基于溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

1、   基于nRF905的溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多無線傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同組織起來的，這些節(jié)點(diǎn)具有無線通訊、數(shù)據(jù)采集和協(xié)同合作能力，可以應(yīng)用于布線和電源供給困難或人員不能到達(dá)的區(qū)域以及一些臨時(shí)場(chǎng)合等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)或特定地布置在目標(biāo)環(huán)境中，它們之間的通訊通過特定的協(xié)議自組織起來，能夠獲取周圍環(huán)境的信息，并且相互協(xié)同完成特定任務(wù)。本文基于nRF905設(shè)計(jì)了一款無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將普通辦公樓室內(nèi)的溫度采集傳感器節(jié)點(diǎn)連接起來，實(shí)時(shí)采集房間內(nèi)的溫度信息，并傳送到遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行監(jiān)測(cè)。  

2、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述   無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)用多跳中繼的方式將數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，然后再經(jīng)過各種通信網(wǎng)絡(luò)途徑傳送到用戶交互的管理節(jié)點(diǎn)；管理節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和對(duì)管理項(xiàng)進(jìn)行管理，及時(shí)地收集信息數(shù)據(jù)并發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)。   無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有如下特點(diǎn)：   基于應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是對(duì)每一個(gè)應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)的，通過感知識(shí)別客觀世界的物理量，它可以獲取外部信息。   與物理世界交互。外部環(huán)境變化對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的

3、影響較大，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)必須適時(shí)地調(diào)整自身工作狀態(tài)，以適應(yīng)環(huán)境的變化。   自組織網(wǎng)絡(luò)。為了能夠快速自動(dòng)地配置調(diào)節(jié)、監(jiān)測(cè)與管理網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)需具有自組織能力，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的外部環(huán)境不穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)自身也有很多不可預(yù)測(cè)的地方。   以數(shù)據(jù)為中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，快速有效地融合各節(jié)點(diǎn)信息，直接將其傳送給用戶。   網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求用大量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分布式協(xié)同的信號(hào)和信息處理，這是因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力有限。   節(jié)點(diǎn)能力有限。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)面臨電池能量、

4、計(jì)算能力以及存儲(chǔ)能力有限的情況。   無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有許多其他網(wǎng)絡(luò)所沒有的優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)深入到人類社會(huì)的許多場(chǎng)合，例如在環(huán)境、反恐、家庭、軍事、醫(yī)療、救災(zāi)以及其他商業(yè)、工業(yè)領(lǐng)域。   溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)組成     根據(jù)系統(tǒng)要求，溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)包括遠(yuǎn)程控制中心和智能節(jié)點(diǎn)。遠(yuǎn)程控制中心用于發(fā)起數(shù)據(jù)采集命令，智能節(jié)點(diǎn)用以實(shí)現(xiàn)信息的采集、數(shù)據(jù)處理以及傳輸功能，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要由控制模塊、無線收發(fā)模塊、通訊模塊、溫度采集模塊、存儲(chǔ)模塊、電量檢測(cè)模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊以及GSM模塊等組成。

5、依據(jù)實(shí)際應(yīng)用背景，在所設(shè)計(jì)的溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)中，普通節(jié)點(diǎn)首先通過無線射頻將所測(cè)溫度數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后匯聚節(jié)點(diǎn)通過GSM模塊將數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程控制中心。圖1 溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成圖   溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)   控制模塊設(shè)計(jì)    控制模塊的功能包括：測(cè)量并處理傳感器模塊數(shù)據(jù)；讀取并處理無線收發(fā)模塊接收的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，配置系統(tǒng)參數(shù)；通信協(xié)議處理，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信中的MAC和路由協(xié)議處理。因此，綜合考慮控制模塊的處理速度、存儲(chǔ)空間、外圍接口、功能和功耗等因素，本設(shè)計(jì)選取µPD78F0485微控

