CN101521609A - 无线传感器网络节点硬件装置 - Google Patents

Abstract

无线传感器网络节点硬件装置涉及拓扑结构、通信控制、网络自组、动态数据管理。本发明就是提供一种无线传感器节点硬件装置，提高无线传感器网络节点的性能，并增加无线传感器网络在实际中应用的实用性。本发明包括微处理模块、无线通信模块、传感器模块、电源模块组成，其特征在于，所述的微处理器模块采用AVR系列单片机中的ATmegal128L芯片，采用精简指令集，流水线工作；所述的通信模块采用CC2420射频芯片符合2.4GHz，IEEE802.15.4标准的射频收发器；所述的传感器模块采用DS18B20温度传感器采集温度信号，其输出信号为数字信号，可以通过I/O口直接为微处理器获得；所述的电源模块采用DS2770芯片，来对电源进行电量监测以及充放电控制。

Description

无线传感器网络节点硬件装置

技术领域：

本发明是涉及拓扑结构、通信控制、网络自组、动态数据管理，尤其涉及无线传感器网络的数据获取、数据分布和控制管理的网路分布的硬件结构的改进。

背景技术：

在国外，对无线传感器网络的研究从上世纪九十年代开始，九十年代末至本世纪初兴起，从芯片的设计、硬件平台的搭建，到对物理、媒体接入、路由层协议以及跨层设计的研究，都是研究机构和企业关注的热点，传感器网络的挑战性为研究人员提供了广阔的研究空间。美国国防先进研究计划局于2001年资助加州伯克利大学开发了名为“Smart Dust”智能灰尘的无线传感器开发系统。在2003年度的自然科学基金自主的专题中，便有一个是传感器与传感器系统及网络，拨款额度达到三千四百万美元。美国国防部在这方面的投入更为巨大。美国的很多大学都已开展传感器网络的研究。加州大学伯克利分校(University of California，Berkeley)研制的传感器系统Mica、Mica2、Mica2Dot已被广泛地用于低能无线传感器网络的研究和开发。国外对无线传感器网络研究的一些关键技术都严格保密，一些公开的技术也只能局限于实验研究。因此，我国有必要有必要掌握无线传感器网路相关技术，使无线传感器网络得到广泛的应用。

国内很多企业也参与了无线传感器网络节点硬件装置的研发，并推出了很多成熟的产品。这些产品多采用MSP430+CC2420或者CC2430芯片来设计无线传感器网络节点硬件装置，功能比较简单，在实验研究中具有局限性，更不适合实际应用。

发明内容：

本发明就是针对上述问题，提供一种无线传感器节点硬件装置，提高无线传感器网络节点的性能，并增加无线传感器网络在实际中应用的实用性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括微处理模块、无线通信模块、传感器模块、电源模块组成，其特征在于，所述的微处理器模块采用AVR系列单片机中的ATmegal128L芯片，采用精简指令集，流水线工作；所述的通信模块采用CC2420射频芯片符合2.4GHz，IEEE802.15.4标准的射频收发器；所述的传感器模块采用DS18B20温度传感器采集温度信号，其输出信号为数字信号，可以通过I/O口直接为微处理器获得；所述的电源模块采用DS2770芯片，来对电源进行电量监测以及充放电控制。

本发明的有益效果：

由于本发明提供传感器外扩接口，可外扩电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等各类传感器；为了便于数据为上位机获得，节点提供串口通讯接口和上位机相连，能有效实现传感器数据采集，节点间无线通信，节点消耗能量的检测和电源电量监控以及对电池充电管理，节点可以采取电池供电，也可外接5V电源直接供电，既方便了实验研究的需要，也符合实际应用的需要。

本发明不依赖基础设施，能多径路由、自修复和自维护；具有分布式的数据结构，在部分节点毁损时可通过重组继续工作；拥有大量分布节点和信息融合机制，能有效降低系统的误报警概率；节点多功能组合能够快速定位移动对象，预测其运动趋势。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的整体电路原理框图；

图2为本发明的射频模块部分的电路原理图；

图3为本发明的微处理器(含传感器)部分的电路原理图；

图4为本发明的电源管理部分的电路原理图；

具体实施方式：

本发明包括微处理模块、无线通信模块、传感器模块、电源模块组成，所述的微处理器模块采用AVR系列单片机中的ATmegal128L芯片，采用精简指令集，流水线工作；所述的通信模块采用CC2420射频芯片符合2.4GHz，IEEE802.15.4标准的射频收发器；所述的传感器模块采用DS18B20温度传感器采集温度信号，其输出信号为数字信号，可以通过I/O口直接为微处理器获得；所述的电源模块采用DS2770芯片，来对电源进行电量监测以及充放电控制。

