無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種由傳感器節(jié)點構成的網(wǎng)絡,，能夠實時地監(jiān)測,、感知采集節(jié)點部署區(qū)內感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度,、濕度,、噪聲和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并對這些信息進行處理后以無線的方式發(fā)送出去,，通過無線網(wǎng)絡最終發(fā)送給終端用戶,。隨著通信技術、嵌入式技術,、傳感器技術的飛速發(fā)展和日趨成熟,，具有感知、計算,、通信,、路由功能的微傳感器節(jié)點不斷涌現(xiàn),，由這些節(jié)點構成的無線傳感器網(wǎng)絡備受關注。因其在工業(yè)控制,、智能家居,、醫(yī)療健康等領域的廣泛應用而成為當今的熱點研究方向之一，被認為是對21世紀產生巨大影響的高新技術,。
本文針對無線傳感器網(wǎng)絡嵌入式網(wǎng)關系統(tǒng)硬件設計選擇了器件,，充分將GPRS(通用無線分組交換業(yè)務)技術、嵌入式技術,、短距離無線通信技術融為一體,，成功完成了本次嵌入式產品的開發(fā)。
1 無線傳感器網(wǎng)絡體系結構
無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常由傳感器節(jié)點(sensornode),、網(wǎng)關節(jié)點(sink node)和終端用戶組成,。如圖1所示，大量的傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域,，通過自組織方式構成網(wǎng)絡,。傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)經過多跳后路由到網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點在對數(shù)據(jù)進行分析,、融合等處理后,，通過有線或者無線的方式將數(shù)據(jù)送入終端用戶。用戶通過監(jiān)控中心對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理,，發(fā)布監(jiān)測命令以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù),。
2 網(wǎng)關節(jié)點特點及其功能
作為感知區(qū)域內傳感器節(jié)點與外部網(wǎng)絡或終端用戶的橋梁，網(wǎng)關節(jié)點要處理大量的數(shù)據(jù),，必須具備高速度,、大存儲量和較遠的傳輸距離，即低成本,、高效能,。同時因部署在環(huán)境惡劣地域，頻繁更換能源很不現(xiàn)實,，充足的能量供應必須優(yōu)先考慮,，低功耗設計也成為整個設計的關鍵環(huán)節(jié)之一。
網(wǎng)關節(jié)點在完成不同網(wǎng)絡間協(xié)議轉換的同時,，還要對傳感器網(wǎng)絡進行管理和設置,，需具備以下功能：掃描并選定物理信道，分配無線傳感器網(wǎng)絡內部網(wǎng)絡地址,，初始化網(wǎng)絡設置,；記錄WSN網(wǎng)絡所采用的MAC算法和路由協(xié)議，協(xié)助節(jié)點完成與鄰居節(jié)點連接的建立和路由的形成；發(fā)送監(jiān)控中心控制指令,，為用戶實現(xiàn)特定的操作功能,；接收采集節(jié)點的請求和數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合,、仲裁請求和路由選擇功能,。
3 網(wǎng)關節(jié)點硬件設計
依照設計原則，在很好地實現(xiàn)上述網(wǎng)關節(jié)點功能的同時,，為克服因傳統(tǒng)網(wǎng)關采用有線方式 (如串口電纜RS232)與終端用戶相連而導致的移動范圍受限,、遠程監(jiān)控困難、不能準確提供基準定位信息等一系列缺點,，參考當今前沿的短距離無線通信技術,、嵌入式技術，給出集中央處理單元,、存儲單元,、射頻收發(fā)模塊、GPRS無線通信模塊,、電源模塊五位于一體的硬件設計方案,。其總體結構及相互接口如圖2所示。
3．1 中央處理單元
網(wǎng)關的中央處理單元主要用來收集和處理從采集傳感器節(jié)點送來的數(shù)據(jù),，合理分配不同節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲,，并且完成終端用戶對傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的控制命令(包括休眠時間、采集間隔,、傳感器開關),；同時支持休眠,、任務喚醒模式,，滿足整個系統(tǒng)低功耗要求。
