一種無線傳感器開發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

微電子和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使得低功耗、低成本、體積微小的傳感器網(wǎng)絡(luò)的研制成為可能。
　　
本文介紹了一種無線傳感器開發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法．包括節(jié)點(diǎn)和開發(fā)板。節(jié)點(diǎn)具有功耗低、通用性好的特點(diǎn)，帶有多種傳感器，可以感知溫度、濕度和光等，并帶有擴(kuò)展口。開發(fā)板用于配置節(jié)點(diǎn)和下載程序。開發(fā)板具有友好的上位機(jī)用戶界面，并支持多種編譯系統(tǒng)生成的不同目標(biāo)文件格式。
　　
1 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
　　
傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)主要由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊組成。傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，由于節(jié)點(diǎn)放置在危險(xiǎn)或不易到達(dá)的區(qū)域，更換電池幾乎是不可能，因此節(jié)能成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，此外，還要控制成本和體積。設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖1所示。

1．1 微處理器模塊


微處理器選用ATMEL公司的ATMELGAl28L。該芯片功耗低，且有多種睡眠模式；多個(gè)中斷源，53個(gè)10口，可以連接多個(gè)傳感器擴(kuò)展口；內(nèi)帶8路 10位A／D轉(zhuǎn)換器，可以將傳感器送來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號(hào)；雙向I2C串行總線接口；主/從SPI串行接口；可編程串行通信接口；JTAG和SPI 在線編程方式等。該芯片的豐富資源可以滿足節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)囊?，尤其是六種不同的睡眠模式，特別適合有能量限制的應(yīng)用。
　　
存儲(chǔ)器存放待處理或接收的數(shù)據(jù)．選用Mierochip公司的25AAl024。該芯片的存儲(chǔ)量為1024KB，功耗低，讀寫方式為SPI，占用10口少。節(jié)點(diǎn)索引號(hào)產(chǎn)生器選用MAXIM公司的DS2411，用來產(chǎn)生48位隨機(jī)數(shù)，作為節(jié)點(diǎn)的惟一標(biāo)識(shí)號(hào)。
　　
1．2 射頻模塊
　　
射頻芯片的選取直接影響節(jié)點(diǎn)的功耗，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)消耗能量的近2／3都用于無線收發(fā)。選用的射頻芯片為NORDIC公司的nRF24L01。該芯片功耗低。在相同工作模式下，比Chipcon公司的CC2420芯片節(jié)省近l/3的能量；工作于2．4G～2．5GHz ISM頻段；支持高速跳頻；體積很?。煌鈬骷?，配置簡(jiǎn)單，且使用兩層PCB板，節(jié)省成本。nRF24L0l配置框圖如圖2所示。

　　
nRF24L01與微處理器相連只需6根信號(hào)線，其中4根是SPI信號(hào)線，與ATMELGAl28L的SPI口相連；其余一根為片選，另一根用于中斷請(qǐng)求。
　　
射頻電路要取得好的RF性能，PCB設(shè)計(jì)必須合理。nRF24L01的供電電源必須經(jīng)過良好的濾波，并且與數(shù)字電路分開；避免長(zhǎng)距離走線；在射頻信號(hào)輸出部分，根據(jù)發(fā)送功率設(shè)置濾波網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，使到達(dá)天線的信號(hào)最強(qiáng)。要防止高頻信號(hào)泄漏，否則會(huì)對(duì)發(fā)射信號(hào)造成很大干擾。由于天線要散播電磁能量，需選用Q我較小的器件。制作PCB板時(shí)，在器件周圍覆銅，以提高抗干擾性能。
　　
1．3 傳患器模塊和擴(kuò)展口
　　
板上設(shè)有一光敏電阻感應(yīng)光信號(hào)，由于是模擬信號(hào)，需接入ATMELGAl28L的AD引腳進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后才可處理。板上還裝有一數(shù)字型溫濕度傳感芯片SHT15，可感知溫度和濕度，精確度較高，且功耗低，采用I2C讀寫，占有IO口很少。
　　
為了讓節(jié)點(diǎn)具有更廣泛的應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)板上接有擴(kuò)展口，其中有I2C口、AD口和中斷口等，用來連接其他傳感器。
　　
1．4 電源橫塊和電能消耗
　　
節(jié)點(diǎn)有兩種供電方式，在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試和測(cè)試時(shí)通過開發(fā)板供電，在外界環(huán)境中工作時(shí)，用2個(gè)AA電池供電。為了防止2個(gè)電源之間的干擾，在板上加有一個(gè)手動(dòng)開關(guān)。
　　
因?yàn)殡娔艿南臎Q定了傳感器節(jié)點(diǎn)的使用壽命，在節(jié)點(diǎn)的軟、硬件設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮能源的有效性。節(jié)點(diǎn)在各種運(yùn)行模式下，必須關(guān)閉不必要的模塊以節(jié)省能量。當(dāng)通信采用節(jié)點(diǎn)定時(shí)關(guān)閉和打開的協(xié)議且關(guān)閉與打開的時(shí)間比為1：99時(shí)，使用2節(jié)1000毫安時(shí)(mAhr)的AA電池供電，節(jié)點(diǎn)耗能如表1所示。

