无线传感器网络远程监测节点的功能扩展电路

刘文平，闫 述，臧建国

（江苏大学 计算机科学与通信工程学院，江苏 镇江 212013）

根据实际需要对节点功能进行扩展，是无线传感器网络应用开发中经常遇到的问题。在常见的几种节点cc2430[1]（美国 Chipcon 公司）、IRIS[2]（Crossbow 公 司）和 JN5139[3]（Jennic公司）中，JN5139系列因提供了较多的外围接口，能够同时采集多种数据；采用串口直接进行程序烧录和功能调试，容易通过串口与GPRS直接相连，便于用户根据需要自行开发，如在新疆煤田火区无线传感器网络监测中的应用。文中在文献[4-5]的基础上，阐述了节点工作时序与功能扩展电路设计中应注意的问题，利用节点管脚检测蓄电池电压时分压电路设计中应掌握的原则，通过纽扣电池为节点时钟芯片供电的必要性，汇聚节点GPRS开关电路设计要点，以及汇聚节点看门狗控制电路的作用等。

1 节点高温监测与供电电路

1.1 节点时序逻辑下的高温监测电路

火区煤层的温度可高达800℃，JN5139节点标配的SHT1X系列温湿度传感器测温范围有限 （-40～123．8℃），需用高温传感器置换。为此采用了测量范围较广的K型热电偶（-50～1 300℃）作为高温传感探头、用 MAX6675（转换分辨率 0．25℃，转换范围 0～1 024℃）作为放大与数字转换器[6]，遵循SPI总线协议，为JN5139节点配备了高温传感器。图1（a）、（b）分别为高温传感器与JN5139节点的接口电路和供电电路， 其中6、5、7和1、22、23是传感器和节点间的 SPI总线接口引脚。传感器采用SPI总线协议进行数据传输，因此传输过程中要求节点严格遵循SPI协议时序逻辑进行工作。JN5139节点23引脚（MISO）内部与Flash存储器直接相连。节点在上电复位期间，对Flash存储器进行读取，应保证MISO引脚保持高电平。在高温采集电路中MISO引脚需满足复位期间保持高电平的要求，使得程序能够正确读取Flash存储器中的内容进行初始化操作。节点与MAX6675芯片上电顺序将影响SPI总线逻辑动作的正确性，因此，应经JN5139的39引脚连接到MAX6675的4引脚供电，如图1（a）所示。不应从HT7333的Vout直接到4引脚。

需要注意的是，SPI作为JN5139与外围设备通信的同步串行数据传输接口，要尽量短，以减小线路过长引起的分布电容、漏电感，否则将引入干扰，导致SPI时序逻辑混乱，一方面影响复位期间软件BootLoader对ROM中程序的读取，另一方面使高温传感器采集数据不能正常传输。在印制电路板制作过程中，应将电路板上的模拟电路、数字电路、高频电路分开，尽量降低数字电路产生的噪声对模拟电路正常工作的影响；高频电路部分走线尽量短，减小高频电磁干扰，旁路电容、去耦电容尽量接近相应元器件；加粗地线，印制电路板上的模拟地和数字地分开，避免模拟电路地线形成环路。尽量保留电路板敷铜面积用来散热、连接地线和屏蔽干扰。

1.2 时钟芯片供电和蓄电池电压检测电路

在JN5139节点开发中发现，当节点供电设备失效时，节点内部时钟芯片因无电源供应不能正常工作，导致计时不准，供电恢复后节点不能恢复正常工作。为此在扩展电路板上通过3 V纽扣电池为JN5139节点的PCF8563时钟芯片提供恒定电压，保证时钟芯片在节点供电失效时仍能持续正常工作，电路如图2所示。

图1 高温传感器与JN5139节点的接口电路和供电电路Fig．1 The interface and power supply circuit between high temperature sensor the JN5139 node

图2 时钟芯片供电、蓄电池电压监测电路Fig．2 Clock chip power supply and battery voltagemonitoring circuit

为使监测中心及时了解节点能量消耗状况，可通过JN5139节点的模拟量输入ADC1引脚对蓄电池电压进行检测。该引脚输入电压范围为0～2．4 V，额定电流为655μA。电阻R1和R2对蓄电池电压进行分压和限流。当用于对汇聚节点12 V蓄电池进行电压监测时，为确定R1和R2自身阻值及分压比例，从降低节点功耗、提高测量准确性、保证节点稳定可靠工作三方面考虑，分别对ADC1引脚输入电流、输入电压进行实测，如图3所示。监测中心通过对蓄电池电压进行监测粗略了解节点能量消耗情况，在节电正常工作时，允许存在1%的测量误差。为降低节点功耗，取输入电流为10μA，输入电压为0．73 V。此时R1=1 MΩ、R2=62 kΩ。并联在R2上的2 V稳压管D1是防止具有感抗的电阻R2在使用中产生自激震荡，损坏回路中的其他器件，同时降低可能有的加电及噪声引起的电压波动对电路稳定性的影响。

2 GPRS开关和看门狗控制电路

2.1 GPRS控制电路

图3 ADC电流-测量误差、电压-测量误差曲线图Fig．3 The curve of ADC input current/measurement error and ADC input voltage/measurement error

