基于 CC2430的無線傳感器網絡系統節點設計

于金濤,韓 軻,姜海濤,李俊玲,丁明理,李 云

(哈爾濱商業大學計算機信息與工程學院,哈爾濱 150028)

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)的目的是協作地感知、收集和處理傳感器網絡所覆蓋的地理區域中感知對象的信息,并傳遞給觀察者[1-3].這種傳感器網絡集中了傳感器技術、嵌入式計算機技術和無線通信技術、能協作地感知、監測和收集各種環境下所感知對象的信息,通過對這些信息的協作式信息處理,獲得感知對象的準確信息,然后傳送到需要這些信息的用戶.

一個典型的傳感器網絡的系統結構,包括分布式傳感器節點(群)、接收發送器、互聯網和用戶界面等[4],如圖1.其中,傳感器網絡節點的基本組成包括如下幾個基本單元:傳感單元(由傳感器和模數轉換功能模塊組成)、處理單元(包括 CPU、存儲器、嵌入式操作系統等)、通信單元(由無線通信模塊組成)以及電源.這些節點通過自組織方式構成無線網絡,以協作的方式實時感知、采集和處理網絡覆蓋區域中的信息,并通過多跳網絡將數據經由Sink節點(接收發送器)鏈路將整個區域內的信息傳送到遠程控制管理中心[5-8].反之,遠程管理中心也可以對網絡節點進行實時控制和操縱.

1 CC2430芯片介紹

本文采用集信號采集、數據處理和無線通信于一體的 CC2430芯片作為信標節點和移動節點的主控單元,開發具有超低功耗、較強計算能力的信標節點和移動節點,最大程度地降低單節點硬件成本,為最終實用化做準備.

圖1 無線傳感器網絡基本組成

本文所采用的是功能強大的 ZIGBEE無線單片機 CC2430,它是以經典 8051微處理器為內核的無線單片機,也稱“射頻片上系統”.它集成符合IEEE802.15.4標準的 2.4 GHz的 RF無線電收發機;具有優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性;具有數字化的RSSI/LQI支持和強大的 DMA功能;它還集成了 14位模數轉換的 ADC,并且帶有 2個強大的支持幾組協議的 USART,以及 1個符合IEEE 802.15.4規范的 MAC計時器,1個常規的16位計時器和 2個 8位計時器.具有高性能和低功耗的特點,因而能很好的完成本設計的要求.

2 節點結構設計

本設計中無線傳感器網絡系統的節點主要由主節點、移動節點及信標節點 3部分組成.如圖2.

圖2 主節點功能示意圖

2.1 主節點結構設計

主節點的主要功能是完成信標節點數據的整合,以及在信標節點、移動節點與 PC機之間相互傳遞信息.當無線傳感器的領域擴大后,會被劃分成多個小的區域,而每一個小區域中的主節點又充當著標識該區域、以及與下一個區域的主節點進行通信的作用.

主節點通過無線方式獲得移動機器人的當前位置、行進方向的信息,并通過串口發送給 PC機;接收 PC機的指示,并通過無線方式發送給其他節點.

利用串口可方便地實行主節點與 PC機的通信.

PC機有標準 RS-232C串行口,信號電平為RS-232C電平.RS-232C采用負邏輯,即邏輯“1”為 -5～-15V,邏輯“0”為 +5～+15V.

單片機 CC2430的 P0.2(11)和 P0.3(9)分別為串行數據接收端 RxD和發送端 TxD,接收和發送信號為 TTL電平.TTL電平的邏輯“1”和邏輯“0”分別為 3V和 0V.

因此單片機和 PC機串行通信時,需利用芯片MAX3232進行 RS-232C電平和 TTL電平的相互轉換,如圖3.將 MAX3232的 7、8腳分別接入 PC機串口的 2、3腳 ,9、10腳接 CC2430的 P0.2、P0.

3,即可實現 PC機與單片機的串行通信.

