声传感器网络节点的硬件系统设计

引 言
    随着传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术以及微机电技术的不断发展，出现了一种新型的网络技术无线传感器网络技术。无线传感器网络能够通过集成在网络节点上的各类微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户。本文主要介绍声传感器网络节点硬件系统的设计。

1 声传感器网络结构
    如图1所示，声传感器网络结构通常包括声传感器节点、汇聚节点和后台监控设备等。

    声传感器节点主要负责网络的形成、数据的采集，并将数据通过多跳传输到汇聚节点。汇聚节点是无线传感器网络的中心节点，负责网络的发起、拓扑的形成与维护、网络数据的汇集与处理，以及与后台监控设备的通信与信息交互。后台监控设备负责数据的处理、网络拓扑的控制、网络的监护。为了感知监测区域内的声音信息，可以通过人工布撒的方式把一定数量的声传感器节点部署在监测区域内，声传感器节点之间或者声传感器节点与汇聚节点之间就能够自动形成一个自组织、多跳的网络。声传感器节点周期性或者触发式地采集声音数据并与周围的节点进行数据交换，将数据及时地通过自适应的路由，多跳中继后传输给汇聚节点；汇聚节点将汇集的数据通过北斗通信模块转发给后台监控设备，实现监测区域内声音信息的上传。

2 声传感器节点硬件系统
    声传感器节点由主控芯片AT91SAM7S256单片机、射频芯片CC1100、串口电压转换芯片MAX3232，以及电源、声传感器、GPS与北斗、各种控制器组成。其硬件系统框图如图2所示。系统以低功耗为设计目标，所以硬件设计上均采用了同类产品中功耗最低或者较低的产品，以保证系统长时间的监测工作。

    声传感器节点硬件系统采用模块化的设计思想进行设计，下面介绍具体模块。
2．1 处理器模块
    本设计采用以AT91SAM7S256为核心的处理器模块。AT91SAM7S256是Atmel 公司32位ARM RISC处理器Ar91SAM7S系列中的一员。它片内集成了256KB的Flash和64 KB的SRAM，充足的存储空间可以保证数据采集和传送协议的正常运行，方便程序的设计与实现；丰富的外设包括串口、SPI、I2C和USB等；工作温度范围为-40～+85℃；具有中断唤醒功能，可以通过中断使单片机从休眠模式转为活动模式。
    因此，AT91SAM7S256完全能够满足无线传感器网络的设计要求。处理器模块框图如图3所示。

2．2 无线射频模块
    本设计中无线射频模块选用Chipcon公司生产的无线射频芯片CC1100来实现。 CC1100是一款真正的低成本、低功耗、单片的UHF无线收发器；工作电压为1．8～3．6 V；工作频段灵活，可以设定在315／433／868／915 MHz的ISM和RSD频段，其数据传输率最高可达500 kb／s；输出功率多级可调，可以选择多种调试方式。此外，CC1100还具有许多其他功能：数据的自动组包与拆包、独立的发送／接收FIFO、空闲信道评估功能、自动唤醒功能、RSSI功能、自动的前向纠错(FEC)、交织以及白化功能。CC1100与AT91SAM7S256的通信是通过SPI总线来实现的。无线射频模块电路如图4所示。

2．3 声音采集模块
    声音测量通过驻极体XF-18D麦克风阵列进行测量。XF-18D麦克风是电容式微麦克风，输入信号为声音信号，输出信号经MAX4477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20CkHz，可捕获到较宽范围的声音信号。
    本设计中放大元件采用Maxim公司生产的MAX4477放大器。它是一款高带宽、低噪声、低失真运算的放大器，提供满摆幅输出，工作电压可低至2．7 V。声音采集电路如图5所示。

2．4 GPS与北斗模块
    由于各个节点需要获取自身的位置和精确的时间，因此每个节点需安装GPS或者北斗模块。可采用Atmel公司提供的GPS模块，采用的是串行输出，只要2 个串行信号线就可以完成较精确的差分卫星定位。GPS模块的支持电压为2．7～3．3 V，功率小于100 mW／H。GPS模块由变频器模块(ATR0600)、信号相关模块(ATR0610)、微处理器模块(ATR0620)组成。图6为GPS模块结构框图。

2．5 电源模块
    电源模块的功能是提供节点工作所需的能量，本节点可通过4节干电池或USB端口供电。由于4节干电池和USB端口提供的电压都是大于处理器模块、 CC1100和声音采集模块所需的3．3 V电源，所以必须将输入电压调整至节点所需的电压。此电源模块设计采用的是AMS1117_3．3电压调节器，它的作用是把4节干电池和USB端口提供的 5 V电压调节到所需的3．3 V。其电路设计如图7所示。

3 实验结果
    节点硬件系统上移植了TinyOS操作系统，基于操作系统进行各个模块的消息驱动程序开发，最后进行路由算法的移植。使用2个节点(1个终端节点和1个汇聚节点)进行组网实验，测试节点对鼓掌声音信号的灵敏度。采集的声音波形如图8所示。

结 语
    由于采用了模块化的设计方法，本文设计的声传感器网络节点硬件系统有助于扩展不同类型的传感器；此外，该系统还具有成本低、体积小、功耗低等特点，非常适应未来多样化环境监测任务的需要。