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无线传感器网络节点可以随机或特定地布置在目标环境中，它们之间的通讯通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息，并且相互协同完成特定任务。本文基于nRF905设计了一款无线温度传感器网络，通过无线网络将普通办公楼室内的温度采集传感器节点连接起来，实时采集房间内的温度信息，并传送到远程控制中心进行监测。
无线传感器网络概述 无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。传感器节点用多跳中继的方式将数据传送到汇聚节点，然后再经过各种通信网络途径传送到用户交互的管理节点；管理节点对整个传感器网络进行配置和对管理项进行管理，及时地收集信息数据并发布监测任务。 无线传感器网络技术具有如下特点： ①基于应用的网络。无线传感器网络是对每一个应用进行相关的设计的，通过感知识别客观世界的物理量，它可以获取外部信息。 ②与物理世界交互。外部环境变化对无线传感网络系统的影响较大，因此，传感器节点必须适时地调整自身工作状态，以适应环境的变化。 ③自组织网络。为了能够快速自动地配置调节、监测与管理网络，节点需具有自组织能力，这是因为网络的外部环境不稳定，网络自身也有很多不可预测的地方。 ④以数据为中心。无线传感器网络以数据为中心，快速有效地融合各节点信息，直接将其传送给用户。 ⑤网络的协作性。无线传感器网络要求用大量节点进行分布式协同的信号和信息处理，这是因为单个节点计算能力有限。 ⑥节点能力有限。无线传感器网络设计时，会面临电池能量、计算能力以及存储能力有限的情况。 无线传感器网络具有许多其他网络所没有的优点，其应用领域已经深入到人类社会的许多场合，例如在环境、反恐、家庭、军事、医疗、救灾以及其他商业、工业领域。 温度传感器网络的结构组成 根据系统要求，温度传感器网络包括远程控制中心和智能节点。远程控制中心用于发起数据采集命令，智能节点用以实现信息的采集、数据处理以及传输功能，其结构组成如图1所示，主要由控制模块、无线收发模块、通讯模块、温度采集模块、存储模块、电量检测模块、按键模块、液晶显示模块以及GSM模块等组成。依据实际应用背景，在所设计的温度传感器网络中，普通节点首先通过无线射频将所测温度数据传输给汇聚节点，然后汇聚节点通过GSM模块将数据传给远程控制中心。 图1 温度传感器网络结构组成图 温度传感器网络硬件设计 控制模块设计 控制模块的功能包括：①测量并处理传感器模块数据；②读取并处理无线收发模块接收的数据，进行数据融合，配置系统参数；③通信协议处理，完成无线传感器网络通信中的MAC和路由协议处理。因此，综合考虑控制模块的处理速度、存储空间、外围接口、功能和功耗等因素，本设计选取µPD78F0485微控制器作为控制模块的核心器件。 µPD78F0485微控制器具有如下特点：①工作电压低、范围宽、功耗低：电压为1.8V~5.5V；在STOP模式下工作电流1µA，使用副时钟（32.768kHz）全速工作时电流仅200µA。②方便的开发方式，存储容量大：支持在线编译，具有片上调试功能；内部存储器为60KB，高速RAM为1KB，扩展ROM为1KB，存储空间为64K。③管脚驱动能力强：驱动电流可达10mA，可直接连接到电流低于10mA的芯片的电源引脚上，为这些芯片提供电源。④具有8通道10位AD转换器；内置看门狗定时器。⑤具有按键中断功能，方便系统实时响应用户操作。⑥具有LCD控制器/驱动器，可直接驱动液晶显示器。⑦具有1个16位的定时器/事件计数器，3个8位的定时器/事件计数器，3个8位的定时器，1个实时计数器，定时器可用作实现整个网络的组网定位过程中的延时，实时计数器主要用作实现系统的时钟同步功能。⑧两通道串行接口等片内资源，可以直接连接GSM模块和USB通讯模块。⑨共有62个I/O口，多数接口具有内部上拉电阻，对于必须使用上拉电阻的电路，可使用内部上拉电阻，以节省电路板空间。⑩内置蜂鸣器输出控制器，可实现低电压报警、温度报警等功能。 |