圖3 M AX 3232的應用電路

2.2 移動節點結構設計

移動節點是一個兩輪式機器人,有兩個主動輪和一個支撐輪,見圖4.主動輪通過直流電機驅動可執行前進、后退轉彎等各種姿態的運動.支撐輪在后方,可以作 360°范圍內的自由轉動,可以維持車體的水平,又不影響運動的靈活性.移動機器人除具有其他節點所需模塊外,還有運動控制模塊控機器人的各種運動,航向控制模塊測出和控制機器人的航向,導航控制模塊引導機器人運動到目標節點,結構圖見圖5.

圖4 移動機器人實物圖

圖5 移動機器人結構圖

2.3 信標節點結構設計

信標節點的主要功能有 2個:①作為傳感器節點,連接測量各種信號的傳感器,由傳感器感知所需監測區域的所需監測變量,并進行初步處理,然后通過無線方式發送給主節點;②作為信標,通過測量移動節點的 RSSI值,以確定移動節點當前位置,及對移動節點進行導航.

因為信標節點的結構基本相同,因此為區分各信標節點,給它們各自一個不同的標識,即為地址,稱為節點地址或節點 ID.當信標節點與其他節點通信時,其他節點會根據這個地址判斷數據來自于何節點.

2.4 節點間的無線通信

CC2430無線單片機內部集成了全部 802.15.4短距離無線通訊標準所需要的高頻電路部分,CC2430的接收器是基于低 -中頻結構之上的,從天線接收的 RF信號經低噪聲放大器放大并經下變頻變為 2 MHz的中頻信號.中頻信號經濾波、放大,在通過 A/D轉換器變為數字信號.自動增益控制,信道過濾,解調在數字域內完成以獲得高精確度及空間利用率,見圖6.集成的模擬通道濾波器可以使工作在 2.4GHz ISM波段的不同系統良好的共存.在發射模式下,位映射和調制是根據 IEEE 802.15.4的規范來完成的.調制(和擴頻)通過數字方式完成.

圖6 CC 2430無線接收器

3 實驗及結果分析

串口通信在無線傳感器網絡中十分重要,因為串口可以將無線傳感器網絡與人機接口聯系在一起,用戶可以通過 PC機來觀測無線傳感器網絡工作正常與否.串口的測試分為 3個階段.

1)由 CC2430通過串口發送一串固定數據,通過串口調試助手觀測是否有數據,及數據是否正常.

2)由串口調試助手發送一串數據,由 CC2430接收后再由串口發出,然后由串口調試助手觀測該數據是否與剛才發出的數據相同,見圖7.

3)通過 PC機上的數據管理系統與主節點串口通信,用于發送控制指令和接收各節點 RSSI信息.

經過這些調試后,串口可以正常工作,接收和發送數據一切正常,用戶可以通過 PC機與無線傳感器網絡進行對話,控制移動機器人及獲得無線傳感器網絡的相關信息.

圖7 串口助手串口調試圖

無線通信實驗

無線通信的結果不容易直接觀測,因此需要通過上面所述的串口通信幫助觀察結果,具體步驟如下:

1)無線通信模塊上有一紅一綠兩個 LED,其中一個作為發送指示(紅),另一個作接收指示(綠).當無線模塊不工作時,兩個 LED均處于熄滅狀態;當無線模塊向外發送一串數據時,紅燈閃爍1次;當無線模塊接收到一串數據時,綠燈閃爍 1次.

2)利用兩個模塊,其中一個(節點 1)通過串口與 PC機相連,另外一個(節點 2)與其進行無線通信.PC機利用串口助手向節點 1發送一串數據,節點 1通過無線方式將該數據發送給節點 2,節點 2收到數據后,將該數據再由無線方式發回節點 1,節點 1再由串口發送到 PC機,PC機通過串口助手可以觀測該數據是否與剛才發送的數據相同,如果相同則證明無線收發成功.

3)各信標節點與移動機器人無線通線,以獲得移動節點與各個信標節點的 RSSI,并通過無線方式發送給主節點.最后通過串口將 RSSI傳送給PC機,如圖8.

經過實驗,節點間的無線通信工作正常,可以準確、高速、穩定的傳輸所需發送的數據.本節點設計小巧、方便,具有較強的實用推廣價值.

圖8 無線接收的RSSI在PC機上顯示圖

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