一种无线传感器网络节点硬件结构设计

　　1　节点系统结构设计

　　针对野外条件下的无线传感器网络实时监测和突发事件处理的应用需求,设计了低功耗的无线传感器网络节点。无线传感器网络节点主要负责对周围信息的采集和处理,并发送自己采集的数据给相邻节点或将相邻节点发过来的数据转发给汇聚节点或更靠近汇聚节点的节点。无线传感器网络节点一般由数据处理单元、传感器单元、无线通讯单元和电源单元组成,无线传感器网络节点的系统结构如图1所示。

　　1·1　数据处理单元的设计

　　1·1·1　MCU选型

　　MSP430单片机是16位超低功耗、高性能类型的混合信号控制器,为超低功耗应用而设计。其在1·8~3·6 V电压下工作,适合于电池供电使用。高度灵活的时钟系统、多种操作模式可大幅降低功耗,显著延长电池的使用寿命。同时,该产品将大量的外围模块整合在片内,适合于设计片上系统;有丰富的系列型号器件可供选择,给设计者带来很大的灵活性。MSP430单片机的这些特性,非常适合应用在无线传感器网络中。MSP430F149是MSP430X1XX系列中的功能较强的单片机,选择MSP430F149作为传感器节点的微处理器[1]。

　　1·1·2　扩展FLASH

　　传感器节点必须能够保存自己采集的或需要转发的其他节点采集的数据,由于传感器节点的通信模块传输能力有限,很多数据不能实时转发,且节点自身的存储能力有限,需要有一个可管理的存储器来存储这些数据。选用了512KB的串行FlashAT45DB041。与普通的并行Flash相比,该芯片具有以下的特点:串行接口,外部电路简单,体积也非常小;功耗较低。读电流4 mA,写电流15 mA.在片选引脚CS未选通时芯片的泄漏电流小于2μA.

　　1·2　无线通讯单元的选择

　　nRF905是单片射频收发器,工作电压为1·9~3·6 V,工作于433/868/915MHz 3个ISM(工业、科学和医学)频道,频道之间的转换时间小于650μs. nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,不需外加声表面滤波器ShockBurstTM工作模式,能自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)。通过SPI串口与微控制器通讯,使用非常方便。此外,其功耗非常低,以-10 dB·m的输出功率发射时电流只有11 mA,工作于接收模式时的电流为12 mA,内建空闲模式与关机模式,易于实现节能。选取nRF905作为传感器节点的射频通讯芯片。天线选择433M的单鞭天线。nRF905和MSP430F149的接口电路如图3所示。

　1·3　传感器单元

　　1·3·1　声音传感器

　　声音的监测采用全方位电容麦克风WM-62A,它除了被用于普通的声音记录以外,还同蜂鸣器、麦克风、音频信号的接收放大和解码电路一起被用于声音定位。图4给出了声音传感器模块的接口电路。蜂鸣器采用简单的固定频率的共鸣器,用于产生固定频率(如4 kHz)频率的测距声波。麦克风接收到的声音信号2次经过运算放大器MAX4466实现两级放大,输出信号输出到单片机的模数转换端口,同时该输出经过有源滤波器MAX4164连接到音调侦测器LMC567,可以实现声调解码,当蜂鸣器所发出的固定频率的音调出现,音调侦测器LMC567就会输出一个数字高低电平给单片机的中断端口。