當今世界通信技術(shù)迅猛發(fā)展,，隨著微機電系統(tǒng),、片上系統(tǒng),、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN),，并以其低功耗、低成本,、分布式和自組織的特點帶來了信息感知行業(yè)的一場變革,。基于此,，設(shè)計實現(xiàn)了一種以CC24 30為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),。其中，傳感器模塊包括有溫濕度傳感器SHTll,、紅外傳感器BS520,、光照度傳感器PGM5506。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是對周圍環(huán)境的溫度,、濕度,、光、加速度等信息進行監(jiān)控和管理的技術(shù),。這種無線傳感器節(jié)點中內(nèi)置了傳感器,、傳感器控制電路、CPU,、無線通信模塊,、天線、電源裝置等,，通過Ad-Hoc通信技術(shù),，可以與周圍的傳感器節(jié)點一起把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。本文介紹的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個匯聚節(jié)點和多個傳感器節(jié)點組成,，通過匯聚節(jié)點上傳到遠程主機,。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 硬件電路的設(shè)計
CC2430是Chipcon公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng),。CC2430只需要很少的外接元件就可以運行,，其內(nèi)部已集成了大量必要的電路，因此采用較少的外圍電路即實現(xiàn)信號的收發(fā)功能,。圖2為CC2430基本電路設(shè)計,。
圖2中C1，C2為22pF的電容,，連接32 MHz的晶振電路,，此石英晶振用于正常工作使用。C3,，C4為15 pF的電容,，連接32．768 kHz的晶振電路，此石英晶振用于休眠時工作，從而降低功耗,。C5=O．1μF,，用于去除一些雜波干擾，防止單片機錯誤復(fù)位,。C6～C8分別為100 nF,，220n F，220 nF,，用作濾波,，去除雜波干擾使電壓更穩(wěn)定。C9=5．6 pF,，電路中非平衡變壓器由電容C9和電感L1,，L2，L3以及一個PCB微波傳輸線組成,，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求,，L1，L2,，L3分別為8．2 nH,，22 nH，1．8 nH,。C10,，C11，C12,，C13,，C14為去耦合電容，用于電源濾波,，以提高芯片工作的穩(wěn)定性,。偏置電阻器R1，R2分別為43 kΩ,，56 kΩ,，R1用于為32 MHz晶體振蕩器設(shè)置精密偏置電流。
由于CC2430芯片具有低功耗的特性,，選用2節(jié)2 800 mAh的干電池為節(jié)點機供電,。天線選用外置天線。
CC2430與溫濕度傳感器SHTll,，光照度傳感器PGM5506,，紅外傳感器BS520連接原理圖如圖3所示，其中P0．O,，P0．1,，P0．6,，P1．2和P1．3為CC2430的I／O端口。
SHTll采用兩線串行線和處理器進行數(shù)據(jù)通信,，SCK數(shù)據(jù)線負責(zé)處理器和SHTll的通訊同步,；DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。為避免信號沖突,，微處理器應(yīng)驅(qū)動DATA在低電平,。需要一個外部的上拉電阻將信號提拉至高電平，圖3顯示CC2430的引腳P1．2用于SCK,，P1．3用于DATA。
光照度傳感器PGM5506實際就是一個光敏電阻,，隨著周邊環(huán)境的光量而改變電阻值,，從而輸入3 V電壓受到隨著光量而變化的光敏電阻的影響，因而輸出電壓值改變,。在測定輸出電壓值的LIGHTOUT中,，可以根據(jù)變化的電壓量感知光量。圖3顯示CC2430的引腳P0．0連接LIGHT OUT,。紅外傳感器BS520,，隨著紅外線的強弱輸出A／D也變化，因此CC2430處理器可以根據(jù)輸入的電流變化量來測定紅外線值,。圖3顯示CC2430的引腳PO．1連接INFRARED ADC,。
3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件的設(shè)計
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件包括傳感器的數(shù)據(jù)采集及無線通信。數(shù)據(jù)采集包括溫濕度傳感器,、光照度傳感器,、紅外傳感器，由于光照度傳感器,、紅外傳感器數(shù)據(jù)的采集就是直接將輸入的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,，軟件設(shè)計相對簡單，下面只以溫濕度傳感器SHTll為例介紹數(shù)據(jù)采集軟件,。無線通訊采用ZigBee技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器以及協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù),。
3．1 溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊
溫濕度傳感器SHTll采用串行接口，但是在傳感器信號的讀取及電源損耗方面,，都做了優(yōu)化處理,。SCK用于CC2430與SHTll之間的通訊同步，DATA雙向串行通信線可寫命令和讀數(shù)據(jù),?？刂屏鞒虉D如圖4所示。首先進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，然后發(fā)送一組測量命令,。SHTll接收命令測量數(shù)據(jù)后處理器來讀取數(shù)據(jù)。
3．2 無線通信模塊
ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持三種拓撲結(jié)構(gòu)，即星狀,、樹狀和網(wǎng)狀拓撲,。本系統(tǒng)采用的協(xié)議棧為TI協(xié)議棧。對協(xié)議棧進行了適當?shù)男薷暮驮鰷p以適應(yīng)硬件電路的實際應(yīng)用,，組成樹狀傳感器網(wǎng)絡(luò),。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序流程圖如圖5所示，首先初始化CC2430,，之后初始化協(xié)議棧,，然后創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡(luò)，并確定PANID與頻道選擇,。打開全局中斷之后程序開始進入應(yīng)用程序,，監(jiān)測空氣中有無ZigBee信號，如果有節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò),，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器給節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址,。同樣如果終端設(shè)備發(fā)送來的是傳感器測試數(shù)據(jù)值，并從串口發(fā)送給遠程主機,。
傳感器節(jié)點程序流程圖如圖6所示,，程序同樣首先初始化CC2430，之后初始化協(xié)議棧,，并打開全局中斷,。開始發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信號，等待協(xié)調(diào)器響應(yīng),，如果加入網(wǎng)絡(luò)成功,，傳感器進入休眠狀態(tài)，如果不成功就繼續(xù)申請加入網(wǎng)絡(luò),。加入網(wǎng)絡(luò)成功之后,，溫濕度采集節(jié)點就定時采集數(shù)據(jù)并向協(xié)調(diào)器發(fā)送，如果發(fā)送成功,，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài),，如果發(fā)送失敗，繼續(xù)發(fā)送當前溫度值,。
4 實驗結(jié)果
系統(tǒng)的各個節(jié)點硬件采用模塊化設(shè)計,，CC2430底板模塊實物如圖7所示，傳感器模塊如圖8所示,。在天氣晴朗空曠的地方,，測得ZigBee節(jié)點之間的傳輸距離能達到50～70 m，工作在室內(nèi)條件下有效傳輸距離能達到30 m左右,。通過主機上的串口收發(fā)軟件監(jiān)視采集到的實時溫度信息,，能夠很好地實現(xiàn)溫度信息的讀取,。監(jiān)視到的溫度如圖9所示。
5 結(jié)語
通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計和對CC2430的了解,，ZigBee技術(shù)未來的應(yīng)用前景被看好,。未來的幾年里，它將在工業(yè)控制,、汽車自動化,、樓宇自動化、消費電子等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用,。