引言
半導體技術、微系統技術、通信技術、計算機技術的飛速發展，推動了具有現代意義的無線傳感器技術。無線傳感器網絡技術涉及計算機、半導體、網絡、通信、光學、微機械等眾多領域。微型、高可靠、多功能、集成化的傳感器，低功耗、高性能的專業集成電路，微型、大容量的能源，高效、可靠的網絡協議和操作系統，面向應用、低計算量的模式識別，低功耗、自適應的網絡結構，以及現實環境的各種
應用模式成為無線傳感器網絡課題研究的重點。
以傳感器和自組織網絡為代表的無線應用不需要較高的傳輸帶寬，但需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列，同時需要一種低端的、面向控制的、應用簡單的專用標準，ZigBee的出現正好解決了這一問題。ZigBee是無線個人
局域網絡(Wireless Personal Area Network，WPAN)的標準之一，具有高通信效率、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數字化等諸多優點。這些優點使得ZigBee 和無線傳感器網絡完美地結合在一起。目前，無線傳感器網絡的研究和開發已得到越來越多的關注。本設計基于ZigBee搭建的無線傳感器網絡采集節點硬件平臺，可以完成風向、風速和空氣濕度的測量。
1 無線傳感器網絡系統結構
無線傳感器網絡系統由上位機、中轉器、匯聚節點和若干采集節點組成，如圖1所示。采集節點采集并預處理傳感器采集的數據，在收到匯聚節點的上傳命令后將數據上傳至匯聚節點；匯聚節點收集采集節點上傳的數據并通過中轉器將數據上傳到上位機，上位機處理最終上傳的采集數據。上位機將用戶下達的各操作命令發送至中轉器，中轉器將命令信息傳遞給匯聚節點，匯聚節點將中轉器下發的命令通告個采集節點，同時負責采集節點相互間的組網及維護。
本設計中采集節點和匯聚節點均采用CC2531作為核心控制芯片；中轉器采用ARM處理器作為核心控制芯片。采集節點與匯聚節點間以ZigBee協議進行無線通信；匯聚節點與中轉器間采用串口通信；中轉器與上位機以GPRS通信方式進行交互；上位機實現人機交互。
2 CC2531芯片簡介
CC2531是TI公司推出的符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標準的射頻收發器。它具有很好的接收靈敏度和魯棒性以及低功耗特性，可編程輸出功率高達4．5 dBm，外部元件很少；結合RF收發器與業界標準增強型8051微控制器的性能，具有32 KB、64 KB、128 KB或256 KB的在系統可編程閃存和8 KB的RAM，且該RAM具備在各種供電方式下的數據保護能力；同時具有多種運行模式，而且運行模式之間轉換時間短，使低能耗特性能夠進一步保證。
CC2531提供了101 dB的鏈路質量以及一套廣泛的外設集，包括2個USART、8路輸入可配置的12位ADC、21個通用GPIO、高級加密標準(AES)安全協處理器、看門狗定時器和具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時器等設備。它支持一般的低功耗無線通信，可以應用于遠程控制、消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化、醫療以及更多領域。
3 采集節點硬件設計
節點系統結構框圖如圖2所示。整個采集節點可以劃分為電源模塊、處理模塊、無線通信模塊、數據采集模塊4個組成部分，各部分協
同工作。電源模塊負責電壓調理，為其他模塊提供所需要的電壓；處理模塊負責處理節點數據和命令；無線通信模塊負責各節點之間數據、命令的傳輸；數據采集模塊完成數據采集與信號調理。
3．1 電源模塊
無線傳感器網絡多用于人們不方便或者不經常到達的地方，因此電源的選擇尤為重要。電源模塊控制著整個節點的能量分配，在整個無線傳感器網絡節點的設計中具有極其重要的意義。目前，比較容易實現的無線傳感器網絡節點供電方式是電池供電，根據不同場合和條件也可以選擇不同種類電池。鋰電池的放電曲線平滑，可以保證無線傳感器網絡在平常使用時具有更好的線性特性，因此可以作為系統能量來源的一種選擇。但是，鋰電池額定容量較小，而且需要升壓處理，限制了節點的生存期。為了維持更長的工作時間和節省成本，本設計采用5節7號鎳氫電池供電。除此之外，軟件上通過合理設置節點的發射、接收以及待機狀態，也可以有效地延長節點的工作時間。新的能源解決方法也是無線傳感器網絡需要研究的重要課題，太陽能或者風力充電就是目前的研究熱點。
數據采集模塊需要外部提供5 V直流電壓，處理模塊及無線通信模塊需要3．3 V直流電壓，因而采用了Sipex公司的低壓差電源芯片SPX-2815和SP6201EM-3．3 V將輸入的電池電壓轉換為5 V和3．3V。經過電壓轉換后將電源繼續劃分為數字部分與模擬部分供各芯片、模塊使用，保證模擬電源、數字電源之間不互相干擾。CC2531具有8路A／D接口，使用TI公司的基準電壓二極管LM4040為CC2531的8路A／D接口提供2．5 V的參考電壓，同時為傳感器信號調理電路提供2．5 V電壓。LM4040的輸出電壓穩定性好、精度高，輸出電壓精度為O．5％，其接口電路如圖3所示。
