无线传感器网络节点应用的硬件设计
2010-12-18 11:36:09
来源：《半导体器件应用》2009年03月刊
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1 引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSNs）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成。通过无线通信形成一个多跳自组织网络系统，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息，并加以处理，完成数据采集和监测任务。WSNs 综合了传感器、嵌入式计算、无线通讯、分布式信息处理等技术，具有快速构建、自配置、自调整拓扑、多跳路由、高密度、节点数可变、无统一地址、无线通信等特点，特别适用于大范围、偏远距离、危险环境等条件下的实时信息监测，可以广泛应用于军事、交通、环境监测和预报、卫生保健、空间探索等各个领域。
2 节点的总体设计和器件选型
2.1 节点的总体设计
WSNs 微型节点应用数量比较大，更换和维护比较困难，要求其节点成本低廉和工作时间尽可能长；功能上要求 WSNs 中不应该存在专门的路由器节点，每个节点既是终端节点，又是路由器节点。节点间采用移动自组织网络联系起来，并采用多跳的路由机制进行通信。因此，在单个节点上，一方面硬件必须低能耗，采用无线传输方式；另一方面软件必须支持多跳的路由协议。基于这些基本思想，设计了以高档 8 位 AVR 单片机 ATmega128L 为核心，结合外围传感器和 2.4GHz 无线收发模块 CC2420 的 WSNs 微型节点。这两款器件的体积非常小，加上外围电路，其整体体积也很小，非常适合用作 WSNs 节点的元件。
图 1 给出 WSNs 微型节点结构。它由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元 4 部分组成。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，设计中包括了可燃性气体传感器和湿度传感器；数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理单元选通所用到的传感器，节点电源由几节 AA 电池组成，实际工业应用中采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩展性，可将数据采集单元独立出来，做成两块能相互套接的可扩展主板。
2.2 处理器选型
处理器的选型要求和指标是功耗低，保证长时间不更换电源也能顺利工作，供给电压小于 5V，有较快的处理速度和能力，由于节点是需要大量安置的，所以价格也要相对便宜。选用 AVR 单片机，考虑到电路中 I/O 的个数不多，功耗低、成本低、适合与无线器件接口配合等多方面因素，综合对比后，选用 Atmel 公司的 ATmega128L。该微型控制器拥有丰富的片上资源，包括 4 个定时器、4KB SRAM、128KB Flash和 4 KBEEPROM；拥有 UART、SPI、I2C、JTAG 接口，方便无线器件和传感器的接入；有 6 种电源节能模式，方便低功耗设计。
2.3 无线通信器件选型
CC2420 是一款符合 ZigBee 技术的高集成度工业用射频收发器，其 MAC 层和 PHY 层协议符合 802.15.4 规范，工作于 2.4GHz 频段。该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达 250kb/s，即可实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。
2.4 传感器选型
由于 WSNs 是用于矿下安全监测，常要检测矿下可燃气体的浓度（预防瓦斯气体浓度过高）和空气湿度，所以要选择测量气体浓度和湿度的传感器。
2.4.1 HIH-4000 系列测湿传感器
HIH-4000 系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组件（SIP）能提供仪表测量质量的相对湿度（RH）传感性能。RH 传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其内部具有信号处理功能。传感器的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力，因此可认定它能适用矿下环境。
2.4.2 MR511 热线型半导体气敏元件
MR511 型气敏元件利用气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理，由白金线圈电阻值变化测定气体浓度。MR511 由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时，检测元件的电阻减小，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度的增大而成比例增大，补偿元件具有温度补偿作用。MR511 除具有灵敏度高、响应恢复时间短、稳定性好特点外，还具有功耗小，抗环境温湿度干扰能力强的优点。WSNs 的节能和井下恶劣温湿环境要求 MR5111 可以满足。