如图1所示，本发明的电源管理模块负责对微处理器模块、射频模块以及传感器模块供电，传感器模块将要采集的的信号采集上来传输到微处理器模块，然后通过无线射频模块传输到控制中心；微处理器模块也可对电源模块的实施实时检测，获得装置的电量消耗状况并及时对节点充电。

本发明的电路模块的工作原理进行描述：

(1)射频电路(CC2420)工作原理

如图2所示，CC2420符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准的无线收发芯片，CC2420具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16MHz晶振等非常少的外围电路就能在2.4GHz频段上工作。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。本发明的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。

本发明利用射频芯片CC2420从天线接收到射频信号，首先经过低噪声放大器，然后正交下变频到2MHz的中频上，经过中频信号的同相分量和正交分量。两路信号经过滤波和放大后，直接通过A/D转换器转换成数字信号。后继的处理，如自动增益控制、最终信道选择、解扩以及字节同步等，都是以数字信号的形式处理。当CC2420的SFD引脚为低电平时，表示接收到物理帧的SFD字节。接收到的数据存放在128字节的接收FIFO缓冲区中，帧的CRC校验由硬件完成。CC2420的FIFO缓冲区保存MAC帧的长度、MAC帧头和MAC帧负载数据三个部分，不保存帧校验码。CC2420发送数据时，数据帧的前导序列、帧开始分隔符以及帧校验序列由硬件产生；接收数据时，这些部分只用于帧同步和CRC校验，而不会保存到接收FIFO缓冲区。CC2420发送数据时，使用直接正交上变频。基带信号的同相分量和正交分量直接被数模转换器转换为模拟信号，通过低频滤波器，直接变频到设定的信道上。

本发明电路图中CC2420内部使用1.8V工作电压，适合于电池供电的设备；外部数字I/O接口使用3.3V电压，这样可以保持和3.3V逻辑器件的兼容型。它在片上集成了一个直流稳压器，能够把3.3V电压转化成1.8V电压。这样对于只有3.3V电源的设备，不需要额外的电压转换电路就能正常工作。CC2420射频信号的收发采用差分方式进行传输，其最佳差分负载是115+j180，阻抗匹配电路应该根据这个数值进行调整。如果使用单端天线则需要使用平衡/非平衡阻抗转换电路(BALUN，巴伦电路)，可以达到最佳收发效果。CC2420需要有16MHz的参考时钟用于250kbps数据的收发。装置使用外部时钟，直接从XOSC16Q1引脚引入，XOSC16Q2保持悬空，CC2420要求时钟源的精度应该在±40×10^-6以内。

(2)微处理器模块工作原理

如图3所示，本发明采用8位低功耗微处理器ATmega128L，它具有片内128K字节的程序存储器(Flash)，4K字节的数据存储器(SRAM，可外扩到64K)和4K字节的E2PROM。此外，它还有8个10位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时/计数器，并可在多种不同的模式下工作。8个PWM通道、可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器，UART、SPI、I2C总线接口、JTAG接口；

本发明中CC2420使用SFD、FIFO、FIFOP和CAA四个引脚表示收发数据的状态；而处理器通过SPI接口与CC2420交换数据、发送命令等。CC2420收到物理帧的SFD字段后，会在SFD引脚输出高电平，直到接收完该帧。如果启用了地址辨识，在地址辨识失败后，SFD引脚立即转为输出低电平。FIFO和FIFOP引脚标识接收FIFO缓冲区的状态。如果接收FIFO缓冲区有数据，FIFO引脚输出高电平；如果接收FIFO缓冲区为空，FIFO引脚输出低电平。FIFOP引脚在接收FIFO缓冲区的数据超过某个临界值时或者在CC2420接收到一个完整的帧以后输出高电平。临界值可以通过CC2420的寄存器设置。CCA引脚在信道有信号时输出高电平，它只在接收状态下有效。在CC2420进入接收状态至少8个符号周期后，才会在CCA引脚输出有效的信道状态信息。SPI接口由SCn，SI，SO和SCLK四个引脚构成。处理器通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储区。在访问过程中，CC2420是SPI接口的从设备，接收来自处理器的时钟信号和片选信号，并在处理器控制下执行输入输出操作；SPI接口接收或发送数据时都与时钟下降沿对齐。

