為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集房間內(nèi)的溫度信息，本文基于nRF905芯片設(shè)計(jì)了一款無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)。首先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了概述，然后給出了溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)組成，最后詳細(xì)闡述了溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)。該溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)具有良好的通用性和可靠性。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)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(jì)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(diǎn)連接起來，實(shí)時(shí)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(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)用多跳中繼的方式將數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，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(diǎn);管理節(jié)點(diǎn)對整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和對管理項(xiàng)進(jìn)行管理，及時(shí)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(diǎn)：
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(gè)應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)的，通過感知識別客觀世界的物理量，它可以獲取外部信息。
?、谂c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(diǎn)必須適時(shí)地調(diào)整自身工作狀態(tài)，以適應(yīng)環(huán)境的變化。
?、圩越M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(diǎn)需具有自組織能力，這是因?yàn)榫W(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(diǎn)信息，直接將其傳送給用戶。
?、菥W(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(diǎn)進(jìn)行分布式協(xié)同的信號和信息處理，這是因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力有限。
?、薰?jié)點(diǎn)能力有限。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，會面臨電池能量、計(jì)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(diǎn)，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(diǎn)。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(diǎn)用以實(shí)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(shí)際應(yīng)用背景，在所設(shè)計(jì)的溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)中，普通節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，然后匯聚節(jié)點(diǎn)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(jì)
控制模塊設(shè)計(jì)
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(jì)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(diǎn)：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(shí)鐘(32.768kHz)全速工作時(shí)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(kuò)展ROM為1KB，存儲空間為64K。③管腳驅(qū)動能力強(qiáng)：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(shí)器。⑤具有按鍵中斷功能，方便系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(gè)16位的定時(shí)器/事件計(jì)數(shù)器，3個(gè)8位的定時(shí)器/事件計(jì)數(shù)器，3個(gè)8位的定時(shí)器，1個(gè)實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器，定時(shí)器可用作實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)定位過程中的延時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器主要用作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)低電壓報(bào)警、溫度報(bào)警等功能。
無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)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(jì)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(bào)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(yàn))。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，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(shí)，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(yàn)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(jī)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(shí)現(xiàn)節(jié)能。當(dāng)nRF905處于掉電模式時(shí)，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(diǎn)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(shí)鐘輸出引腳uPCLK，能夠輸出四種不同頻率的時(shí)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(jì)