3 WSNs 节点设计
3.1 数据采集单元
考虑到无线传感器网络节点的节能和井下恶劣的温湿环境，为了便于数据采集，系统设计采用 HIH-4000-01 型测湿度传感器和 MR511 热线型半导体气体传感器。图 2、图 3 分别给出其电路设计图。
3.2 数据处理单元
ATmega128L 的外围电路设计简单，设计时注意在数字电路的电源并人多只电容滤波。ATmega128L 的工作时钟源可以选取外部晶振、外部 RC 振荡器、内部 RC 振荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATmega128L 的内部熔丝位来设计。熔丝位可以通过 JTAG编程、ISP 编程等方式设置。ATmega128L 采用 7.3728MHz和 32.768kHz 两个外部晶振。前者用作工作时钟，后者用作实时时钟源。
3.3 数据传输单元
3.3.1 CC2420 外围电路设计
图 4 给出数据传输单元的外围电路。CC2420 只需要极少的外围元器件。其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路 3 部分。
射频输入／输出匹配电路主要用来匹配器件的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为 50Ω，同时为器件内部的 PA 及 LNA 提供直流偏置。射频输入／输出是高阻抗，有差别。射频端最适合的负载是 115+j180Ω。C61、C62、C71、C81、L61 组成不平衡变压器，L62 和 L81 匹配射频输入输出到 50Ω；L61 和 L62 同时提供功率放大器和低噪声放大器的直流偏置。内部的 T/R 开关是为了切换低噪声放大器／功率放大器。R451 偏置电阻是电流基准发生器的精密电阻。CC2420 本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。若由内部电路提供时，需外加晶体振荡器和两只负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。设计采用 16MHz 晶振时，其电容值约为 22pF。C381 和 C391是外部晶体振荡器的负载电容。片上电压调节器提供所有内部 1.8V电源的供应。C42 是电压调节器的负载电容，用于稳定调节器。为得到最佳性能必须使用电源去耦。在应用中使用大小合适的去耦电容和功率滤波器是非常重要的。CC2420 可以通过 4 线 SPI 总线（SI、SO、SCLK、CSn）设置器件的工作模式，并实现读，写缓存数据，读／写状态寄存器等。通过控制 FIFO 和 FIFOP 引脚接口的状态可设置发射／接收缓存器。
3.3.2 配置 IEEE 802.15.4 工作模式
CC2420 为IEEE 802.15.4 的数据帧格式提供硬件支持。其 MAC 层的帧格式为：头帧+数据帧+校验帧；PHY 层的帧格式为：同步帧 + PHY 头帧 + MAC 帧，帧头序列的长度可通过设置寄存器改变，采用 16 位 CRC 校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入 RAM 中的 128 字节缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。3.3.3 CC2420 与单片机接口电路设计
图 5 给出 CC2420 与 ATmega128L 单片机的接口电路。CC2420 通过简单的四线（SI、SO、SCLK、CSn）与 SPI 兼容串行接口配置，这时 CC2420 是受控的。ATmega128L 的 SPI 接口工作在主机模式，它是 SPI 数据传输的控制方；CC2420 设为从机工作方式。当 ATmega128L 的 SPI 接口设为主机工作方式时，其硬件电路不会自动控制 SS 引脚。因此，在 SH 通信时，应在 SPI 接口初始化，它是由程序控制 SS，将其拉为低电平，此后，当把数据写入主机的 SPI 数据寄存器后，主机接口将自动启动时钟发生器，在硬件电路的控制下，移位传送，通过 MOSI 将数据移出 ATmega128L，并同时从 CC2420 由 MISO 移人数据，8 位数据全部移出时，两个寄存器就实现了一次数据交换。
4 结语
通过对于无线传感器网络节点中传感器元件、数据处理模块、数据传输模块和电源的选择，设计了一种以 CC2420 和 ATmega128L 为主体的硬件方案。利用该方案设计的 CC2420 和 ATmega128L 的外围电路以及两者之间的接口电路。此外，还对传感器与单片机的接口电路进行设计。通过实验验证，设计的硬件节点基本上达到了项目要求，经调试能通过传感器正确真实地采集数据，并实现两个无线节点（两个电路板。AA 电池供电）在 30m 左右的通信、传输数据、并反映到终端设备。
