无线传感器网络硬件设计

　　在无线传感器网络中，节点任意散落在被监测区域内。节点以自组织形式构成网络，通过多跳中继方式将监测数据传到Sink节点，最终借助长距离或临时建立的Sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。图1给出了一般形式的无线传感器网络体系结构[3]。

　　针对环境及结构状态监测，我们设计了一种通用无线传感器网络硬件平台，该硬件平台由若干传感器节点、具有无线接收功能的Sink节点及一台计算机构成。无线传感器节点分布于需要监测的区域内，执行数据采集、处理和无线通信等工作，Sink节点接收各传感器的数据并以有线的方式将数据传送给计算机，如图2所示。

　无线传感器节点的硬件设计

　　无线传感器节点一般由传感器模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块四部分组成。其中，传感器模块负责采集监视区域的信息并完成数据转换，采集的信息可以包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等；数据处理 模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等；数据传输模块负责与其他节点或Sink节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源管理模块选通所用到的传感器，节点电源采用微型纽扣电池，以减小节点的体积。

　　我们设计的节点实现机理是以ZigBee传输模块代替传统的串行通信模块，将采集到的信息数据以无线方式发送出去。该节点包含ZigBee无线传输模块、微控制器模块、传感器模块及接口电路、直流电源模块以及外部存储器等。为了降低传感器节点的成本，减小传感器节点的体积，我们采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430实现传感器节点的数据传输和处理功能。图3是设计的无线传感器节点的结构框图。下面将分别介绍无线传感器节点中的几个主要功能模块。

　　SoC芯片CC2430

　　CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频前端、内存和微控制器。它使用1个8位8051 MCU，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

　　得益于CC2430的高集成度，其外围电路非常简单，只需要数量很少而且廉价的外围元件，即可完成无线传感器节点的数据传输和处理功能，因而大大降低了成本。

　　传感器模块

　　根据实际需要选择不同的传感器对监测区域内温度、湿度、振动、声音和光线等物理信号进行检测。可选用了光敏器件、数字格式传感器和驻极体话筒，对光强、温度、振动和声音等进行探测。

　　光敏电阻5516是基于半导体光电效应工作的光导管，对光强感应灵敏度相当高，当受到一定波长范围的光照时，其阻值(亮电阻)急剧减小，电流迅速增加，通过参考电阻分压后进行模数变换即可获得光敏电阻的阻值，进而换算出光照强度。

　　Maxim公司的DS18B20是一线式数字温度传感器，测量结果可选用9～12位串行数据输出，测量范围-55～125℃，在-10～85℃测量准确度为±0.5℃。

　　驻极体话筒HX034P是电容式微麦克风。输入信号为声音信号，输出信号经MAX4466构成的前置放大电路后进行电压值A/D采样，处理器的A/D采样频率可达200KHz，可捕获到声音信号。

　　ADI公司的ADXL202是双轴向加速度传感器，它采用先进的微型机电系统技术，在同一硅片中刻蚀了一个多晶硅编码微机械传感器，集成精确的信号处理电路，可测静态及动态加速度。该传感器可广泛应用于惯性导航、地震监测、车辆安全和电池供电设备的运动状态测试等领域。

　　结合使用上述几种传感器和敏感器件的无线传感器网络节点，能够实现温度、加速度(震动)的准确测量与探测，光敏电阻有其自身的光谱特性和温度特性，因此在设计中不作精确标定；另外对声音信号的捕获和复现需要进行大量的数据处理，从能量利用和传感器节点功能的精简角度考虑，设计中对声光强弱的探测通过设定阈值来给出布尔型输出。

　　电源模块

　　实现节点设计的微型化，节点可采用输出电压3.6V可充电锂离子钮扣电池LIR2032供电。该类电池自放电率小于10％每月，但额定容量较小，限制了节点的生存期，若以两节5号电池供电，则可维持更长的工作时间，在以网络形式工作状态下通过合理的设置节点发射极的接收、发射以及待机状态，可有效地延长节点的使用寿命。针对节点供电单元不便于更换的无线传感器网络，新的能源解决方法研究及网络系统的低功耗设计也是当前值得关注的课题。