基于CC2531的无线传感器网络节点硬件设计

摘要：提出一种基于SoC芯片CC2531的通用无线传感器网络采集节点的硬件实现方案。该设计方案主要分为电源模块、处理模块、无线通信模块和数据采集模块4个部分。各模块电路易于实现，具有较强的通用性和实用性。
关键词：无线传感器网络；采集节点；CC2531

引言
    半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，推动了具有现代意义的无线传感器技术。无线传感器网络技术涉及计算机、半导体、网络、通信、光学、微机械等众多领域。微型、高可靠、多功能、集成化的传感器，低功耗、高性能的专业集成电路，微型、大容量的能源，高效、可靠的网络协议和操作系统，面向应用、低计算量的模式识别，低功耗、自适应的网络结构，以及现实环境的各种
应用模式成为无线传感器网络课题研究的重点。
    以传感器和自组织网络为代表的无线应用不需要较高的传输带宽，但需要较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列，同时需要一种低端的、面向控制的、应用简单的专用标准，ZigBee的出现正好解决了这一问题。ZigBee是无线个人
局域网络(Wireless Personal Area Network，WPAN)的标准之一，具有高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点。这些优点使得ZigBee 和无线传感器网络完美地结合在一起。目前，无线传感器网络的研究和开发已得到越来越多的关注。本设计基于ZigBee搭建的无线传感器网络采集节点硬件平台，可以完成风向、风速和空气湿度的测量。

1 无线传感器网络系统结构
    无线传感器网络系统由上位机、中转器、汇聚节点和若干采集节点组成，如图1所示。采集节点采集并预处理传感器采集的数据，在收到汇聚节点的上传命令后将数据上传至汇聚节点；汇聚节点收集采集节点上传的数据并通过中转器将数据上传到上位机，上位机处理最终上传的采集数据。上位机将用户下达的各操作命令发送至中转器，中转器将命令信息传递给汇聚节点，汇聚节点将中转器下发的命令通告个采集节点，同时负责采集节点相互间的组网及维护。


    本设计中采集节点和汇聚节点均采用CC2531作为核心控制芯片；中转器采用ARM处理器作为核心控制芯片。采集节点与汇聚节点间以ZigBee协议进行无线通信；汇聚节点与中转器间采用串口通信；中转器与上位机以GPRS通信方式进行交互；上位机实现人机交互。

2 CC2531芯片简介
    CC2531是TI公司推出的符合2．4 GHz IEEE 802．15．4标准的射频收发器。它具有很好的接收灵敏度和鲁棒性以及低功耗特性，可编程输出功率高达4．5 dBm，外部元件很少；结合RF收发器与业界标准增强型8051微控制器的性能，具有32 KB、64 KB、128 KB或256 KB的在系统可编程闪存和8 KB的RAM，且该RAM具备在各种供电方式下的数据保护能力；同时具有多种运行模式，而且运行模式之间转换时间短，使低能耗特性能够进一步保证。
    CC2531提供了101 dB的链路质量以及一套广泛的外设集，包括2个USART、8路输入可配置的12位ADC、21个通用GPIO、高级加密标准(AES)安全协处理器、看门狗定时器和具有捕获功能的32 kHz睡眠定时器等设备。它支持一般的低功耗无线通信，可以应用于远程控制、消费型电子、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗以及更多领域。

3 采集节点硬件设计
    节点系统结构框图如图2所示。整个采集节点可以划分为电源模块、处理模块、无线通信模块、数据采集模块4个组成部分，各部分协
同工作。电源模块负责电压调理，为其他模块提供所需要的电压；处理模块负责处理节点数据和命令；无线通信模块负责各节点之间数据、命令的传输；数据采集模块完成数据采集与信号调理。


3．1 电源模块
    无线传感器网络多用于人们不方便或者不经常到达的地方，因此电源的选择尤为重要。电源模块控制着整个节点的能量分配，在整个无线传感器网络节点的设计中具有极其重要的意义。目前，比较容易实现的无线传感器网络节点供电方式是电池供电，根据不同场合和条件也可以选择不同种类电池。锂电池的放电曲线平滑，可以保证无线传感器网络在平常使用时具有更好的线性特性，因此可以作为系统能量来源的一种选择。但是，锂电池额定容量较小，而且需要升压处理，限制了节点的生存期。为了维持更长的工作时间和节省成本，本设计采用5节7号镍氢电池供电。除此之外，软件上通过合理设置节点的发射、接收以及待机状态，也可以有效地延长节点的工作时间。新的能源解决方法也是无线传感器网络需要研究的重要课题，太阳能或者风力充电就是目前的研究热点。
    数据采集模块需要外部提供5 V直流电压，处理模块及无线通信模块需要3．3 V直流电压，因而采用了Sipex公司的低压差电源芯片SPX-2815和SP6201EM-3．3 V将输入的电池电压转换为5 V和3．3V。经过电压转换后将电源继续划分为数字部分与模拟部分供各芯片、模块使用，保证模拟电源、数字电源之间不互相干扰。CC2531具有8路A／D接口，使用TI公司的基准电压二极管LM4040为CC2531的8路A／D接口提供2．5 V的参考电压，同时为传感器信号调理电路提供2．5 V电压。LM4040的输出电压稳定性好、精度高，输出电压精度为O．5％，其接口电路如图3所示。