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSNs）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成。通过无线通信形成一个多跳自组织网络系统，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内监视对象的各种信息，并加以处理，完成数据采集和监测任务。WSNs 综合了传感器、嵌入式计算、无线通讯、分布式信息处理等技术，具有快速构建、自配置、自调整拓扑、多跳路由、高密度、节点数可变、无统一地址、无线通信等特点，特别适用于大范围、偏远距离、危险环境等条件下的实时信息监测，可以广泛应用于军事、交通、环境监测和预报、卫生保健、空间探索等各个领域。
2 节点的总体设计和器件选型
2.1 节点的总体设计
WSNs 微型节点应用数量比较大，更换和维护比较困难，要求其节点成本低廉和工作时间尽可能长；功能上要求 WSNs 中不应该存在专门的路由器节点，每个节点既是终端节点，又是路由器节点。节点间采用移动自组织网络联系起来，并采用多跳的路由机制进行通信。因此，在单个节点上，一方面硬件必须低能耗，采用无线传输方式；另一方面软件必须支持多跳的路由协议。基于这些基本思想，设计了以高档 8 位 AVR 单片机 ATmega128L 为核心，结合外围传感器和 2.4GHz 无线收发模块 CC2420 的 WSNs 微型节点。这两款器件的体积非常小，加上外围电路，其整体体积也很小，非常适合用作 WSNs 节点的元件。
图 1 给出 WSNs 微型节点结构。它由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源管理单元 4 部分组成。数据采集单元负责监测区域内信息的采集和数据转换，设计中包括了可燃性气体传感器和湿度传感器；数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等；数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理单元选通所用到的传感器，节点电源由几节 AA 电池组成，实际工业应用中采用微型纽扣电池，以进一步减小体积。为了调试方便及可扩展性，可将数据采集单元独立出来，做成两块能相互套接的可扩展主板。
2.2 处理器选型
处理器的选型要求和指标是功耗低，保证长时间不更换电源也能顺利工作，供给电压小于 5V，有较快的处理速度和能力，由于节点是需要大量安置的，所以价格也要相对便宜。选用 AVR 单片机，考虑到电路中 I/O 的个数不多，功耗低、成本低、适合与无线器件接口配合等多方面因素，综合对比后，选用 Atmel 公司的 ATmega128L。该微型控制器拥有丰富的片上资源，包括 4 个定时器、4KB SRAM、128KB Flash和 4 KBEEPROM；拥有 UART、SPI、I2C、JTAG 接口，方便无线器件和传感器的接入；有 6 种电源节能模式，方便低功耗设计。
2.3 无线通信器件选型
CC2420 是一款符合 ZigBee 技术的高集成度工业用射频收发器，其 MAC 层和 PHY 层协议符合 802.15.4 规范，工作于 2.4GHz 频段。该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性。数据传输单元模块支持数据传输率高达 250kb/s，即可实现多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点。
2.4 传感器选型
由于 WSNs 是用于矿下安全监测，常要检测矿下可燃气体的浓度（预防瓦斯气体浓度过高）和空气湿度，所以要选择测量气体浓度和湿度的传感器。
2.4.1 HIH-4000 系列测湿传感器
HIH-4000 系列测湿传感器作为一个低成本、可软焊的单个直插式组件（SIP）能提供仪表测量质量的相对湿度（RH）传感性能。RH 传感器可用在二引线间有间距的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其内部具有信号处理功能。传感器的多层结构对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力，因此可认定它能适用矿下环境。
2.4.2 MR511 热线型半导体气敏元件
MR511 型气敏元件利用气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理，由白金线圈电阻值变化测定气体浓度。MR511 由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时，检测元件的电阻减小，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度的增大而成比例增大，补偿元件具有温度补偿作用。MR511 除具有灵敏度高、响应恢复时间短、稳定性好特点外，还具有功耗小，抗环境温湿度干扰能力强的优点。WSNs 的节能和井下恶劣温湿环境要求 MR5111 可以满足。
