無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多無線傳感器節(jié)點協(xié)同組織起來的，這些節(jié)點具有無線通訊、數(shù)據(jù)采集和協(xié)同合作能力，可以應(yīng)用于布線和電源供給困難或人員不能到達(dá)的區(qū)域以及一些臨時場合等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以隨機或特定地布置在目標(biāo)環(huán)境中，它們之間的通訊通過特定的協(xié)議自組織起來，能夠獲取周圍環(huán)境的信息，并且相互協(xié)同完成特定任務(wù)。本文基于nRF905設(shè)計了一款無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將普通辦公樓室內(nèi)的溫度采集傳感器節(jié)點連接起來，實時采集房間內(nèi)的溫度信息，并傳送到遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行監(jiān)測。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。傳感器節(jié)點用多跳中繼的方式將數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點，然后再經(jīng)過各種通信網(wǎng)絡(luò)途徑傳送到用戶交互的管理節(jié)點；管理節(jié)點對整個傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和對管理項進(jìn)行管理，及時地收集信息數(shù)據(jù)并發(fā)布監(jiān)測任務(wù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有如下特點：

①基于應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是對每一個應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計的，通過感知識別客觀世界的物理量，它可以獲取外部信息。

②與物理世界交互。外部環(huán)境變化對無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的影響較大，因此，傳感器節(jié)點必須適時地調(diào)整自身工作狀態(tài)，以適應(yīng)環(huán)境的變化。

③自組織網(wǎng)絡(luò)。為了能夠快速自動地配置調(diào)節(jié)、監(jiān)測與管理網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點需具有自組織能力，這是因為網(wǎng)絡(luò)的外部環(huán)境不穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)自身也有很多不可預(yù)測的地方。

④以數(shù)據(jù)為中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，快速有效地融合各節(jié)點信息，直接將其傳送給用戶。

⑤網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求用大量節(jié)點進(jìn)行分布式協(xié)同的信號和信息處理，這是因為單個節(jié)點計算能力有限。

⑥節(jié)點能力有限。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，會面臨電池能量、計算能力以及存儲能力有限的情況。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有許多其他網(wǎng)絡(luò)所沒有的優(yōu)點，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)深入到人類社會的許多場合，例如在環(huán)境、反恐、家庭、軍事、醫(yī)療、救災(zāi)以及其他商業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域。

溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)系統(tǒng)要求，溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)包括遠(yuǎn)程控制中心和智能節(jié)點。遠(yuǎn)程控制中心用于發(fā)起數(shù)據(jù)采集命令，智能節(jié)點用以實現(xiàn)信息的采集、數(shù)據(jù)處理以及傳輸功能，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由控制模塊、無線收發(fā)模塊、通訊模塊、溫度采集模塊、存儲模塊、電量檢測模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊以及GSM模塊等組成。依據(jù)實際應(yīng)用背景，在所設(shè)計的溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)中，普通節(jié)點首先通過無線射頻將所測溫度數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點，然后匯聚節(jié)點通過GSM模塊將數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程控制中心。

圖1 溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成圖

溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

控制模塊設(shè)計

控制模塊的功能包括：①測量并處理傳感器模塊數(shù)據(jù)；②讀取并處理無線收發(fā)模塊接收的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，配置系統(tǒng)參數(shù)；③通信協(xié)議處理，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信中的MAC和路由協(xié)議處理。因此，綜合考慮控制模塊的處理速度、存儲空間、外圍接口、功能和功耗等因素，本設(shè)計選取µPD78F0485微控制器作為控制模塊的核心器件。

µPD78F0485微控制器具有如下特點：①工作電壓低、范圍寬、功耗低：電壓為1.8V~5.5V；在STOP模式下工作電流1µA，使用副時鐘（32.768kHz）全速工作時電流僅200µA。②方便的開發(fā)方式，存儲容量大：支持在線編譯，具有片上調(diào)試功能；內(nèi)部存儲器為60KB，高速RAM為1KB，擴展ROM為1KB，存儲空間為64K。③管腳驅(qū)動能力強：驅(qū)動電流可達(dá)10mA，可直接連接到電流低于10mA的芯片的電源引腳上，為這些芯片提供電源。④具有8通道10位AD轉(zhuǎn)換器；內(nèi)置看門狗定時器。⑤具有按鍵中斷功能，方便系統(tǒng)實時響應(yīng)用戶操作。⑥具有LCD控制器/驅(qū)動器，可直接驅(qū)動液晶顯示器。⑦具有1個16位的定時器/事件計數(shù)器，3個8位的定時器/事件計數(shù)器，3個8位的定時器，1個實時計數(shù)器，定時器可用作實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)定位過程中的延時，實時計數(shù)器主要用作實現(xiàn)系統(tǒng)的時鐘同步功能。⑧兩通道串行接口等片內(nèi)資源，可以直接連接GSM模塊和USB通訊模塊。⑨共有62個I/O口，多數(shù)接口具有內(nèi)部上拉電阻，對于必須使用上拉電阻的電路，可使用內(nèi)部上拉電阻，以節(jié)省電路板空間。⑩內(nèi)置蜂鳴器輸出控制器，可實現(xiàn)低電壓報警、溫度報警等功能。

