線型WSN網絡節點的設計

張捐凈 聶萌瑤

摘要：本文從線型WSN網絡的特點出發，提出了一種適用于線型網絡的傳感器節點的硬件設計方案，主要論述了傳感器節點核心電路的設計，包括處理器模塊和射頻模塊，此外還有傳感器模塊設計和電源電路以及調試接口的設計，經過測試，該系統能夠完成網絡的數據采集和傳輸的功能，證明系統節點的硬件設計可以使用，對于無線傳感無網絡的構建具有一定的指導意義。

關鍵詞：線型WSN;網絡節點

中圖分類號：TP393? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1009-3044（2018）31-0051-02

1 概述

近年來，隨著無線傳感器網絡技術的發展與應用的普及，它已經滲透到生活中的各個方面，比如：在軍事上，敵方兵力和裝備的監控、戰場實時監視等;在環境監測方面，農作物灌溉、土壤、空氣、家禽牲畜的環境監測等;在醫療護理方面，醫院的藥物管理、人體生理數據的采集與檢測，醫患互動的監控等;在智能家居方面，利用遠程監控完成對家電的遙控等;在建筑物狀態監控方面，利用WSN監控它的狀態及時發現存在的安全隱患并傳遞給后臺管理人員。當然，WSN還有很多其他方面的應用，它改變了人類與自然界交互的方式，將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在一起，人們利用它直接感知客觀世界，從而極大的擴展現有網絡的功能和人類認識世界的能力。因此，WSN被列為21世紀最有影響力的21項技術和改變世界的10大技術之一。

線型WSN是一種特殊類型的傳感器網絡，它所監控的區域類似于線性結構，廣泛應用在高速公路，河流，火車軌道，輸變電線等的監測系統中。此種網絡的主要特點是：數據傳輸距離遠并且路徑單一，傳感器節點沿著監測成線型布設;根據Zigbee協議設備在網絡中擔當的角色，線性區域中一般會有多個終端節點和路由節點，但是距離后臺的控制中心一般只有一個中心節點，也就是SINK節點，它是網絡主要的數據處理單元。

線型WSN的基本組成單元是傳感器節點，大量傳感器節點隨機部署在監測區域，通過自組織的方式構成網絡。傳感器節點通常是一個微型的嵌入式系統，由于考慮到節點的微型化、擴展性和靈活性、穩定性和安全性、低成本的特性，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過攜帶能量有限的電池供電。在實際的應用中，根據節點在網絡中充當的角色不同，傳感器節點分為以上三種類型，而且三種類型節點的基本功能是相同的。終端節點是網絡的前端觸角，負責監測區域的信息采集、傳輸和簡單的處理，一般由以下部分組成：傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、能量供應模塊和外圍模塊。由于長期放置在無人值守的野外，環境比較惡劣，更換電池不太方便，因此節點的設計一定要考慮低功耗的特性要求。終端節點的完整結構如圖1所示。但是匯聚節點不包括傳感器模塊，它是數據處理中心，負責接收返回的數據和向其他節點發送命令，因此加入與上位機通信的RS232串口模塊。同樣路由器節點也不包括傳感器模塊，它的實際作用只是數據信息的中轉站，距離匯聚節點較遠的節點通過它的中轉傳輸信息。

2 傳感器節點核心電路設計

傳感器網絡是一種和應用相關的網絡，不同的應用需求配套不同的網絡模型、軟件系統和硬件平臺。節點的核心電路主要是處理器模塊和無線通信模塊，目前節點的核心硬件設計主要分為以下兩種類型。

1）MCU+RF模塊

節點采用全球通用的開放頻段2.4GHZ進行無線通信，以低功耗的單片機作為處理器芯片，同時選擇內嵌ZIGBEE協議的無線收發芯片組成節點的核心電路。雖然單片機技術目前發展比較成熟，使用方便，易于控制，但是拓展性不是很好。后期的擴展存在局限性。而且如果自己設計硬件還需要考慮到端口的匹配，端口的驅動能力等影響。一種簡單的MUC+RF設計策略如下圖2所示。

2）SOC設計

隨著電子技術的進步，集成電路（IC）制造工藝的迅速發展，片上系統（SOC）得到了越來越廣泛的應用。SOC實現了在一塊微型芯片上將系統的處理器模塊、算法模塊以及各層次的電路和器件等設計整合到一起，完成整個系統的功能。和傳統IC搭建的電子系統相比較，SOC具有以下的優點：低功耗;由于集成度較高，減少了芯片對外連接的管腳數，相應減少了外圍接口電路和驅動電路，同時內嵌的線路減少了系統信號之間的干擾，因此它具有高可靠性;開發成本較低;開發周期短。此種設計在一定程度上能夠簡便的實現系統功能，同時提高了系統性能，降低了開發的成本，因此本文使用這種設計策略。選擇適用于傳感器網絡節點設計的一款片上系統CC2530。

CC2530內嵌Zigbee協議，采用全球通用的收發頻段2.4GHZ是一款真正地將IEEE 802.15.4Zigbee和RF4集成在一起的片上系統。它內嵌有標準的增強型8051內核，結合RF收發器的優良性能，可以實現系統內可編程閃存，具有8KB的隨機存儲器（RAM）以及其他強大的功能。此外它可以有幾種不同的運行模式，根據不用的應用選擇不同的模式，使得它尤其適用于超低功耗要求的系統，同時不同的模式間相互轉換需要的時間很短也能進一步降低能源的消耗。CC2530設計電路原理圖如圖3所示。

3 外圍模塊的設計

WSN網絡要構成一個完整的系統，就要達到擴展性、靈活性和高效性的要求，因此需要外部支持系統。外圍模塊的設計一般包括外部存儲器、模數轉換電路和外部接口電路以及電源模塊等。由于CC2530芯片本身內部具有模數轉換功能，而且存儲空間很大，可以直接使用，不需要外部轉換電路和外擴存儲器。

1）電源電路設計

電源電路是節點的能量供應單元，實際應用過程中通常采用電池供電。協調器一般都能與PC機直接通信，它可以使用接口作為電源使用，但是因為接口和芯片所需的電壓有差，于是需要加入旁路電容來控制電壓的輸入輸出。電源電路如圖4所示。

2）調試接口的設計

協調器是網絡的中心節點，它負責全網數據的上傳和命令的下達。為了實現它和PC的相互通信，設計USB調試接口，能夠直接和電腦連接。如圖5所示。

4 結論

系統硬件設計完成之后，在實驗室的條件下進行了硬件測試。終端節點搭載了溫濕度傳感器SH11進行模擬調試，它是一種數字傳感器，接口簡單，使用方便。中間布置了4個路由器節點，網絡內有一個協調器節點直接和PC機相互連接，用來接收網絡數據并上傳給PC機，顯示結果如圖6所示。經過測試，該系統能夠完成網絡的數據采集和傳輸的功能，證明系統節點的硬件設計可以使用，對于無線傳感無網絡的構建具有一定的指導意義。