　　
在上述工作模式下，如果用2節(jié)1000mA-hr的AA電池供電，則節(jié)點(diǎn)壽命為12．55個(gè)月。此值是在最大發(fā)送功率情況下計(jì)算的。當(dāng)發(fā)送功率和收發(fā)速率變小時(shí)，耗能更少，傳感器的壽命會(huì)更長(zhǎng)。
　　
2 開發(fā)板的硬件設(shè)計(jì)
　　
開發(fā)板的硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

節(jié)點(diǎn)CPU的JTAG口接在開發(fā)板上。如果使用JTAG口下載和調(diào)試程序，則需要JTAG下載器。為此，設(shè)計(jì)了另一種下載方式，即串行下載。CPU通過 USB口接收上位機(jī)的代碼，然后通過SPI口下載到節(jié)點(diǎn)CPU的FLASH。CPU為中心控制模塊，接收上位機(jī)的各種命令并進(jìn)行相應(yīng)處理。CPU芯片選用 ATMEL公司的ATMELGAl6L，該芯片帶有可編程UART口和工作于主機(jī)，從機(jī)模式的SPI口。

USB轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)上位機(jī)端的USB數(shù)據(jù)與下位機(jī)端的UART數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。選用芯片為FT232BM。由于編程板CPU、ATMELGAl28都要通過USB口與上位機(jī)通信，為了防止不同輸入輸出信號(hào)間的干擾，設(shè)計(jì)時(shí)用了兩個(gè)帶有使能控制的BUFFER來控制不同CPU串口通信的通斷。

為了更方便地配置傳感器節(jié)點(diǎn)，在板上集成了一塊E2PROM。目標(biāo)代碼可以先存儲(chǔ)在EZPROM中。當(dāng)需要向節(jié)點(diǎn)下載時(shí)，通過按鈕激發(fā)外部中斷即可將E2PROM的代碼通過SPI口寫入節(jié)點(diǎn)CPU。操作方便簡(jiǎn)單，擺脫了上位機(jī)的限制。
　　
節(jié)點(diǎn)連接器是17針的節(jié)點(diǎn)與開發(fā)板和擴(kuò)展傳感器之間的接口，除了編程口和串口，還有連接傳感器的擴(kuò)展口，包括I2C口、中斷口和AD口等。
　　
節(jié)點(diǎn)CPU SPI編程共需4根信號(hào)線，其中3根SPI通信線與開發(fā)板CPU的SPI口相連，節(jié)點(diǎn)CPU的RESET信號(hào) 由開發(fā)板CPU的IO口控制即可。
　　
3 開發(fā)板軟件設(shè)計(jì)
　　
3．1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
　　
用C++ Builder 6．0編寫上位機(jī)程序，制作了用戶操作界面，并將不同編譯系統(tǒng)生成的多種目標(biāo)文件格式轉(zhuǎn)換成上、下位機(jī)約定的文件格式，傳送給下位機(jī)。
　　
為提高向ATMELGAl28L的FLASH和E2PROM寫代碼的效率和便于從E2PROM向FLASH寫代碼，上位機(jī)傳送給下位機(jī)的代碼采用圖4所示的格式。

　　
圖4中，地址指該段代碼要寫入FLASH的初始地址，包括2字節(jié)的頁地址和l字節(jié)的頁內(nèi)地址；序列號(hào)表示該段代碼是全部代碼中的第幾段；長(zhǎng)度指該段代碼的字節(jié)數(shù)，不包括地址和序列號(hào)。每一地址段代碼都采用表2的格式。
　　
上位機(jī)程序支持的目標(biāo)文件格式有：TinyOS、AVRGCC和IAR生成的Intel hex文件。Intel hex是Intel公司提出的一種文件標(biāo)準(zhǔn)，是最常用的目標(biāo)文件格式之一。上位機(jī)程序還支持TI(德州儀器)公司提出的msp430-txt格式，該格式及說明如表2所示。

