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      無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r地監(jiān)測、感知采集節(jié)點部署區(qū)內(nèi)感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度、濕度、噪聲和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并對這些信息進(jìn)行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給終端用戶。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日趨成熟，具有感知、計算、通信、路由功能的微傳感器節(jié)點不斷涌現(xiàn)，由這些節(jié)點構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)備受關(guān)注。因其在工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而成為當(dāng)今的熱點研究方向之一，被認(rèn)為是對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響的高新技術(shù)。

       本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件設(shè)計選擇了器件，充分將GPRS(通用無線分組交換業(yè)務(wù))技術(shù)、嵌入式技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)融為一體，成功完成了本次嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。

　　1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由傳感器節(jié)點(sensornode)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(sink node)和終端用戶組成。如圖1所示，大量的傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳后路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合等處理后，通過有線或者無線的方式將數(shù)據(jù)送入終端用戶。用戶通過監(jiān)控中心對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測命令以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

　　2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點特點及其功能

　　作為感知區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點與外部網(wǎng)絡(luò)或終端用戶的橋梁，網(wǎng)關(guān)節(jié)點要處理大量的數(shù)據(jù)，必須具備高速度、大存儲量和較遠(yuǎn)的傳輸距離，即低成本、高效能。同時因部署在環(huán)境惡劣地域，頻繁更換能源很不現(xiàn)實，充足的能量供應(yīng)必須優(yōu)先考慮，低功耗設(shè)計也成為整個設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點在完成不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換的同時，還要對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和設(shè)置，需具備以下功能：掃描并選定物理信道，分配無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址，初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)置；記錄WSN網(wǎng)絡(luò)所采用的MAC算法和路由協(xié)議，協(xié)助節(jié)點完成與鄰居節(jié)點連接的建立和路由的形成；發(fā)送監(jiān)控中心控制指令，為用戶實現(xiàn)特定的操作功能；接收采集節(jié)點的請求和數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合、仲裁請求和路由選擇功能。

　　3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件設(shè)計

　　依照設(shè)計原則，在很好地實現(xiàn)上述網(wǎng)關(guān)節(jié)點功能的同時，為克服因傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用有線方式 (如串口電纜RS232)與終端用戶相連而導(dǎo)致的移動范圍受限、遠(yuǎn)程監(jiān)控困難、不能準(zhǔn)確提供基準(zhǔn)定位信息等一系列缺點，參考當(dāng)今前沿的短距離無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)，給出集中央處理單元、存儲單元、射頻收發(fā)模塊、GPRS無線通信模塊、電源模塊五位于一體的硬件設(shè)計方案。其總體結(jié)構(gòu)及相互接口如圖2所示。

　　3．1 中央處理單元

　　網(wǎng)關(guān)的中央處理單元主要用來收集和處理從采集傳感器節(jié)點送來的數(shù)據(jù)，合理分配不同節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲，并且完成終端用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制命令(包括休眠時間、采集間隔、傳感器開關(guān))；同時支持休眠、任務(wù)喚醒模式，滿足整個系統(tǒng)低功耗要求。

　　為了實現(xiàn)上述功能，采用Philips公司的LPC2000系列32位ARM處理器LPC2106。LPC2106支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI -SCPU，標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)試接口，并帶有128 KB嵌入的高速Flash存儲器；小型的LQFP封裝(7 mm×7 mm)、2種低功耗模式(空閑模式和掉電模式)以及外設(shè)功能的單獨使能和禁止，非常適合于小型化、低功耗作為主要要求的應(yīng)用；雙UART，其中一個具備完全的調(diào)制解調(diào)器接口，完全滿足本設(shè)計要求；帶有寬范圍的串行通信接口(片內(nèi)多達(dá)64 KB的SRAM)，由于具有大規(guī)模的緩沖區(qū)和強大的處理器能力，非常適合于通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器、聲音識別以及低端的圖像處理。

　　3．2 GPRS無線通信模塊

　　首先，WSN是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的上行數(shù)據(jù)量大而下行數(shù)據(jù)量小，因而在考慮網(wǎng)關(guān)節(jié)點與外部網(wǎng)絡(luò)的連接方式時，上行數(shù)據(jù)率是一個關(guān)鍵指標(biāo)；其次，應(yīng)用環(huán)境制約數(shù)據(jù)上行方式；另外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的成本及集成難度也是一個關(guān)鍵因素。綜合以上三點，選用Simcom公司生產(chǎn)的CPRS無線通信模塊SIM300C。該模塊具有如下特點：

