無線傳感器網(wǎng)絡遠程監(jiān)測節(jié)點的功能擴展電路

劉文平，閆 述，臧建國

（江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

根據(jù)實際需要對節(jié)點功能進行擴展，是無線傳感器網(wǎng)絡應用開發(fā)中經(jīng)常遇到的問題。在常見的幾種節(jié)點cc2430[1]（美國 Chipcon 公司）、IRIS[2]（Crossbow 公 司）和 JN5139[3]（Jennic公司）中，JN5139系列因提供了較多的外圍接口，能夠同時采集多種數(shù)據(jù)；采用串口直接進行程序燒錄和功能調(diào)試，容易通過串口與GPRS直接相連，便于用戶根據(jù)需要自行開發(fā)，如在新疆煤田火區(qū)無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測中的應用。文中在文獻[4-5]的基礎(chǔ)上，闡述了節(jié)點工作時序與功能擴展電路設(shè)計中應注意的問題，利用節(jié)點管腳檢測蓄電池電壓時分壓電路設(shè)計中應掌握的原則，通過紐扣電池為節(jié)點時鐘芯片供電的必要性，匯聚節(jié)點GPRS開關(guān)電路設(shè)計要點，以及匯聚節(jié)點看門狗控制電路的作用等。

1 節(jié)點高溫監(jiān)測與供電電路

1.1 節(jié)點時序邏輯下的高溫監(jiān)測電路

火區(qū)煤層的溫度可高達800℃，JN5139節(jié)點標配的SHT1X系列溫濕度傳感器測溫范圍有限 （-40～123．8℃），需用高溫傳感器置換。為此采用了測量范圍較廣的K型熱電偶（-50～1 300℃）作為高溫傳感探頭、用 MAX6675（轉(zhuǎn)換分辨率 0．25℃，轉(zhuǎn)換范圍 0～1 024℃）作為放大與數(shù)字轉(zhuǎn)換器[6]，遵循SPI總線協(xié)議，為JN5139節(jié)點配備了高溫傳感器。圖1（a）、（b）分別為高溫傳感器與JN5139節(jié)點的接口電路和供電電路， 其中6、5、7和1、22、23是傳感器和節(jié)點間的 SPI總線接口引腳。傳感器采用SPI總線協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，因此傳輸過程中要求節(jié)點嚴格遵循SPI協(xié)議時序邏輯進行工作。JN5139節(jié)點23引腳（MISO）內(nèi)部與Flash存儲器直接相連。節(jié)點在上電復位期間，對Flash存儲器進行讀取，應保證MISO引腳保持高電平。在高溫采集電路中MISO引腳需滿足復位期間保持高電平的要求，使得程序能夠正確讀取Flash存儲器中的內(nèi)容進行初始化操作。節(jié)點與MAX6675芯片上電順序?qū)⒂绊慡PI總線邏輯動作的正確性，因此，應經(jīng)JN5139的39引腳連接到MAX6675的4引腳供電，如圖1（a）所示。不應從HT7333的Vout直接到4引腳。

需要注意的是，SPI作為JN5139與外圍設(shè)備通信的同步串行數(shù)據(jù)傳輸接口，要盡量短，以減小線路過長引起的分布電容、漏電感，否則將引入干擾，導致SPI時序邏輯混亂，一方面影響復位期間軟件BootLoader對ROM中程序的讀取，另一方面使高溫傳感器采集數(shù)據(jù)不能正常傳輸。在印制電路板制作過程中，應將電路板上的模擬電路、數(shù)字電路、高頻電路分開，盡量降低數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲對模擬電路正常工作的影響；高頻電路部分走線盡量短，減小高頻電磁干擾，旁路電容、去耦電容盡量接近相應元器件；加粗地線，印制電路板上的模擬地和數(shù)字地分開，避免模擬電路地線形成環(huán)路。盡量保留電路板敷銅面積用來散熱、連接地線和屏蔽干擾。

1.2 時鐘芯片供電和蓄電池電壓檢測電路

在JN5139節(jié)點開發(fā)中發(fā)現(xiàn)，當節(jié)點供電設(shè)備失效時，節(jié)點內(nèi)部時鐘芯片因無電源供應不能正常工作，導致計時不準，供電恢復后節(jié)點不能恢復正常工作。為此在擴展電路板上通過3 V紐扣電池為JN5139節(jié)點的PCF8563時鐘芯片提供恒定電壓，保證時鐘芯片在節(jié)點供電失效時仍能持續(xù)正常工作，電路如圖2所示。