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无线收发模块设计
本设计在考虑调制方式、功耗、传输距离、功率等因素的基础上，选取Nordic VLSI公司的无线射频芯片nRF905。nRF905是一款低功耗无线收发芯片，可工作于433/868/915MHz ISM频段，GFSK调制，本设计采用433MHz为中心频率。该收发芯片由功率放大器、频率合成器、晶体振荡器、接收解调器和调制器组成，片内自动完成曼彻斯特编码和解码，广泛应用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测和家庭自动化等领域。 nRF905通过SPI与微控制器进行通信，可自动处理字头和CRC（循环冗余码校验）。发送数据时，微控制器只需将配置寄存器信息、所要发送的数据和接收地址通过SPI传送给nRF905，它会自动完成数据的打包和发送。接收数据时，nRF905自动检测载波并进行地址匹配，接收到正确数据后自动移去字头、地址和CRC校验码，再通过SPI将数据传送到微控制器。nRF905具有四种工作模式：掉电模式、待机模式、Shock Burst接收模式和Shock Burst发送模式。在掉电模式中，电流仅为2.5µA，易于实现节能。当nRF905处于掉电模式时，SPI接口仍可以保持在工作状态；通过Shock Burst收发模式进行无线数据传输，收发可靠，使用方便。因此，nRF905在诸多领域都具有广阔的应用前景，这些特点决定了nRF905芯片非常适合应用于无线传感器网络中。 无线收发模块的电路如图2所示。控制引脚TX_EN、TRX_EN、PWR_UP直接与微控制器的P44、P45、P46相连；状态引脚DR与微控制器的中断引脚P120/INTP0相连，状态引脚CD、AM直接与微控制器P47、P10相连；由于系统没有SPI总线，因此采用I/O引脚模拟SPI总线通信。微控制器的P11、P12、P13分别与nRF905的SCK、MOSI、MISO连接；微控制器的P14与SPI的控制端口CSN连接。nRF905通过电容和电感与天线J2相连接。nRF905带有外部时钟输出引脚uPCLK，能够输出四种不同频率的时钟，采用示波器连接uPCLK引脚可测试nRF905是否工作正常。 图2 无线收发模块电路图 存储模块设计 传感器节点需存储用户设定的参数以及运行记录等大量数据。本设计选择AT24C256作为存储芯片，它是ATMEL公司推出的低功耗256K串行EEPROM芯片，具有如下特点：①具有三种工作电压，分别为5.0V、2.7V、1.8V；②具有64字节页写模式；③符合双向数据传送协议；④具有硬件写保护和软件数据保护功能；⑤采用斯密特触发，可抑制输入噪声；⑥采用2线串行接口；⑦内部可以组织成32K×8存储单元。 AT24C256存储器电路如图3所示，AT24C256的A0引脚和A1引脚接地。由于µPD78F0485微控制器没有I2C接口，因此采用µPD78F0485的I/O引脚模拟I2C总线通信。采用µPD78F0485的I/O引脚控制EEPROM的供电，将存储器的电源引脚VCC与µPD78F0485的P12引脚相连接。使用存储器时，需设置P12引脚输出高电平，以实现为存储器供电；不使用存储器时，可将存储器电源关掉，节省电量，这也保证了电源不稳定时不能访问EEPROM，防止EEPROM读写出现错误。µPD78F0485的P13和P14与AT24C256的SCL引脚和SDA引脚相连接。 图3 AT24C256存储器电路图 按键模块设计 按键是无线传感器节点为用户提供的操作接口，可利用按键设置和读取节点的参数，查询节点的运行结果、工作状态和历史记录。本设计采用的微控制器µPD78F0485具有按键中断功能，具有8个通道，网络系统使用了KEY1、KEY2、KEY3和KEY4四个按键引脚，它们分别与µPD78F0485的P40引脚、P41引脚、P42引脚和P43引脚相连接，按键电路如图4所示。 