3．2 處理模塊
處理模塊是采集節點的核心部分，主要由CC2531及其外圍電路構成，完成對采集數據的處理、存儲以及收發工作。CC2531的接口電路如圖4所示。 CC2531具有21個I／O口(其中8路P0口具有A／D功能)，它們分別與傳感器接口、SPI存儲器及在線仿真器連接。圖中P0_7接收LM4040 提供的2．5 V基準電壓；系統時鐘由32 MHz晶振提供；系統休眠所用時鐘由32．768 kHz無源晶振提供；復位按鍵與RESET連接，可實現硬件復位，初始化系統。
為方便選擇不同種類的傳感器，我們將各I／O口連接到統一的傳感器排針接口上，并將具有A／D功能的I／O與GPIO在電路板上進行了劃分，以防止數模串擾。這種設計增強了可擴展性和靈活性。為實現對I／O口的高效利用，設計中有部分I／O進行了復用。復用后最多可以有
6路A／D以及9路GPIO供采集多路模擬傳感器信號和數字傳感器信號使用，可以根據實際需求選擇傳感器和連接接口。由于采集的數據量較大，而 CC2531自帶的內存需要存儲程序，不能滿足存儲要求，所以需要外接存儲器。本設計選用Ramtron公司帶SPI接口的鐵電存儲器FM25L2 56，它具有高速數據存儲、功耗低、可擦寫次數多等優點。選取CC2531提供的SPI接口1(即P0．2～P0．5四個引腳)與FM25L256連接，完成數據存儲。其接口電路如圖5所示。
3．3 無線通信模塊
無線通信模塊作為系統中重要的數據傳輸通道，實現了采集節點與匯聚節點、采集節點與采集節點之間的數據傳輸及組網功能。本設計中，CC2531與 CC2591聯合使用構成無線通信模塊。CC2591為TI公司面向低功耗與低電壓無線應用的、集成度最高的2．4 GHz射頻前端。它集成了功率放大器(可將輸出功率提高+22 dBm)、低噪聲放大器(可將接收機靈敏度提高+6 dB)、平衡轉換器(balun)、交換機、電感器和RF匹配網絡等，從而能夠顯著增大無線系統的覆蓋范圍，降低系統安裝成本。這種高集成度簡化了高性能設計工作，使客戶能用極少的外部組件開發出高輸出功率的無線解決方案。CC2591為CC2531提供了無縫接口，對于加速系統開發、改善系統RF性能方面具有很大幫助。其連接電路如圖6所示。其中，B1為磁珠，作濾波用，推薦型號BLMl5HG102SN1D。
TI公司為CC2591與CC2531之間的連接提供一個緊湊的參考設計，并提供了PCB板參數。PCB板經過仿真驗證后參照參考設計繪制，對電源、地的布局進行了精心設計。同時，天線的信號走線進行了阻抗匹配設計，使到達天線端阻抗為50 Ω，并且PCB板上使用村田公司的高頻分立元件，以達到較好的信號傳輸效果，增加節點間的無線通信距離。
3．4 數據采集模塊
數據采集模塊負責采集數據和數據信號的調理。選用EC21B型高動態性能測風傳感器和PTS-3型空氣濕度傳感器。采用排針接口設計，如果需要用于其他的應用場合，只需更換不同的傳感器(包括信號調理部分)并采用排線連接即可，大大擴展了無線傳感器網絡的應用范圍。
EC21B型高性能測風傳感器為三杯式、單尾翼型測風傳感器，風杯為一體式。該傳感器只需5 V電壓即可工作，輸出信號為RS485數字信號。為采集傳感器信號，需要對傳感器信號進行轉換。本設計選用了Exar半導體公司的SP3494芯片，實現了RS485信號和TTL信號的雙向轉換。SP3494是一個半雙工的轉換速率部分受限的收發器，數據傳輸速率高達2．5 Mbps，含有低功耗關斷模式和驅動器／接收器高阻使能控制線。測風傳感器信號調理電路如圖7所示。SP3494的接收器輸出端(R0)、發送器輸入端 (DI)及使能端(、DE)通過排針與I／O接口連接；同相發送器輸出／接收器輸入端(A)、反相發送器輸出／接收器輸入端(B)與傳感器信號線連接。
PTS-3型空氣濕度傳感器需要5 V直流電壓供電，只需一根信號輸出線，輸出電壓范圍為1～4 V模擬信號。為了使PTS-3輸出的模擬電壓能夠被CC2531正確采樣，需要對輸出信號進行調理，使其輸出信號更加穩定且電壓值不超過基準電壓。空氣濕度傳感器信號調理電路如圖8所示。U1為傳感器接口，5 V電源向傳感器供電，傳感器的輸出信號(1～4 V)通過精密電阻1／2分壓后送入由P354構成的射隨器，并最終將信號送入CC2531的一個ADC通道。
結語
基于ZigBee的無線傳感器網絡具有低功耗、低成本、體積小的顯著優點，可在特殊環境下實現檢測區域內信號的采集傳輸與處理。Zig-Bee新一代 SoC芯片CC2531是真正的片上系統解決方案，適用于環境監測、災害預測等系統的開發。伴隨新的能量解決方案的提出及無線自組織網絡技術的成熟，無線傳感器網絡將應用到更多領域。