(3)传感器模块工作原理

如图3所示，本发明提供外扩传感器接口，也自带温度传感器DS18B20。自带温度传感器DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。该装置信号线高的时候，内部电容器储存能量通由1线通信线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电。DS18B20的电源也可以从外部3V-5.5V的电压得到。

DS18B20采用一线通信接口，它必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先提供以下功能命令之一：读ROM、ROM匹配、搜索ROM，跳过ROM、报警检查的命令。由于本发明的装置只采用了一片单总线操作芯片，因此只需要执行下面命令，就可以完成对温度传感器温度数据的读取：1)发送跳过ROM命令；2)发送读取命令；3)发送读取类型命令；4)读取数据；

由于本发明的DS18B20与微处理器Atmega128L采用的是1-Wire总线通信协议方式，即在一根数据线上实现数据的双向传输，但对一般的单片机来讲，单纯的硬件并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件方法模拟单总线的协议时序，从而完成对DS18B20芯片的访问。

DS18B20在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求，只有严格遵守通讯协议才能保证数据传输的正确性和完整性。所有时序均以主机为Master，单总线器件为Slave，每次数据的传输均从主机启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，则在写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。

(4)电源管理模块工作原理

如图4所示，电源管理模块主要采用芯片DS2770，主要监测电池的容量、电压、电流、温度和电池充电模式管理与充电电流控制。ATmegal128L与DS2770通信并读取DS2770内部寄存器的数值，把电量和电压读取到微处理器中。

DS2770有两种工作方式：有源模式和睡眠模式。在有源工作模式，DS2770连续测量电流、电压、温度和时间，而且有电流流量累加和充电控制。主系统可采用此数据。仅当状态寄存器的PMOD设为1及以下情况出时，DS2770才进入睡眠模式：

当CINI设为0，DQ线保持低电平超过2秒。如果在充电，则充电立即停止。

当CINI设为1，DQ线保持低电平超过2秒。如果在充电，则充电完成后进入睡眠模式。而以下情况出现，DS2770进入有源工作模式：DQ线为高电平，CINI设为1时，VCH的电压大于VDD。

DS2770可单独作为支持对锂电池和镍氢电池充电的控制器工作，充电的电池类型通过状态寄存器CTYPE选择(0用于锂电池，1用于镍氢电池)。两者的充电控制是通过外部直流或限流充电电源的开/关选通完成，如果电池电压低于VLB且有充电电源，脚UV降为低电平，在快速充电开始前，要以小充电速率恢复电池电压，在图3应用电路中，UV通过一个360欧的串联电阻限制涓流充电电流。电阻的选择取决于充电电源。UV降为低电平与电池组的状态无关，电池电压达到VLB时，UV升为高电平。当涓流充电时，状态寄存器的CSTAT1和CSTAT0被清零，相应地用0、1值表示充电。

当发出开始充电命令(B5h)，状态寄存器的CINI设为1时，VCH脚上有充电电源；当VDD低于1.8V，电池涓流充电达到VLB，开始快速充电。

当低电平CC脚开始快速充电，在快充电期间，CC保持低电平，仅在周期性的测试充电电源是否过早断开时，CC每55ms有约27μs升为高电平。只要充电电源未断开，温度在有效范围内，充电就以CTYPE所选方式进行。如果充电电源断开或发出停止充电命令(BEh)，CC升为高电平，而且充电也要重新开始。如果DQ线保持低电平大于2s，且CINI设为0，充电停止。快速充电期间，状态寄存器的CTTATI和CSTAT0相应地用0，1表示；充电完成，CSTAT1和CSTAT0用1，1表示。充电状态锁存时要清零。一旦充电完成或失败，DS2770可进入睡眠方式或保持有源工作。

Claims (1)

1、无线传感器网络节点硬件装置，包括微处理模块、无线通信模块、传感器模块、电源模块组成，其特征在于，所述的微处理器模块采用AVR系列单片机中的ATmegal128L芯片，采用精简指令集，流水线工作；所述的通信模块采用CC2420射频芯片符合2.4GHz，IEEE802.15.4标准的射频收发器；所述的传感器模块采用DS18B20温度传感器采集温度信号，其输出信号为数字信号，通过I/O口直接为微处理器获得；所述的电源模块采用DS2770芯片，对电源进行电量监测以及充放电控制。

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