3 WSNs 节点设计
3.1 数据采集单元
考虑到无线传感器网络节点的节能和井下恶劣的温湿环境，为了便于数据采集，系统设计采用 HIH-4000-01 型测湿度传感器和 MR511 热线型半导体气体传感器。图 2、图 3 分别给出其电路设计图。
3.2 数据处理单元
ATmega128L 的外围电路设计简单，设计时注意在数字电路的电源并人多只电容滤波。ATmega128L 的工作时钟源可以选取外部晶振、外部 RC 振荡器、内部 RC 振荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATmega128L 的内部熔丝位来设计。熔丝位可以通过 JTAG编程、ISP 编程等方式设置。ATmega128L 采用 7.3728MHz和 32.768kHz 两个外部晶振。前者用作工作时钟，后者用作实时时钟源。
3.3 数据传输单元
3.3.1 CC2420 外围电路设计
图 4 给出数据传输单元的外围电路。CC2420 只需要极少的外围元器件。其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路 3 部分。
射频输入／输出匹配电路主要用来匹配器件的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为 50Ω，同时为器件内部的 PA 及 LNA 提供直流偏置。射频输入／输出是高阻抗，有差别。射频端最适合的负载是 115+j180Ω。C61、C62、C71、C81、L61 组成不平衡变压器，L62 和 L81 匹配射频输入输出到 50Ω；L61 和 L62 同时提供功率放大器和低噪声放大器的直流偏置。内部的 T/R 开关是为了切换低噪声放大器／功率放大器。R451 偏置电阻是电流基准发生器的精密电阻。CC2420 本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。若由内部电路提供时，需外加晶体振荡器和两只负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。设计采用 16MHz 晶振时，其电容值约为 22pF。C381 和 C391是外部晶体振荡器的负载电容。片上电压调节器提供所有内部 1.8V电源的供应。C42 是电压调节器的负载电容，用于稳定调节器。为得到最佳性能必须使用电源去耦。在应用中使用大小合适的去耦电容和功率滤波器是非常重要的。CC2420 可以通过 4 线 SPI 总线（SI、SO、SCLK、CSn）设置器件的工作模式，并实现读，写缓存数据，读／写状态寄存器等。通过控制 FIFO 和 FIFOP 引脚接口的状态可设置发射／接收缓存器。
3.3.2 配置 IEEE 802.15.4 工作模式
CC2420 为IEEE 802.15.4 的数据帧格式提供硬件支持。其 MAC 层的帧格式为：头帧+数据帧+校验帧；PHY 层的帧格式为：同步帧 + PHY 头帧 + MAC 帧，帧头序列的长度可通过设置寄存器改变，采用 16 位 CRC 校验来提高数据传输的可靠性。发送或接收的数据帧被送入 RAM 中的 128 字节缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。3.3.3 CC2420 与单片机接口电路设计
图 5 给出 CC2420 与 ATmega128L 单片机的接口电路。CC2420 通过简单的四线（SI、SO、SCLK、CSn）与 SPI 兼容串行接口配置，这时 CC2420 是受控的。ATmega128L 的 SPI 接口工作在主机模式，它是 SPI 数据传输的控制方；CC2420 设为从机工作方式。当 ATmega128L 的 SPI 接口设为主机工作方式时，其硬件电路不会自动控制 SS 引脚。因此，在 SH 通信时，应在 SPI 接口初始化，它是由程序控制 SS，将其拉为低电平，此后，当把数据写入主机的 SPI 数据寄存器后，主机接口将自动启动时钟发生器，在硬件电路的控制下，移位传送，通过 MOSI 将数据移出 ATmega128L，并同时从 CC2420 由 MISO 移人数据，8 位数据全部移出时，两个寄存器就实现了一次数据交换。
4 结语
通过对于无线传感器网络节点中传感器元件、数据处理模块、数据传输模块和电源的选择，设计了一种以 CC2420 和 ATmega128L 为主体的硬件方案。利用该方案设计的 CC2420 和 ATmega128L 的外围电路以及两者之间的接口电路。此外，还对传感器与单片机的接口电路进行设计。通过实验验证，设计的硬件节点基本上达到了项目要求，经调试能通过传感器正确真实地采集数据，并实现两个无线节点（两个电路板。AA 电池供电）在 30m 左右的通信、传输数据、并反映到终端设备。
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