新疆煤田火区无线传感器监测网络的数据回传，采用的是汇聚节点上GPRS的远程通信方式。为控制远程通信的开通与关断，可通过在GPRS和蓄电池电源间加入开关电路来实现，如图4所示。图中VT1是控制GPRS电源开关的P沟道耗尽型MOSFET管，R1与R3分压后为 VT1的 G、S端提供合适的开启电压（1．8 V），光电耦合器 U1（TIL117M）的 1 引脚通过限流电阻R4与JN5139的DIO8引脚相连。R2为上拉电阻，为三极管VT2提供驱动电流。VT2基极连接U1的5脚，控制器通过光电耦合器控制三极管VT2的通断[7]。汇聚节点需要回传数据时调用函数 vAHI_DioSetDirection（0，E_AHI_DIO8_INT）将DIO8引脚设置为输出状态，调用函数vAHI_DioSetOutput（E_AHI_DIO8_INT，0） 将 DIO8引脚设置为高电平，NPN 型三极管 VT2导通，VT1的 G、S端电压 UGS＜0，取电阻 R1=3．9 kΩ，R3=1 kΩ， 使得 UGS达到 VT1的开启电压，VT1导通，蓄电池电压加在GPRS两端，GPRS正常工作。数据回传完成后，节点调用函数 vAHI_DioSetOutput（0，E_AHI_DIO8_INT）将DIO8引脚设置为低电平。NPN型三极管VT2截止，VT1的G、S引脚电压 UGS达不到VT1的开启电压，VT1断开，蓄电池停止对GPRS进行供电，GPRS停止工作。

图4 GPRS开关电路Fig．4 Circuit of GPRSswitches

2.2 看门狗开关控制电路

远程监测系统应该保证发生故障时，能够在没有人为干预的条件下自动恢复。改善系统可靠性的一种简单、有效的措施是采用看门狗电路。看门狗（watch dog timer）是一种定时器，图5是选用MAX706芯片[8]设计的看门狗控制电路。其中的输入引脚6用来 “喂狗”，独立的输出引脚8用来连接JN5139的RESETN复位端。汇聚节点的微处理器JN5139正常工作时每隔固定时间给看门狗的“喂狗”引脚输出一个有效电平信号，当系统受到外界干扰程序陷入死循环或工作异常时，不能按时进行“喂狗”，看门狗芯片在规定时间内，例如在1．6 s内没有被触发时，输出引脚会自动输出一个低电平信号，使JN5139节点复位。

MAX706芯片自带用于电源失效报警、低电压检测功能的1．25 V门槛电压探测器。通过MAX706的1．25 V门槛电压探测器对看门狗电路功能进行扩展，当节点供电设备不能正常工作时，可使节点处于复位状态。具体做法是，将节点工作电压经过两等值电阻分压后连至MAX706的PFI引脚，MAX706的PFO引脚连接节点的复位引脚RESETN[9]。蓄电池为节点提供额定工作电压（3～3．3 V）时，PFI引脚输入电压高于1．25 V，PFO输出高电平，节点正常工作。当蓄电池电压低于5．5 V时，供电设备工作异常，节点供电电压为零，PFI引脚输入电压低于1．25 V，PFO引脚输出低电平，节点处于复位状态。当蓄电池电压高于5．8 V时，供电设备正常工作，蓄电池正常为节点提供工作电压，PFI引脚输入电压大于1．25 V，PFO引脚输出高电平，节点恢复正常工作。1．25 V门槛电压探测器的应用降低了节点因供电异常引起的程序不能正常运行，节点无法加入网络的故障率。

图5 看门狗开关控制电路Fig．5 Circuit ofwatchdog timer controller

在节点休眠期间，CPU停止工作，不能按时给看门狗芯片提供“喂狗”的有效电平信号。因此，节点休眠期间要求看门狗芯片停止工作，在休眠苏醒后，看门狗芯片正常工作。在图4所示的看门狗开关控制电路中，休眠苏醒之后，汇聚节点调用函数 vAHI_DioSetDirection（0，E_AHI_DIO820_INT）将JN5139数字输入输出接口DIO20引脚设置为输出状态，然后程序调用函数 vAHI_DioSetOutput（0，E_AHI_DIO20_INT）将DIO20引脚设置为低电平，VT1导通，看门狗芯片/WDO引脚与/MR引脚连接到JN5139的复位输入端。传感器节点通过函数 vAHI_DioSetOutput（E_AHI_DIO11_INT，0）实现喂狗功能。节点休眠之前，控制DIO20引脚输出高电平，使VT1截止，看门狗输出引脚不能直接与节点复位输入端相连，看门狗芯片停止对JN5139的监测。

3 结 论

正确处理节点工作时序是应用开发的重要前提；纽扣电池可保证供电设备恢复后节点恢复正常工作；利用节点管脚实现检测功能，需要注意额定电压、电流和功耗、检测精度之间的关系；汇聚节点的GPRS开关电路中，光电耦合器的应用避免了将高电压直接接入节点引脚导致节点损坏；看门狗电路和电源失效报警、低电压检测可在远程监测条件下系统受到外界干扰时使程序自动复位。上述功能扩展电路的自耗电1．9 mA，在火区实地运行中实现了高温监测功能，提高了无线传感器网络的可靠性、稳定性和健壮性。

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[3]JN5139 Wireless Microcontroller[EB/OL]． （2012-01-13）http：//www．jennic．com/products/wireless_microcontrollers/jn5139．

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