無線收發(fā)模塊設(shè)計

本設(shè)計在考慮調(diào)制方式、功耗、傳輸距離、功率等因素的基礎(chǔ)上，選取Nordic VLSI公司的無線射頻芯片nRF905。nRF905是一款低功耗無線收發(fā)芯片，可工作于433/868/915MHz ISM頻段，GFSK調(diào)制，本設(shè)計采用433MHz為中心頻率。該收發(fā)芯片由功率放大器、頻率合成器、晶體振蕩器、接收解調(diào)器和調(diào)制器組成，片內(nèi)自動完成曼徹斯特編碼和解碼，廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測和家庭自動化等領(lǐng)域。

nRF905通過SPI與微控制器進(jìn)行通信，可自動處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗）。發(fā)送數(shù)據(jù)時，微控制器只需將配置寄存器信息、所要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收地址通過SPI傳送給nRF905，它會自動完成數(shù)據(jù)的打包和發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時，nRF905自動檢測載波并進(jìn)行地址匹配，接收到正確數(shù)據(jù)后自動移去字頭、地址和CRC校驗碼，再通過SPI將數(shù)據(jù)傳送到微控制器。nRF905具有四種工作模式：掉電模式、待機模式、Shock Burst接收模式和Shock Burst發(fā)送模式。在掉電模式中，電流僅為2.5µA，易于實現(xiàn)節(jié)能。當(dāng)nRF905處于掉電模式時，SPI接口仍可以保持在工作狀態(tài)；通過Shock Burst收發(fā)模式進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，收發(fā)可靠，使用方便。因此，nRF905在諸多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，這些特點決定了nRF905芯片非常適合應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

無線收發(fā)模塊的電路如圖2所示?？刂埔_TX_EN、TRX_EN、PWR_UP直接與微控制器的P44、P45、P46相連；狀態(tài)引腳DR與微控制器的中斷引腳P120/INTP0相連，狀態(tài)引腳CD、AM直接與微控制器P47、P10相連；由于系統(tǒng)沒有SPI總線，因此采用I/O引腳模擬SPI總線通信。微控制器的P11、P12、P13分別與nRF905的SCK、MOSI、MISO連接；微控制器的P14與SPI的控制端口CSN連接。nRF905通過電容和電感與天線J2相連接。nRF905帶有外部時鐘輸出引腳uPCLK，能夠輸出四種不同頻率的時鐘，采用示波器連接uPCLK引腳可測試nRF905是否工作正常。

圖2 無線收發(fā)模塊電路圖

存儲模塊設(shè)計

傳感器節(jié)點需存儲用戶設(shè)定的參數(shù)以及運行記錄等大量數(shù)據(jù)。本設(shè)計選擇AT24C256作為存儲芯片，它是ATMEL公司推出的低功耗256K串行EEPROM芯片，具有如下特點：①具有三種工作電壓，分別為5.0V、2.7V、1.8V；②具有64字節(jié)頁寫模式；③符合雙向數(shù)據(jù)傳送協(xié)議；④具有硬件寫保護(hù)和軟件數(shù)據(jù)保護(hù)功能；⑤采用斯密特觸發(fā)，可抑制輸入噪聲；⑥采用2線串行接口；⑦內(nèi)部可以組織成32K×8存儲單元。

AT24C256存儲器電路如圖3所示，AT24C256的A0引腳和A1引腳接地。由于µPD78F0485微控制器沒有I2C接口，因此采用µPD78F0485的I/O引腳模擬I2C總線通信。采用µPD78F0485的I/O引腳控制EEPROM的供電，將存儲器的電源引腳VCC與µPD78F0485的P12引腳相連接。使用存儲器時，需設(shè)置P12引腳輸出高電平，以實現(xiàn)為存儲器供電；不使用存儲器時，可將存儲器電源關(guān)掉，節(jié)省電量，這也保證了電源不穩(wěn)定時不能訪問EEPROM，防止EEPROM讀寫出現(xiàn)錯誤。µPD78F0485的P13和P14與AT24C256的SCL引腳和SDA引腳相連接。

圖3 AT24C256存儲器電路圖