　　
上位機(jī)程序?qū)⒉煌幾g系統(tǒng)生成的不同格式的目標(biāo)文件轉(zhuǎn)換成圖4所示的格式，再發(fā)給下位機(jī)。上位機(jī)操作界面提供了各種命令按鈕，用戶點(diǎn)擊命令按鈕后，上位機(jī)即按制定的該命令模式處理協(xié)議發(fā)送命令和數(shù)據(jù)。在傳送文件時(shí)，為確保數(shù)據(jù)傳送不出差錯(cuò)，采用了停止-等待傳輸協(xié)議。上位機(jī)發(fā)送約定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)后停止發(fā)送，等接收到下位機(jī)發(fā)來的確認(rèn)標(biāo)志后再開始發(fā)送。上位機(jī)總程序框圖如圖5所示。

　　
3．2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)
　　
下位機(jī)接收上位機(jī)的命令，完成讀寫FLASH、E2PROM、鎮(zhèn)定位、熔絲位和USB口使用權(quán)的切換等功能。由于實(shí)現(xiàn)的功能較多，采用了模塊化、自下向上的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法。首先按照ATMELCAl28L數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的SPI編程算法，用C語言實(shí)現(xiàn)了讀寫FLASH、鎖定位和熔絲位等模塊。
　　
程序設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)是將接收的上位機(jī)發(fā)送的文件寫入FLASH或E2PROM，因?yàn)樯婕暗浇邮諗?shù)據(jù)和寫FLASH或EZPROM的交互。解決方法是采用停止一等待傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。下位機(jī)開辟約定數(shù)量的緩沖區(qū)，利用中斷接收上位機(jī)數(shù)據(jù)至緩沖區(qū)滿，處理完緩沖區(qū)數(shù)據(jù)后發(fā)送確認(rèn)標(biāo)志，上位機(jī)收到確認(rèn)后再開始下一次發(fā)送。
　　
按制定的協(xié)議寫ATMELGA128L的FIASH的流程圖如圖6所示。

　　
寫EZPROM與寫FLASH類似，只是要將接收的地址、序列號(hào)、長(zhǎng)度也寫入E2PROM。代碼在E2PROM中存放時(shí)仍保持表2所示的格式，即段初始地址、序列號(hào)、該段長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)的格式，以便將E2PROM中存儲(chǔ)的代碼寫入FLASH。
　　
編寫下位機(jī)程序時(shí)，依據(jù)各模塊分別用子函數(shù)實(shí)現(xiàn)、模塊間接口清晰、主程序簡(jiǎn)單的原則，實(shí)現(xiàn)了讀寫FLASH和E2PROM、讀寫鎖定位和鎖定位、從 E2PROM寫FLASH等幾大模塊，主函數(shù)接收到命令調(diào)用相應(yīng)模塊即可。當(dāng)按下中斷按鈕時(shí)，中斷程序先檢測(cè)FLASH連接，如果檢測(cè)成功，則調(diào)用從 E2PROM寫FLASH模塊；否則紅燈閃爍指示操作失敗。
　　
使用本文設(shè)計(jì)的開發(fā)板對(duì)節(jié)點(diǎn)下載程序，程序運(yùn)行正常，節(jié)點(diǎn)間通信狀態(tài)良好，且功耗低，實(shí)現(xiàn)了預(yù)計(jì)的功能并滿足性能要求。
　　
從設(shè)計(jì)過程和使用可以看出，本開發(fā)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
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(1)節(jié)點(diǎn)功耗低，體積小，射頻芯片靈敏度高；
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(2)節(jié)點(diǎn)通用性好，可以連接多種傳感板；
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(3)開發(fā)工具用戶界面友好，支持多種目標(biāo)文件格式；
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(4)代碼可存儲(chǔ)在E2PROM中，需要下載時(shí)按下按鈕便寫入FLASH，配置節(jié)點(diǎn)方便。
　　
本文所設(shè)計(jì)的傳感器開發(fā)系統(tǒng)便于研究者做更深入的實(shí)踐研究，推動(dòng)了傳感器更廣泛的應(yīng)用。