為了實現(xiàn)上述功能,，采用Philips公司的LPC2000系列32位ARM處理器LPC2106,。LPC2106支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI -SCPU，標準JTAG調試接口,，并帶有128 KB嵌入的高速Flash存儲器,；小型的LQFP封裝(7 mm×7 mm)、2種低功耗模式(空閑模式和掉電模式)以及外設功能的單獨使能和禁止,，非常適合于小型化,、低功耗作為主要要求的應用；雙UART,，其中一個具備完全的調制解調器接口,，完全滿足本設計要求；帶有寬范圍的串行通信接口(片內多達64 KB的SRAM)，由于具有大規(guī)模的緩沖區(qū)和強大的處理器能力,，非常適合于通信網(wǎng)關和協(xié)議轉換器,、聲音識別以及低端的圖像處理。
3．2 GPRS無線通信模塊
首先,，WSN是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡,，網(wǎng)關節(jié)點的上行數(shù)據(jù)量大而下行數(shù)據(jù)量小，因而在考慮網(wǎng)關節(jié)點與外部網(wǎng)絡的連接方式時,，上行數(shù)據(jù)率是一個關鍵指標,；其次，應用環(huán)境制約數(shù)據(jù)上行方式,；另外,，網(wǎng)關節(jié)點的成本及集成難度也是一個關鍵因素。綜合以上三點,，選用Simcom公司生產的CPRS無線通信模塊SIM300C,。該模塊具有如下特點：
①支持兩種操作模式(一種是電路交換數(shù)據(jù)模式CSD,，支持語音,、數(shù)據(jù)、SMS和FAX業(yè)務,；另一種是分組交換模式GPRS,，采用多時隙，支CSI-CS4編碼),；
?、跇藴实腁T命令，為GSM語音,、短消息以及GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務提供無線接口,；
③內置TCP／IP協(xié)議,，用戶不必自己編寫或者利用操作系統(tǒng)加入?yún)f(xié)議,，降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期,；
?、軘?shù)據(jù)下行、上行傳輸速率分別高達85．6 kbps和42．8 kbps,，標準RS232串行口,，通過串行口使用AI、命令完成對模塊的操作,；
?、葜С肿钌俟δ芎托菝邇煞N省電模式,。
需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關節(jié)點時，節(jié)點按照WSN的協(xié)議規(guī)范對數(shù)據(jù)進行打包,，然后通過無線方式經過一跳或多跳將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關節(jié)點,。傳感數(shù)據(jù)在通過無線傳輸進入網(wǎng)關節(jié)點后，微處理器利用WSN的協(xié)議棧拆包,，得到原始數(shù)據(jù)之后,，網(wǎng)關節(jié)點可應用其操作系統(tǒng)上的應用軟件根據(jù)具體需求對原始數(shù)據(jù)進行處理(如進行數(shù)據(jù)的融合，去除冗余,，減輕網(wǎng)關節(jié)點對外傳送的負擔),。處理后的數(shù)據(jù)經由TCP／IP模塊打包后通過串口與SIM300C相連，如圖3所示,。最后,，網(wǎng)關節(jié)點中的 GPRS模塊將數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡或者SMS方式傳送到上位機。當需要向傳感器節(jié)點傳達控制命令時,，上位機以短信的方式經GSM傳送到網(wǎng)關節(jié)點的GPRS 模塊,，完成相應任務。
如圖4所示,，將手機卡插入SIM卡座,，通過相應的AT指令便可以很方便地實現(xiàn)上位機和網(wǎng)關之間的自由通信，按流量計費,，降低系統(tǒng)成本,。
常用如下一些AT指令。
?、龠B網(wǎng)指令：AT返回狀態(tài)：OK(連網(wǎng)成功)
?、谌δ荛_啟指令：AT+CFUN=1
③關閉模塊指令：AT+CPOWD=1
?、茏x取第n條短信：AT+CMGR=n
同時,，DTR外接一個上拉電阻，配合“AT+CSCLK=1”指令,，可以輕易地實現(xiàn)SIM300C的休眠,，通過短信即可喚醒。休眠時GPRS電流消耗僅2．5 mA,，滿足整個系統(tǒng)低功耗要求。
3．3 射頻收發(fā)模塊
一個基于IEEE 802．15．4的CC2430無線收發(fā)模塊,，主要用來完成網(wǎng)絡節(jié)點之間,、節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點之間的無線通信。核心部分是一個CC2420射頻收發(fā)器,，它完全支持ZigBee組網(wǎng)協(xié)議,，具備傳輸速率高,、傳輸距離遠和低功耗等優(yōu)點。主要特征如下：
?、俟ぷ黝l帶范圍是2．4～2．483 5 GHz,；
②采用IEEE 802．15．4規(guī)范要求的DSSS(直接序列擴頻方式),；
