3　節點設計

　　無線傳感器網絡節點通常包括5個功能部件:傳感硬件,存儲器,嵌入式處理器,無限發送接收器件和電池。傳感器網絡節點是網絡的基本單元。節點的長時間穩定運行是整個網絡可靠運作的一個基本保證。

　　節點分為4個部分:傳感單元,主控單元,通信單元和供電單元。傳感單元負責采集數據;主控單元負責接收傳感單元傳輸的信號并對其進行適當的處理,然后或者存儲在主控單元的儲存器中或者將處理好的信息傳輸給通信單元,并控制通信單元在適當的時候發送數據;通信單元負責發送數據;不同等級的節點通信單元也有所不同。其中主節點要求含有有線的通信模塊來與上位機進行通信,同時還要有無線接收發送模塊和其他普通節點進行通信。當然主節點與上位機進行通信也可以采用無線的方式,但是從簡化節點控制的角度出發,選擇有線通信。普通節點只需要無線接收發送模塊即可;供電單元為其他單元停供能源供給,因為是無線傳感器,所以必須考慮對節點的供電進行特殊考慮。

　　3.1　主控單元

　　主控單元采用Atmel公司的Atmega16L單片機。Atmega16L是一種高性能低功耗的AVR微處理器。它采用先進的精簡指令系統(RISC)體系結構,數據吞吐率高達1MIPS/MHz,從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16L的工作電壓可以很低,范圍在2.7~5.5V之中,同時它有6個可以通過軟件選擇的省電模式:空閑模式、掉電模式、省電模式、ADC噪聲抑制模式、Standby模式以及擴展的Standby模式。工作于空閑模式時CPU停止工作,而USART,A/D轉換器等以及中斷系統繼續工作;掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩,所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作;在省電模式下,異步定時器繼續運行,允許用戶保持一個時間基準,而其余功能模塊處于休眠狀態。AT-mega16L在1MHz,3V,25℃時的功耗為正常模式:1.1mA;空閑模式:0.35mA;掉電模式:<1μA。同時ATmega16L集成豐富的外設:16K字節的系統內可編程Flash,512字節EEPROM,1K字節SRAM,支持片內調試與編程,三個具有比較模式的靈活的定時器/計數器,豐富的中斷,可編程串行USART,8路10位的ADC,具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器。所以使Atemga16L來作為節點的主控單元可以大大簡化外圍電路,提高系統的可靠性。

　　3.2　傳感器單元

　　整個節點由蓄電池供電,要求數據采集單元中的傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡單,最好采用不需要信號調理電路的數字式傳感器。本設計中為了全面地監測環境,選用如下的傳感器:

　　(1)瓦斯傳感器RH-S01A。此傳感器為對甲烷高靈敏的可燃氣體檢測的傳感器,它的檢測精度高,檢測范圍為0.5%~5%,同時外圍電路也很簡單,可以提高系統的可靠性,RH-SO1A的工作電壓DC6V,功耗小于150mW。

　　(2)壓力傳感器MS5534A。集成了壓阻式壓力傳感器和ADC接口IC,傳感器提供了16位的壓力參數輸出,壓力范圍30~110kPa;另外模塊也包含了6個可讀的參數,方便實現軟件校正及高的精度,可自動斷開電源,3線接口則可滿足與微處理器的各種通信。

　　(3)風速傳感器ADXL202AE。采用先進的MEMS技術,在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器,并集成了一套精密的信號處理電路。信號處理電路把表面微機械傳感器產生的模擬信號轉換為占空比調制(DCM)數字信號后輸出。這種占空比調制信號可以直接送往單片機,使用非常方便。對其進行改裝用來對風速進行檢測。

　　(4)溫濕度傳感器SHT75。SHT75不僅將溫濕度傳感器結合在一起,而且還將信號放大器、模/數轉換器、校準數據存儲器、標準I2C總線等電路全部集成在一個芯片內。它的濕度測量精度:±1.8%RH;溫度測量精度:±0.3℃(25℃)。而且其低功耗,典型值為30μW。

　　3.3　通信單元

　　無線模塊采用CC1000芯片。CC1000芯片系統主要設計用于ISM(工業科學及醫療方面)以及SRD(短距離通訊工作頻帶在315868及915MHz)。但CC1000很容易通過編程使其工作在300-1000MHz范圍內。CC1000的主要工作參數能通過串行總線接口編程改變,這樣使CC1000使用起來更靈活。通常典型的系統是CC1000與一個微控器以及一些外圍無源元件一起構成。

　　在接收模式中,CC1000通常被配置成超外差式接收機。其RF輸入信號由低噪聲放大器放大后由混頻器變換成中頻(IF)信號。在中頻級,這個被變換的信號在送入解調器之前被放大和濾波。然后經過解調器處理后,在DIO端輸出解調后的數字數據。在發射模式中,壓控振蕩器(VCO)的輸出信號將直接送入功率放大器,而RF輸出則是被饋送到DIO端的數字比特流頻移鍵控信號。CC1000內部的發/收(T/R)開關電路則很容易與天線進行接口和匹配。頻率同步器產生的本振信號在接收模式時被送到混頻器(MIXER),在發射模式時饋送到功率放大器。頻率同步器由晶體振蕩器、相位檢波器、充電泵、VCO和分頻器組成。外接晶體必須連接到XOSC端。對于VCO來說,通常需要外接一個電感L3。另外,CC1000芯片的工作狀態設置由芯片內的控制器完成,控制命令和參數設置可通過PCLK、PDATA、PALE3線數字串行接口輸入。CC1000有29個8位寄存器,在使用過程中主要使用如下的內部寄存器:MAIN寄存器,FREQ_A寄存器,FREQ_B寄存器,FSEP寄存器,PLL寄存器來控制工作模式的轉換以及頻率的設定。CC1000計算發射和接收的頻率的公式如下:

　　Fvco=Freffreq+819216384(1)Fref=fxoscREFDIV(2)公式(2)中,fXOSC是晶振的頻率,REFDIV由PLL寄存器決定。公式(1)中freq的大小是由FREQ_A寄存器或FREQ_B寄存器決定的。上面等式給出了VCO的頻率即Fvco接收模式下的本振頻率。發射模式下的f0低于FSK頻率,其頻率上限由公式(3)給出:f1=f0+fsep(3)fsep=FrefFSEP16384(4)其中FSEP的大小由FSEP寄存器中的數值決定。本設計中主節點與上位機是通過RS232有線連接的,在井下不易布置分站的時候,還可以利用CC1000的頻率可以通過寫控制字更改的特點,讓主節點和上位機利用不同頻率通信,實現雙頻通信。可見使用CC1000的無線傳感器節點是方便而且功能強大的。

　　4　結　語

　　無線傳感器網絡是礦井環境監測的重要手段,應用于煤礦監控的無線傳感器監控網絡通過對不同的數據賦予不同的等級,給與需要緊急處理的信息的優先級較高實現實時性。同時為避免網絡數據路由延時,采用主從式網絡結構為主,載波偵聽沖突避免為輔,控制網絡有效運行。為了節省網絡帶寬,讓節點承擔更多的信號處理和計算任務。基于高性價比的Atmega16L和CC1000的無線傳感器網絡節點,不僅使網絡實現低功耗,高可靠性,而且成本能夠得到有效的控制,有利于推廣應用。