3．2 处理模块
    处理模块是采集节点的核心部分，主要由CC2531及其外围电路构成，完成对采集数据的处理、存储以及收发工作。CC2531的接口电路如图4所示。 CC2531具有21个I／O口(其中8路P0口具有A／D功能)，它们分别与传感器接口、SPI存储器及在线仿真器连接。图中P0_7接收LM4040 提供的2．5 V基准电压；系统时钟由32 MHz晶振提供；系统休眠所用时钟由32．768 kHz无源晶振提供；复位按键与RESET连接，可实现硬件复位，初始化系统。


    为方便选择不同种类的传感器，我们将各I／O口连接到统一的传感器排针接口上，并将具有A／D功能的I／O与GPIO在电路板上进行了划分，以防止数模串扰。这种设计增强了可扩展性和灵活性。为实现对I／O口的高效利用，设计中有部分I／O进行了复用。复用后最多可以有
6路A／D以及9路GPIO供采集多路模拟传感器信号和数字传感器信号使用，可以根据实际需求选择传感器和连接接口。由于采集的数据量较大，而 CC2531自带的内存需要存储程序，不能满足存储要求，所以需要外接存储器。本设计选用Ramtron公司带SPI接口的铁电存储器FM25L2 56，它具有高速数据存储、功耗低、可擦写次数多等优点。选取CC2531提供的SPI接口1(即P0．2～P0．5四个引脚)与FM25L256连接，完成数据存储。其接口电路如图5所示。


3．3 无线通信模块
    无线通信模块作为系统中重要的数据传输通道，实现了采集节点与汇聚节点、采集节点与采集节点之间的数据传输及组网功能。本设计中，CC2531与 CC2591联合使用构成无线通信模块。CC2591为TI公司面向低功耗与低电压无线应用的、集成度最高的2．4 GHz射频前端。它集成了功率放大器(可将输出功率提高+22 dBm)、低噪声放大器(可将接收机灵敏度提高+6 dB)、平衡转换器(balun)、交换机、电感器和RF匹配网络等，从而能够显著增大无线系统的覆盖范围，降低系统安装成本。这种高集成度简化了高性能设计工作，使客户能用极少的外部组件开发出高输出功率的无线解决方案。CC2591为CC2531提供了无缝接口，对于加速系统开发、改善系统RF性能方面具有很大帮助。其连接电路如图6所示。其中，B1为磁珠，作滤波用，推荐型号BLMl5HG102SN1D。


    TI公司为CC2591与CC2531之间的连接提供一个紧凑的参考设计，并提供了PCB板参数。PCB板经过仿真验证后参照参考设计绘制，对电源、地的布局进行了精心设计。同时，天线的信号走线进行了阻抗匹配设计，使到达天线端阻抗为50 Ω，并且PCB板上使用村田公司的高频分立元件，以达到较好的信号传输效果，增加节点间的无线通信距离。
3．4 数据采集模块
    数据采集模块负责采集数据和数据信号的调理。选用EC21B型高动态性能测风传感器和PTS-3型空气湿度传感器。采用排针接口设计，如果需要用于其他的应用场合，只需更换不同的传感器(包括信号调理部分)并采用排线连接即可，大大扩展了无线传感器网络的应用范围。
    EC21B型高性能测风传感器为三杯式、单尾翼型测风传感器，风杯为一体式。该传感器只需5 V电压即可工作，输出信号为RS485数字信号。为采集传感器信号，需要对传感器信号进行转换。本设计选用了Exar半导体公司的SP3494芯片，实现了RS485信号和TTL信号的双向转换。SP3494是一个半双工的转换速率部分受限的收发器，数据传输速率高达2．5 Mbps，含有低功耗关断模式和驱动器／接收器高阻使能控制线。测风传感器信号调理电路如图7所示。SP3494的接收器输出端(R0)、发送器输入端 (DI)及使能端(、DE)通过排针与I／O接口连接；同相发送器输出／接收器输入端(A)、反相发送器输出／接收器输入端(B)与传感器信号线连接。


    PTS-3型空气湿度传感器需要5 V直流电压供电，只需一根信号输出线，输出电压范围为1～4 V模拟信号。为了使PTS-3输出的模拟电压能够被CC2531正确采样，需要对输出信号进行调理，使其输出信号更加稳定且电压值不超过基准电压。空气湿度传感器信号调理电路如图8所示。U1为传感器接口，5 V电源向传感器供电，传感器的输出信号(1～4 V)通过精密电阻1／2分压后送入由P354构成的射随器，并最终将信号送入CC2531的一个ADC通道。



结语
    基于ZigBee的无线传感器网络具有低功耗、低成本、体积小的显著优点，可在特殊环境下实现检测区域内信号的采集传输与处理。Zig-Bee新一代 SoC芯片CC2531是真正的片上系统解决方案，适用于环境监测、灾害预测等系统的开发。伴随新的能量解决方案的提出及无线自组织网络技术的成熟，无线传感器网络将应用到更多领域。