低功耗无线传感器网络终端节点的硬件设计与实现

李坤明，杨光友，李 军

(湖北省农业机械工程研究设计院，湖北武汉430068)

无线传感器网络是当前信息领域的研究热点，应用前景非常广泛。无线传感器网络涉及多个方面技术，主要是用广泛分布的节点组成一个无线传感器网络，每个节点都可以对环境变量进行探测，并将分析得到的相关数据无线发给汇聚节点，从而得到数据的汇总，并加以研究。

1 节点整体设计原则

无线传感器网络的生命由无线传感器节点所支撑，所以，传感器节点设计的优良将直接影响网络的稳定性。根据传感器所面对的环境和基本特点，本文总结了以下几个方面的基本设计原则。

1)节能续航能力。节能续航能力是传感器网络节点设计最关键的问题。无线传感器网络中的节点数目较多，不可能经常给每个节点人工更换电池，所以在设计时，应采用合理的能量监测与控制机制，让网络得以更长时间的生存。

2)成本高低。要尽量降低每个节点的成本，只有这样才能让节点数量较多的传感器网络得到更广的应用。

3)体型微型化。只有节点本身足够小，才能保证不干扰所分布的系统环境。

4)可扩展性。节点可以适应不同的外调，以丰富节点的使用功能，且可以接多种传感器。

2 节点硬件设计

2.1 节点总体结构

在WSN中，最基本的单元是传感器节点。节点基本上都由数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源模块等4部分组成。数据采集模块主要由传感器组成，用于探测目标环境的变量;数据处理模块为CPU，实现数据的分析、处理和存储等功能;数据传输模块为RF模块，用于数据的传输;电源模块给节点提供能量。

2.2 制作线路板

采用一体式平台设计方案，即主控单片机与无线射频单元合二为一。由于CC2430集成了无线射频和微处理器，所以把CPU和RF简化为一个模块，大大简化了电路。

本节点为3层结构:第一层，底层为充放电模块;第二层，中间层主要用于扩展接口;第三层，上层是CC2430核心模块。结构框图如图1所示。

图1 一体式整体结构图

2.2.1 数据采集模块 节点主要通过各种类型传感器采集周边环境变量。为了适应多种传感器的使用，做了两个标准接口:一个是三线的电压信号输入接口，可接通超声波传感器等(图2);一个是二线的电流信息输入接口，如接入霍尔电流传感器等(图3)。

图2 三线标准接口

图3 二线标准接口

两个接口分别做成三芯和二芯的插口:三芯的是接电压信号输入的传感器;二芯的是电流信号输入的传感器。

2.2.2 CC2430核心模块 CC2430由 Chipcon公司生产，其集成符合IEEE802.15.4标准协议的2.4 GHz的ZigBee射频前端，有1个常规的16位计时器和2个8位计时器，具有14位的ADC、USART等功能，CC2430的休眠模式和主动模式之间转换时间短的特性利于电池寿命的延长。除此之外，CC2430芯片不需要复杂的外围器件即可实现信号的收发功能，因而有利于节能。CC2430芯片集成了有51内核。把CC2430做成一个模块电路，单独作为CPU和射频，成为节点的核心部分。电路如图4所示。

图4 CC2430原理图

2.2.3 电源模块 本系统CC2430的工作电压范围为1.8～3.6 V(单片机典型工作电压为3.3 V)。由于节点工作主要通过无线方式，以安装方便灵活为其最大特点之一，所以适宜用电池作为电源。

硬件平台的设计中，节能是本文考虑的一个重要因素，它对于增加整个传感器网络的寿命有着关键作用。节点节能和增加节点寿命的最主要方式有两种:一是休眠机制，即通过使节点在工作模式和休眠模式下任意转换来达到节能的作用(本文不考虑);二是增加电池电量，给节点配置了一个3500 hm的锂电池，比一般的5号电池更耐用，且可以充电循环利用。该电路可以提供稳定的3.3 V电压。

参考CC2430的工作电压，设计了一个3.6 V的锂电池充放电电路模块。该充放电电路采用的芯片是TP4507，工作电压5 V，也就是说可以用USB和一般的适配器给这个模块充电。该芯片电路有锂电池正负极反接保护、过热保护、短路保护、自动再充电等功能(图5)。

该电路有两个指示灯:当给电池充电的时候，D3(红灯)会亮，表示正在充电;当D2(绿灯)亮的时候，表示电已充满。电池充满的时候电压最高可达4.2 V，通过 ADP3339 芯片，把电压转到 3.3 V，给CC2430模块供电。

图5 锂电池充放电原理图

2.2.4 PCB制作 本节点把供电模块、数据处理传输模块和扩展模块分别做成单独线路板，组成三层结构，也是为了减少对射频信号的干扰，提高通讯的质量。在PCB线路设计中，要注意以下几点问题:1)PCB板要进行铺铜达到接地的作用，这是必须的抗干扰措施;2)PCB天线远离高速信号线和布线密集的地方，以减少信号干扰;3)相邻两面的信号线尽量垂直交错，少换层走线，最好是走直线，少走弯路，且走近路，需要转折的地方，采用45°折线转折。图6为锂电池电路层，图7为终端节点实物。

图6 供电层

图7 节点实物

3 软件设计

软件开发平台为IAR Workbench，主要用C语言编写，程序设计思路:先把CC2430的端口初始化，配置时钟，系统初始化;再对外设的相关部分进行配置;然后再写主程序，通过JTag下载程序。

4 硬件测试

由于无线传感器网络具有成本低、规模大、功耗低、网络寿命长、数据传输良好等特点，所以无线传感器网络的优良取决于节点的相关性能，因此，本测试的内容主要包括节点静态能耗、节点间传输距离。

根据伏安法，在节点静态工作时，通过测电压和电流的输出，计算节点的功耗。测试结果表明，节点静态功耗为3.3 V×42 mA=0.13 W。节点间最大传输距离为50～800 m。

5 结束语

本文设计的节点在试验中应用良好，实现了无线传感器的基本功能，极大降低了能量的消耗，延长了整个网络的寿命，实现了网络的超低功耗的特点，而且成本低廉，适合大规模分布节点。主要存在的缺陷是Jtag被设计在扩展层上，这样多个节点下载程序时至少要把一个节点取下，作为下载器，操作起来很麻烦。如将Jtag设计在CC2430模块上，下载程序只需要把CC2430模块取下即可。

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