?、蹟?shù)據(jù)速率達250 kbps，碎片速率達2 Mchip／s,，接收靈敏度高(-94 dBm),，鄰道抗干擾能力強(39 dB)，超低電流消耗(RX<27 mA,，TX<25 mA),；
④低電壓供電(2．1～3．6 V),，內部集成VCO,、LNA、PA及電源穩(wěn)壓器,。
CC2420通過簡單的四線(SI,、SO、SCLK,、CS)與SPI接口相連,。可以通過調制解調控制寄存器的控制位配置成不同的發(fā)射和接收模式,，通常工作在緩沖模式,。如圖5所示，它的外圍電路器件簡單,，主要包括晶振電路,、天線及阻抗匹配電路、接口電路和引腳的去耦濾波電路等,。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入／輸出阻抗,，使其輸入／輸出阻抗為50 Ω，同時為芯片內部的PA和LAN提供支流偏置,。
為了提高無線收發(fā)系統(tǒng)的效率,，保證傳輸距離，射頻電路天線的選取也至關重要,，其中包括射頻天線形狀,、輸出方向、天線長度,、天線材料等一系列因素,。射頻電路常用差動天線,、不平衡天線。典型的差動天線(如雙極天線),，不需要巴倫(balun)匹配可直接接人,。其他短距離通信的天線有單極天線、螺旋天線和環(huán)狀天線,。螺旋天線可以看作是單極天線和環(huán)狀天線的混合,，但是優(yōu)化起來比單極天線困難。環(huán)狀天線易于集成到印刷電路板(PCB)中,，但是由于發(fā)射阻抗非常低,，難于匹配，且匹配效果不好,，因此設計中選用單極天線,。
單端單極天線要求在差分輸出和天線之間有巴倫匹配。巴倫匹配可以采用傳輸線形式,，也可以采用離散元器件形式,，兩種形式都等效于在天線連接處匹配了50 Ω的負載。傳輸線形式較離散元器件形式,，不僅改善了誤差向量幅度性能,，而且靈敏度和諧波抑制也得到改善，所以設計中采用了傳輸線形式,。CC2430無線收發(fā)PCB布線圖如圖6所示,。
在PCB布線方面，λ／2巴倫匹配的傳輸線確保射頻信號在正確的頻段,，同時要遠離有耗材料(比如電池),，靠近射頻芯片以減少兩者之間的射頻損耗。另外,，還要避免數(shù)字信號對其的干擾,。因此，傳輸線各方向上要留有一定的避讓空間,，該距離與工作頻率成反比,。避讓空間沒有固定公式，根據(jù)物理形狀,、材料的射頻損耗等確定,。對于芯片，避讓空間的最小半徑在λ／100左右,；對于較大的有源損耗體(如AA電池),，最小半徑在λ／10左右(λ為無線通信頻率的波長)。采用的巴倫匹配傳輸線的避讓空間如圖6所示,。經匹配后的網(wǎng)關與節(jié)點能在150～200 m的范圍內自由通信,，傳輸效果令人滿意。
3．4 存儲單元
微處理器自帶128 KB Flash不能滿足操作系統(tǒng)的移植存儲的代碼量,，以及傳感器節(jié)點每天采集的數(shù)據(jù)量(64個節(jié)點一天大約4．3K),，故必須進行存儲器的擴展。結合考慮微處理器外設接口和數(shù)據(jù)存儲讀寫速度,，選擇2 Mb的非易失性鐵電隨機存儲器FM25H20,。其硬件原理圖如圖7所示。
FM25H20具有無限的讀寫次數(shù),，掉電數(shù)據(jù)多達10年保持時間,，寫數(shù)據(jù)無延時，快速SPI串行協(xié)議,，高達40 Mbps的總線速度,，完善的軟、硬件寫保護,，極低的靜態(tài)工作電流(5μA),，非常適合本嵌入式網(wǎng)關設計的需要。
3．5 電源模塊
無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點一般工作在無人值守的環(huán)境下,，所以選擇能源非常重要,；另外，自然界的能源補充也至關重要,。設計中采用太陽能電池板實現(xiàn)整個系統(tǒng)的能源供給,。比較當今常用電池性能，分析計算設計節(jié)點各模塊的功耗,，選擇額定電壓為3．7 V,、容量為1 Ah的高能量密度電池鋰離子電池(Lithium Ion battery)。與同樣大小的鎳鎘電池,、鎳氫電池相比,，電量儲備最大、重量最輕,、壽命最長,、充電時間最短、無記憶效應,，是目前性能最好的電池,。雙組電源輪流供電(一用一備)，利用無線收發(fā)模塊A／D采樣,、自動監(jiān)測控制電池電壓,，根據(jù)設計的電池上下限值自動開啟太陽能電池板對其自動充電，始終做到整個節(jié)點電源供給穩(wěn)定,。
結 語
本文針對無線傳感器網(wǎng)絡特點,，對WSN網(wǎng)關進行了研究,，并給出了詳細的硬件實現(xiàn)方案。關鍵模塊是：基于SIM1300C模塊的GPRS接口實現(xiàn)無線網(wǎng)絡到有線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸,；基于CC2430芯片的RF收發(fā)電路,。通過研究，較好地解決了WSN數(shù)據(jù)從采集地到監(jiān)控中心的雙向傳輸問題,，從邏輯上將物理世界與信息世界更加緊密地融合于一體,；在低功耗、高速度,、低噪聲,、低成本方面取得了較為滿意的結果，為開發(fā)和構造無線傳感器網(wǎng)絡開拓了新的應用領域,。