　?、僦С謨煞N操作模式(一種是電路交換數(shù)據(jù)模式CSD，支持語音、數(shù)據(jù)、SMS和FAX業(yè)務(wù)；另一種是分組交換模式GPRS，采用多時隙，支CSI-CS4編碼)；

　　②標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，為GSM語音、短消息以及GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口；

　　③內(nèi)置TCP／IP協(xié)議，用戶不必自己編寫或者利用操作系統(tǒng)加入?yún)f(xié)議，降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期；

　?、軘?shù)據(jù)下行、上行傳輸速率分別高達(dá)85．6 kbps和42．8 kbps，標(biāo)準(zhǔn)RS232串行口，通過串行口使用AI、命令完成對模塊的操作；

　　⑤支持最少功能和休眠兩種省電模式。

　　需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點時，節(jié)點按照WSN的協(xié)議規(guī)范對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后通過無線方式經(jīng)過一跳或多跳將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。傳感數(shù)據(jù)在通過無線傳輸進(jìn)入網(wǎng)關(guān)節(jié)點后，微處理器利用WSN的協(xié)議棧拆包，得到原始數(shù)據(jù)之后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點可應(yīng)用其操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件根據(jù)具體需求對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(如進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合，去除冗余，減輕網(wǎng)關(guān)節(jié)點對外傳送的負(fù)擔(dān))。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)由TCP／IP模塊打包后通過串口與SIM300C相連，如圖3所示。最后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點中的 GPRS模塊將數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)或者SMS方式傳送到上位機(jī)。當(dāng)需要向傳感器節(jié)點傳達(dá)控制命令時，上位機(jī)以短信的方式經(jīng)GSM傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的GPRS 模塊，完成相應(yīng)任務(wù)。

　　如圖4所示，將手機(jī)卡插入SIM卡座，通過相應(yīng)的AT指令便可以很方便地實現(xiàn)上位機(jī)和網(wǎng)關(guān)之間的自由通信，按流量計費，降低系統(tǒng)成本。

　　常用如下一些AT指令。

　?、龠B網(wǎng)指令：AT返回狀態(tài)：OK(連網(wǎng)成功)

　　②全功能開啟指令：AT+CFUN=1

　?、坳P(guān)閉模塊指令：AT+CPOWD=1

　?、茏x取第n條短信：AT+CMGR=n

　　同時，DTR外接一個上拉電阻，配合“AT+CSCLK=1”指令，可以輕易地實現(xiàn)SIM300C的休眠，通過短信即可喚醒。休眠時GPRS電流消耗僅2．5 mA，滿足整個系統(tǒng)低功耗要求。

　　3．3 射頻收發(fā)模塊

　　一個基于IEEE 802．15．4的CC2430無線收發(fā)模塊，主要用來完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間、節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的無線通信。核心部分是一個CC2420射頻收發(fā)器，它完全支持ZigBee組網(wǎng)協(xié)議，具備傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)和低功耗等優(yōu)點。主要特征如下：

　?、俟ぷ黝l帶范圍是2．4～2．483 5 GHz；

　?、诓捎肐EEE 802．15．4規(guī)范要求的DSSS(直接序列擴(kuò)頻方式)；

　　③數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbps，碎片速率達(dá)2 Mchip／s，接收靈敏度高(-94 dBm)，鄰道抗干擾能力強(39 dB)，超低電流消耗(RX<27 mA，TX<25 mA)；

　?、艿碗妷汗╇?2．1～3．6 V)，內(nèi)部集成VCO、LNA、PA及電源穩(wěn)壓器。

　　CC2420通過簡單的四線(SI、SO、SCLK、CS)與SPI接口相連?？梢酝ㄟ^調(diào)制解調(diào)控制寄存器的控制位配置成不同的發(fā)射和接收模式，通常工作在緩沖模式。如圖5所示，它的外圍電路器件簡單，主要包括晶振電路、天線及阻抗匹配電路、接口電路和引腳的去耦濾波電路等。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入／輸出阻抗，使其輸入／輸出阻抗為50 Ω，同時為芯片內(nèi)部的PA和LAN提供支流偏置。