线型WSN网络节点的设计

张捐净 聂萌瑶

摘要：本文从线型WSN网络的特点出发，提出了一种适用于线型网络的传感器节点的硬件设计方案，主要论述了传感器节点核心电路的设计，包括处理器模块和射频模块，此外还有传感器模块设计和电源电路以及调试接口的设计，经过测试，该系统能够完成网络的数据采集和传输的功能，证明系统节点的硬件设计可以使用，对于无线传感无网络的构建具有一定的指导意义。

关键词：线型WSN;网络节点

中图分类号：TP393    文献标识码：A       文章编号：1009-3044（2018）31-0051-02

1 概述

近年来，随着无线传感器网络技术的发展与应用的普及，它已经渗透到生活中的各个方面，比如：在军事上，敌方兵力和装备的监控、战场实时监视等;在环境监测方面，农作物灌溉、土壤、空气、家禽牲畜的环境监测等;在医疗护理方面，医院的药物管理、人体生理数据的采集与检测，医患互动的监控等;在智能家居方面，利用远程监控完成对家电的遥控等;在建筑物状态监控方面，利用WSN监控它的状态及时发现存在的安全隐患并传递给后台管理人员。当然，WSN还有很多其他方面的应用，它改变了人类与自然界交互的方式，将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，人们利用它直接感知客观世界，从而极大的扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。因此，WSN被列为21世纪最有影响力的21项技术和改变世界的10大技术之一。

线型WSN是一种特殊类型的传感器网络，它所监控的区域类似于线性结构，广泛应用在高速公路，河流，火车轨道，输变电线等的监测系统中。此种网络的主要特点是：数据传输距离远并且路径单一，传感器节点沿着监测成线型布设;根据Zigbee协议设备在网络中担当的角色，线性区域中一般会有多个终端节点和路由节点，但是距离后台的控制中心一般只有一个中心节点，也就是SINK节点，它是网絡主要的数据处理单元。

线型WSN的基本组成单元是传感器节点，大量传感器节点随机部署在监测区域，通过自组织的方式构成网络。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，由于考虑到节点的微型化、扩展性和灵活性、稳定性和安全性、低成本的特性，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。在实际的应用中，根据节点在网络中充当的角色不同，传感器节点分为以上三种类型，而且三种类型节点的基本功能是相同的。终端节点是网络的前端触角，负责监测区域的信息采集、传输和简单的处理，一般由以下部分组成：传感器模块、处理器模块、无线通信模块、能量供应模块和外围模块。由于长期放置在无人值守的野外，环境比较恶劣，更换电池不太方便，因此节点的设计一定要考虑低功耗的特性要求。终端节点的完整结构如图1所示。但是汇聚节点不包括传感器模块，它是数据处理中心，负责接收返回的数据和向其他节点发送命令，因此加入与上位机通信的RS232串口模块。同样路由器节点也不包括传感器模块，它的实际作用只是数据信息的中转站，距离汇聚节点较远的节点通过它的中转传输信息。

2 传感器节点核心电路设计

传感器网络是一种和应用相关的网络，不同的应用需求配套不同的网络模型、软件系统和硬件平台。节点的核心电路主要是处理器模块和无线通信模块，目前节点的核心硬件设计主要分为以下两种类型。

1）MCU+RF模块

节点采用全球通用的开放频段2.4GHZ进行无线通信，以低功耗的单片机作为处理器芯片，同时选择内嵌ZIGBEE协议的无线收发芯片组成节点的核心电路。虽然单片机技术目前发展比较成熟，使用方便，易于控制，但是拓展性不是很好。后期的扩展存在局限性。而且如果自己设计硬件还需要考虑到端口的匹配，端口的驱动能力等影响。一种简单的MUC+RF设计策略如下图2所示。

2）SOC设计

随着电子技术的进步，集成电路（IC）制造工艺的迅速发展，片上系统（SOC）得到了越来越广泛的应用。SOC实现了在一块微型芯片上将系统的处理器模块、算法模块以及各层次的电路和器件等设计整合到一起，完成整个系统的功能。和传统IC搭建的电子系统相比较，SOC具有以下的优点：低功耗;由于集成度较高，减少了芯片对外连接的管脚数，相应减少了外围接口电路和驱动电路，同时内嵌的线路减少了系统信号之间的干扰，因此它具有高可靠性;开发成本较低;开发周期短。此种设计在一定程度上能够简便的实现系统功能，同时提高了系统性能，降低了开发的成本，因此本文使用这种设计策略。选择适用于传感器网络节点设计的一款片上系统CC2530。

CC2530内嵌Zigbee协议，采用全球通用的收发频段2.4GHZ是一款真正地将IEEE 802.15.4Zigbee和RF4集成在一起的片上系统。它内嵌有标准的增强型8051内核，结合RF收发器的优良性能，可以实现系统内可编程闪存，具有8KB的随机存储器（RAM）以及其他强大的功能。此外它可以有几种不同的运行模式，根据不用的应用选择不同的模式，使得它尤其适用于超低功耗要求的系统，同时不同的模式间相互转换需要的时间很短也能进一步降低能源的消耗。CC2530设计电路原理图如图3所示。

3 外围模块的设计

WSN网络要构成一个完整的系统，就要达到扩展性、灵活性和高效性的要求，因此需要外部支持系统。外围模块的设计一般包括外部存储器、模数转换电路和外部接口电路以及电源模块等。由于CC2530芯片本身内部具有模数转换功能，而且存储空间很大，可以直接使用，不需要外部转换电路和外扩存储器。

1）电源电路设计

电源电路是节点的能量供应单元，实际应用过程中通常采用电池供电。协调器一般都能与PC机直接通信，它可以使用接口作为电源使用，但是因为接口和芯片所需的电压有差，于是需要加入旁路电容来控制电压的输入输出。电源电路如图4所示。

2）调试接口的设计

协调器是网络的中心节点，它负责全网数据的上传和命令的下达。为了实现它和PC的相互通信，设计USB调试接口，能够直接和电脑连接。如图5所示。

4 结论

系统硬件设计完成之后，在实验室的条件下进行了硬件测试。终端节点搭载了温湿度传感器SH11进行模拟调试，它是一种数字传感器，接口简单，使用方便。中间布置了4个路由器节点，网络内有一个协调器节点直接和PC机相互连接，用来接收网络数据并上传给PC机，显示结果如图6所示。经过测试，该系统能够完成网络的数据采集和传输的功能，证明系统节点的硬件设计可以使用，对于无线传感无网络的构建具有一定的指导意义。