6、制器作為控制模塊的核心器件。   µPD78F0485微控制器具有如下特點(diǎn)：工作電壓低、范圍寬、功耗低：電壓為1.8V5.5V；在STOP模式下工作電流1µA，使用副時(shí)鐘（32.768kHz）全速工作時(shí)電流僅200µA。方便的開發(fā)方式，存儲(chǔ)容量大：支持在線編譯，具有片上調(diào)試功能；內(nèi)部存儲(chǔ)器為60KB，高速RAM為1KB，擴(kuò)展ROM為1KB，存儲(chǔ)空間為64K。管腳驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)：驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)10mA，可直接連接到電流低于10mA的芯片的電源引腳上，為這些芯片提供電源。具有8通道10位AD轉(zhuǎn)換器；內(nèi)置看門狗定時(shí)器。具有按鍵中斷功能，方便系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)用戶

7、操作。具有LCD控制器/驅(qū)動(dòng)器，可直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示器。具有1個(gè)16位的定時(shí)器/事件計(jì)數(shù)器，3個(gè)8位的定時(shí)器/事件計(jì)數(shù)器，3個(gè)8位的定時(shí)器，1個(gè)實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器，定時(shí)器可用作實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)定位過程中的延時(shí)，實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器主要用作實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的時(shí)鐘同步功能。兩通道串行接口等片內(nèi)資源，可以直接連接GSM模塊和USB通訊模塊。共有62個(gè)I/O口，多數(shù)接口具有內(nèi)部上拉電阻，對(duì)于必須使用上拉電阻的電路，可使用內(nèi)部上拉電阻，以節(jié)省電路板空間。內(nèi)置蜂鳴器輸出控制器，可實(shí)現(xiàn)低電壓報(bào)警、溫度報(bào)警等功能。   無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)   本設(shè)計(jì)在考慮調(diào)制方式、功耗、傳輸距離、功率等

8、因素的基礎(chǔ)上，選取Nordic VLSI公司的無線射頻芯片nRF905。nRF905是一款低功耗無線收發(fā)芯片，可工作于433/868/915MHz ISM頻段，GFSK調(diào)制，本設(shè)計(jì)采用433MHz為中心頻率。該收發(fā)芯片由功率放大器、頻率合成器、晶體振蕩器、接收解調(diào)器和調(diào)制器組成，片內(nèi)自動(dòng)完成曼徹斯特編碼和解碼，廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報(bào)警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測(cè)和家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域。   nRF905通過SPI與微控制器進(jìn)行通信，可自動(dòng)處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，微控制器只需將配置寄存器信息、所要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收地址通過SPI傳送給nRF905，

9、它會(huì)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的打包和發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時(shí)，nRF905自動(dòng)檢測(cè)載波并進(jìn)行地址匹配，接收到正確數(shù)據(jù)后自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)碼，再通過SPI將數(shù)據(jù)傳送到微控制器。nRF905具有四種工作模式：掉電模式、待機(jī)模式、Shock Burst接收模式和Shock Burst發(fā)送模式。在掉電模式中，電流僅為2.5µA，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。當(dāng)nRF905處于掉電模式時(shí)，SPI接口仍可以保持在工作狀態(tài)；通過Shock Burst收發(fā)模式進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，收發(fā)可靠，使用方便。因此，nRF905在諸多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景，這些特點(diǎn)決定了nRF905芯片非常適合應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。 &#

10、160; 無線收發(fā)模塊的電路如圖2所示?？刂埔_TX_EN、TRX_EN、PWR_UP直接與微控制器的P44、P45、P46相連；狀態(tài)引腳DR與微控制器的中斷引腳P120/INTP0相連，狀態(tài)引腳CD、AM直接與微控制器P47、P10相連；由于系統(tǒng)沒有SPI總線，因此采用I/O引腳模擬SPI總線通信。微控制器的P11、P12、P13分別與nRF905的SCK、MOSI、MISO連接；微控制器的P14與SPI的控制端口CSN連接。nRF905通過電容和電感與天線J2相連接。nRF905帶有外部時(shí)鐘輸出引腳uPCLK，能夠輸出四種不同頻率的時(shí)鐘，采用示波器連接uPCLK引腳可測(cè)試nRF905是否工作正常。電量檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)    溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)采用電池供電，因而必須定時(shí)檢測(cè)電量，以避免節(jié)點(diǎn)電量不足而造成節(jié)點(diǎn)之間的通信故障，若電量不足，則提示更換電池。本設(shè)計(jì)采用µPD78F0485微控制器的10位逐