傳感器節(jié)點(diǎn)需存儲用戶設(shè)定的參數(shù)以及運(yùn)行記錄等大量數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)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(diǎn)：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(shí)，需設(shè)置P12引腳輸出高電平，以實(shí)現(xiàn)為存儲器供電;不使用存儲器時(shí)，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(shí)不能訪問EEPROM，防止EEPROM讀寫出現(xiàn)錯(cuò)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
按鍵模塊設(shè)計(jì)
按鍵是無線傳感器節(jié)點(diǎn)為用戶提供的操作接口，可利用按鍵設(shè)置和讀取節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，查詢節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行結(jié)果、工作狀態(tài)和歷史記錄。本設(shè)計(jì)采用的微控制器μPD78F0485具有按鍵中斷功能，具有8個(gè)通道，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用了KEY1、KEY2、KEY3和KEY4四個(gè)按鍵引腳，它們分別與μPD78F0485的P40引腳、P41引腳、P42引腳和P43引腳相連接，按鍵電路如圖4所示。
圖4 按健電路圖
USB通訊模塊設(shè)計(jì)
利用USB接口可實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)的通信。本設(shè)計(jì)采用了高度集成USB轉(zhuǎn)UART橋接器CP2102，它集成了USB 2.0全速功能控制器、USB轉(zhuǎn)發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的串行數(shù)據(jù)總線(UART)接口;外圍元件較少，可以節(jié)約PCB成本和空間。使用USB通訊時(shí)，首先將USB電路板一端與傳感器節(jié)點(diǎn)的電路板連接，另一端與計(jì)算機(jī)連接，然后將CP2102的驅(qū)動程序安裝在計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)將CP2102虛擬成一個(gè)COM口，最后就能夠以訪問一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)COM口的硬件方式訪問CP2102。USB通訊電路如圖5所示，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將μPD78F0485的異步串行接口UART6與CP2102的異步串行接口相連接。
圖5 USB通訊電路圖
液晶顯示模塊設(shè)計(jì)
溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，需讀取和設(shè)置節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。因此，需采用LCD顯示器來顯示所需設(shè)置的參數(shù)命令和參數(shù)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用的μPD78F0485微控制器帶有LCD控制器/驅(qū)動器，具有自動讀取存儲器顯示數(shù)據(jù)，自動輸出COMMON和SEGMENT信號的功能。μPD78F0485具有6種顯示模式，每種顯示模式具有6種不同的幀頻率，本文選用1/3分壓、1/4分時(shí)的驅(qū)動方式，使用副時(shí)鐘作為LCD的時(shí)鐘源，采用內(nèi)部分壓的方式來驅(qū)動具有4個(gè)COM端、20個(gè)SEG的LCD顯示器，該顯示器可同時(shí)顯示8個(gè)數(shù)字、7個(gè)小數(shù)點(diǎn)、17個(gè)常用標(biāo)號。
溫度采集模塊設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)溫度采集芯片采用數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，它由半導(dǎo)體公司Dallas推出，具有如下特點(diǎn)：①測溫范圍-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范圍內(nèi)的精度為±0.5℃。②測量結(jié)果為數(shù)字信號，以“一線總線”傳給MCU，并且也傳送CRC校驗(yàn)碼。③具有較高的分辨率，擁有9~12位分辨率可調(diào)的功能，所對應(yīng)的溫度分辨率分別為0.5℃、0.25℃、0.125和0.0625℃。④具有寄生電源供電和外部電源供電兩種模式，電壓范圍寬。其中，在外部電源供電模式下，DS18B20工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，因此，本文采用外部供電模式，并將DS18B20的電源引腳連接到μPD78F0485的引腳，當(dāng)不測量溫度時(shí)，將其外部電源關(guān)閉以降低節(jié)點(diǎn)的功耗。⑤體積小，減少了傳感器節(jié)點(diǎn)體積的大小。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測溫電路如圖6所示，μPD78F0485的P140引腳與DS18B20的電源引腳相連接，P133引腳與DS18B20的數(shù)據(jù)引腳相連接。
圖6 測溫電路圖
電量檢測模塊設(shè)計(jì)
溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)采用電池供電，因而必須定時(shí)檢測電量，以避免節(jié)點(diǎn)電量不足而造成節(jié)點(diǎn)之間的通信故障，若電量不足，則提示更換電池。本設(shè)計(jì)采用μPD78F0485微控制器的10位逐次逼近性AD轉(zhuǎn)換器和微功率兩端帶隙穩(wěn)壓器LM385二極管來實(shí)現(xiàn)電量檢測，電量檢測電路如圖7所示，P30引腳連接控制是否測量電量，用以控制是否進(jìn)行電量檢測，P27/ANI連接穩(wěn)壓管LM385的電源端。穩(wěn)壓管LM385可工作在10mA~20mA的電流范圍內(nèi)，具有非常低的溫度系數(shù)和動態(tài)阻抗。
圖7 電量檢測電路圖
電源模塊設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)要求，本設(shè)計(jì)采用3.6V鋰電池供電，鋰電池具有容量大、體積小的特點(diǎn)。由于USB通訊模塊使用的是5V電壓，因此需采用LM1117進(jìn)行5V到3.6V電壓的轉(zhuǎn)換。電源模塊電路如圖8所示，電源模塊提供5V和3.6V的兩種電源接口，采用三端穩(wěn)壓器LM1117可將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.6V電壓。
圖8 電源模塊電路圖