图4 按健电路图 USB通讯模块设计 利用USB接口可实现传感器节点与计算机的通信。本设计采用了高度集成USB转UART桥接器CP2102，它集成了USB 2.0全速功能控制器、USB转发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的串行数据总线（UART）接口；外围元件较少，可以节约PCB成本和空间。使用USB通讯时，首先将USB电路板一端与传感器节点的电路板连接，另一端与计算机连接，然后将CP2102的驱动程序安装在计算机上，计算机将CP2102虚拟成一个COM口，最后就能够以访问一个标准COM口的硬件方式访问CP2102。USB通讯电路如图5所示，网络系统将µPD78F0485的异步串行接口UART6与CP2102的异步串行接口相连接。 图5 USB通讯电路图 液晶显示模块设计 温度传感器网络工作时，需读取和设置节点的参数。因此，需采用LCD显示器来显示所需设置的参数命令和参数数据。本设计采用的µPD78F0485微控制器带有LCD控制器/驱动器，具有自动读取存储器显示数据，自动输出COMMON和SEGMENT信号的功能。µPD78F0485具有6种显示模式，每种显示模式具有6种不同的帧频率，本文选用1/3分压、1/4分时的驱动方式，使用副时钟作为LCD的时钟源，采用内部分压的方式来驱动具有4个COM端、20个SEG的LCD显示器，该显示器可同时显示8个数字、7个小数点、17个常用标号。 温度采集模块设计 本设计温度采集芯片采用数字化温度传感器DS18B20，它由半导体公司Dallas推出，具有如下特点：①测温范围-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范围内的精度为±0.5℃。②测量结果为数字信号，以“一线总线”传给MCU，并且也传送CRC校验码。③具有较高的分辨率，拥有9~12位分辨率可调的功能，所对应的温度分辨率分别为0.5℃、0.25℃、0.125和0.0625℃。④具有寄生电源供电和外部电源供电两种模式，电压范围宽。其中，在外部电源供电模式下，DS18B20工作稳定可靠，抗干扰能力强，因此，本文采用外部供电模式，并将DS18B20的电源引脚连接到µPD78F0485的引脚，当不测量温度时，将其外部电源关闭以降低节点的功耗。⑤体积小，减少了传感器节点体积的大小。网络系统测温电路如图6所示，µPD78F0485的P140引脚与DS18B20的电源引脚相连接，P133引脚与DS18B20的数据引脚相连接。 图6 测温电路图 电量检测模块设计 温度传感器网络采用电池供电，因而必须定时检测电量，以避免节点电量不足而造成节点之间的通信故障，若电量不足，则提示更换电池。本设计采用µPD78F0485微控制器的10位逐次逼近性AD转换器和微功率两端带隙稳压器LM385二极管来实现电量检测，电量检测电路如图7所示，P30引脚连接控制是否测量电量，用以控制是否进行电量检测，P27/ANI连接稳压管LM385的电源端。稳压管LM385可工作在10mA~20mA的电流范围内，具有非常低的温度系数和动态阻抗。 图7 电量检测电路图 电源模块设计 根据系统要求，本设计采用3.6V锂电池供电，锂电池具有容量大、体积小的特点。由于USB通讯模块使用的是5V电压，因此需采用LM1117进行5V到3.6V电压的转换。电源模块电路如图8所示，电源模块提供5V和3.6V的两种电源接口，采用三端稳压器LM1117可将5V电压转换为3.6V电压。 图8 电源模块电路图 |
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结束语
为了实现实时采集房间内的温度信息，本文基于nRF905芯片设计了一款无线温度传感器网络。首先对无线传感器网络进行了概述，然后给出了温度传感器网络的结构组成，最后详细阐述了温度传感器网络的硬件设计。该温度传感器网络具有良好的通用性和可靠性。 |
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