圖1 高溫傳感器與JN5139節(jié)點的接口電路和供電電路Fig．1 The interface and power supply circuit between high temperature sensor the JN5139 node

圖2 時鐘芯片供電、蓄電池電壓監(jiān)測電路Fig．2 Clock chip power supply and battery voltagemonitoring circuit

為使監(jiān)測中心及時了解節(jié)點能量消耗狀況，可通過JN5139節(jié)點的模擬量輸入ADC1引腳對蓄電池電壓進行檢測。該引腳輸入電壓范圍為0～2．4 V，額定電流為655μA。電阻R1和R2對蓄電池電壓進行分壓和限流。當用于對匯聚節(jié)點12 V蓄電池進行電壓監(jiān)測時，為確定R1和R2自身阻值及分壓比例，從降低節(jié)點功耗、提高測量準確性、保證節(jié)點穩(wěn)定可靠工作三方面考慮，分別對ADC1引腳輸入電流、輸入電壓進行實測，如圖3所示。監(jiān)測中心通過對蓄電池電壓進行監(jiān)測粗略了解節(jié)點能量消耗情況，在節(jié)電正常工作時，允許存在1%的測量誤差。為降低節(jié)點功耗，取輸入電流為10μA，輸入電壓為0．73 V。此時R1=1 MΩ、R2=62 kΩ。并聯(lián)在R2上的2 V穩(wěn)壓管D1是防止具有感抗的電阻R2在使用中產(chǎn)生自激震蕩，損壞回路中的其他器件，同時降低可能有的加電及噪聲引起的電壓波動對電路穩(wěn)定性的影響。

2 GPRS開關(guān)和看門狗控制電路

2.1 GPRS控制電路

圖3 ADC電流-測量誤差、電壓-測量誤差曲線圖Fig．3 The curve of ADC input current/measurement error and ADC input voltage/measurement error

新疆煤田火區(qū)無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)回傳，采用的是匯聚節(jié)點上GPRS的遠程通信方式。為控制遠程通信的開通與關(guān)斷，可通過在GPRS和蓄電池電源間加入開關(guān)電路來實現(xiàn)，如圖4所示。圖中VT1是控制GPRS電源開關(guān)的P溝道耗盡型MOSFET管，R1與R3分壓后為 VT1的 G、S端提供合適的開啟電壓（1．8 V），光電耦合器 U1（TIL117M）的 1 引腳通過限流電阻R4與JN5139的DIO8引腳相連。R2為上拉電阻，為三極管VT2提供驅(qū)動電流。VT2基極連接U1的5腳，控制器通過光電耦合器控制三極管VT2的通斷[7]。匯聚節(jié)點需要回傳數(shù)據(jù)時調(diào)用函數(shù) vAHI_DioSetDirection（0，E_AHI_DIO8_INT）將DIO8引腳設(shè)置為輸出狀態(tài)，調(diào)用函數(shù)vAHI_DioSetOutput（E_AHI_DIO8_INT，0） 將 DIO8引腳設(shè)置為高電平，NPN 型三極管 VT2導通，VT1的 G、S端電壓 UGS＜0，取電阻 R1=3．9 kΩ，R3=1 kΩ， 使得 UGS達到 VT1的開啟電壓，VT1導通，蓄電池電壓加在GPRS兩端，GPRS正常工作。數(shù)據(jù)回傳完成后，節(jié)點調(diào)用函數(shù) vAHI_DioSetOutput（0，E_AHI_DIO8_INT）將DIO8引腳設(shè)置為低電平。NPN型三極管VT2截止，VT1的G、S引腳電壓 UGS達不到VT1的開啟電壓，VT1斷開，蓄電池停止對GPRS進行供電，GPRS停止工作。

