集數據并向協調器發送，如果發送成功，系統進入休眠狀態，如果發送失敗，繼續發送當前溫度值。 4 實驗結果 系統的各個節點硬件采用模塊化設計，CC2430底板模塊實物如圖7所示，傳感器模塊如圖8所示。在天氣晴朗空曠的地方，測得ZigBee節點之間的傳輸距離能達到50～70 m，工作在室內條件下有效傳輸距離能達到30 m左右。通過主機上的串口收發軟件監視采集到的實時溫度信息，能夠很好地實現溫度信息的讀取。監視到的溫度如圖9所示。 5 結語 通過對無線傳感器網絡系統的設計和對CC2430的了解，ZigBee技術未來的應用前景被看好。未來的幾年里，它將在工業控制、汽車自動化、樓宇自動化、消費電子等多個領域實現應用。 |