圖4 GPRS開關(guān)電路Fig．4 Circuit of GPRSswitches

2.2 看門狗開關(guān)控制電路

遠程監(jiān)測系統(tǒng)應該保證發(fā)生故障時，能夠在沒有人為干預的條件下自動恢復。改善系統(tǒng)可靠性的一種簡單、有效的措施是采用看門狗電路?？撮T狗（watch dog timer）是一種定時器，圖5是選用MAX706芯片[8]設(shè)計的看門狗控制電路。其中的輸入引腳6用來 “喂狗”，獨立的輸出引腳8用來連接JN5139的RESETN復位端。匯聚節(jié)點的微處理器JN5139正常工作時每隔固定時間給看門狗的“喂狗”引腳輸出一個有效電平信號，當系統(tǒng)受到外界干擾程序陷入死循環(huán)或工作異常時，不能按時進行“喂狗”，看門狗芯片在規(guī)定時間內(nèi)，例如在1．6 s內(nèi)沒有被觸發(fā)時，輸出引腳會自動輸出一個低電平信號，使JN5139節(jié)點復位。

MAX706芯片自帶用于電源失效報警、低電壓檢測功能的1．25 V門檻電壓探測器。通過MAX706的1．25 V門檻電壓探測器對看門狗電路功能進行擴展，當節(jié)點供電設(shè)備不能正常工作時，可使節(jié)點處于復位狀態(tài)。具體做法是，將節(jié)點工作電壓經(jīng)過兩等值電阻分壓后連至MAX706的PFI引腳，MAX706的PFO引腳連接節(jié)點的復位引腳RESETN[9]。蓄電池為節(jié)點提供額定工作電壓（3～3．3 V）時，PFI引腳輸入電壓高于1．25 V，PFO輸出高電平，節(jié)點正常工作。當蓄電池電壓低于5．5 V時，供電設(shè)備工作異常，節(jié)點供電電壓為零，PFI引腳輸入電壓低于1．25 V，PFO引腳輸出低電平，節(jié)點處于復位狀態(tài)。當蓄電池電壓高于5．8 V時，供電設(shè)備正常工作，蓄電池正常為節(jié)點提供工作電壓，PFI引腳輸入電壓大于1．25 V，PFO引腳輸出高電平，節(jié)點恢復正常工作。1．25 V門檻電壓探測器的應用降低了節(jié)點因供電異常引起的程序不能正常運行，節(jié)點無法加入網(wǎng)絡的故障率。

圖5 看門狗開關(guān)控制電路Fig．5 Circuit ofwatchdog timer controller

在節(jié)點休眠期間，CPU停止工作，不能按時給看門狗芯片提供“喂狗”的有效電平信號。因此，節(jié)點休眠期間要求看門狗芯片停止工作，在休眠蘇醒后，看門狗芯片正常工作。在圖4所示的看門狗開關(guān)控制電路中，休眠蘇醒之后，匯聚節(jié)點調(diào)用函數(shù) vAHI_DioSetDirection（0，E_AHI_DIO820_INT）將JN5139數(shù)字輸入輸出接口DIO20引腳設(shè)置為輸出狀態(tài)，然后程序調(diào)用函數(shù) vAHI_DioSetOutput（0，E_AHI_DIO20_INT）將DIO20引腳設(shè)置為低電平，VT1導通，看門狗芯片/WDO引腳與/MR引腳連接到JN5139的復位輸入端。傳感器節(jié)點通過函數(shù) vAHI_DioSetOutput（E_AHI_DIO11_INT，0）實現(xiàn)喂狗功能。節(jié)點休眠之前，控制DIO20引腳輸出高電平，使VT1截止，看門狗輸出引腳不能直接與節(jié)點復位輸入端相連，看門狗芯片停止對JN5139的監(jiān)測。

3 結(jié) 論

正確處理節(jié)點工作時序是應用開發(fā)的重要前提；紐扣電池可保證供電設(shè)備恢復后節(jié)點恢復正常工作；利用節(jié)點管腳實現(xiàn)檢測功能，需要注意額定電壓、電流和功耗、檢測精度之間的關(guān)系；匯聚節(jié)點的GPRS開關(guān)電路中，光電耦合器的應用避免了將高電壓直接接入節(jié)點引腳導致節(jié)點損壞；看門狗電路和電源失效報警、低電壓檢測可在遠程監(jiān)測條件下系統(tǒng)受到外界干擾時使程序自動復位。上述功能擴展電路的自耗電1．9 mA，在火區(qū)實地運行中實現(xiàn)了高溫監(jiān)測功能，提高了無線傳感器網(wǎng)絡的可靠性、穩(wěn)定性和健壯性。

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