无线传感器网络的嵌入式网关硬件设计

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　　需要将数据传输到网关节点时，节点按照WSN的协议规范对数据进行打包，然后通过无线方式经过一跳或多跳将数据传送到网关节点。传感数据在通过无线传输进入网关节点后，微处理器利用WSN的协议栈拆包，得到原始数据之后，网关节点可应用其操作系统上的应用软件根据具体需求对原始数据进行处理(如进行数据的融合，去除冗余，减轻网关节点对外传送的负担)。处理后的数据经由TCP／IP模块打包后通过串口与SIM300C相连，如图3所示。最后，网关节点中的 GPRS模块将数据通过GSM网络或者SMS方式传送到上位机。当需要向传感器节点传达控制命令时，上位机以短信的方式经GSM传送到网关节点的GPRS 模块，完成相应任务。

　　如图4所示，将手机卡插入SIM卡座，通过相应的AT指令便可以很方便地实现上位机和网关之间的自由通信，按流量计费，降低系统成本。

　　常用如下一些AT指令。

　　①连网指令：AT返回状态：OK(连网成功)

　　②全功能开启指令：AT+CFUN=1

　　③关闭模块指令：AT+CPOWD=1

　　④读取第n条短信：AT+CMGR=n

　　同时，DTR外接一个上拉电阻，配合"AT+CSCLK=1"指令，可以轻易地实现SIM300C的休眠，通过短信即可唤醒。休眠时GPRS电流消耗仅2．5 mA，满足整个系统低功耗要求。

　　3．3 射频收发模块

　　一个基于IEEE 802．15．4的CC2430无线收发模块，主要用来完成网络节点之间、节点与网关节点之间的无线通信。核心部分是一个CC2420射频收发器，它完全支持ZigBee组网协议，具备传输速率高、传输距离远和低功耗等优点。主要特征如下：

　　①工作频带范围是2．4～2．483 5 GHz；

　　②采用IEEE 802．15．4规范要求的DSSS(直接序列扩频方式)；

　　③数据速率达250 kbps，碎片速率达2 Mchip／s，接收灵敏度高(-94 dBm)，邻道抗干扰能力强(39 dB)，超低电流消耗(RX<27 mA，TX<25 mA)；

　　④低电压供电(2．1～3．6 V)，内部集成VCO、LNA、PA及电源稳压器。

　　CC2420通过简单的四线(SI、SO、SCLK、CS)与SPI接口相连。可以通过调制解调控制寄存器的控制位配置成不同的发射和接收模式，通常工作在缓冲模式。如图5所示，它的外围电路器件简单，主要包括晶振电路、天线及阻抗匹配电路、接口电路和引脚的去耦滤波电路等。射频输入／输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入／输出阻抗，使其输入／输出阻抗为50 Ω，同时为芯片内部的PA和LAN提供支流偏置。

　　为了提高无线收发系统的效率，保证传输距离，射频电路天线的选取也至关重要，其中包括射频天线形状、输出方向、天线长度、天线材料等一系列因素。射频电路常用差动天线、不平衡天线。典型的差动天线(如双极天线)，不需要巴伦(balun)匹配可直接接人。其他短距离通信的天线有单极天线、螺旋天线和环状天线。螺旋天线可以看作是单极天线和环状天线的混合，但是优化起来比单极天线困难。环状天线易于集成到印刷电路板(PCB)中，但是由于发射阻抗非常低，难于匹配，且匹配效果不好，因此设计中选用单极天线。

　　单端单极天线要求在差分输出和天线之间有巴伦匹配。巴伦匹配可以采用传输线形式，也可以采用离散元器件形式，两种形式都等效于在天线连接处匹配了50 Ω的负载。传输线形式较离散元器件形式，不仅改善了误差向量幅度性能，而且灵敏度和谐波抑制也得到改善，所以设计中采用了传输线形式。CC2430无线收发PCB布线图如图6所示。

　　在PCB布线方面，λ／2巴伦匹配的传输线确保射频信号在正确的频段，同时要远离有耗材料(比如电池)，靠近射频芯片以减少两者之间的射频损耗。另外，还要避免数字信号对其的干扰。因此，传输线各方向上要留有一定的避让空间，该距离与工作频率成反比。避让空间没有固定公式，根据物理形状、材料的射频损耗等确定。对于芯片，避让空间的最小半径在λ／100左右；对于较大的有源损耗体(如AA电池)，最小半径在λ／10左右(λ为无线通信频率的波长)。采用的巴伦匹配传输线的避让空间如图6所示。经匹配后的网关与节点能在150～200 m的范围内自由通信，传输效果令人满意。

　　3．4 存储单元

　　微处理器自带128 KB Flash不能满足操作系统的移植存储的代码量，以及传感器节点每天采集的数据量(64个节点一天大约4．3K)，故必须进行存储器的扩展。结合考虑微处理器外设接口和数据存储读写速度，选择2 Mb的非易失性铁电随机存储器FM25H20。其硬件原理图如图7所示。

FM25H20具有无限的读写次数，掉电数据多达10年保持时间，写数据无延时，快速SPI串行协议，高达40 Mbps的总线速度，完善的软、硬件写保护，极低的静态工作电流(5&mu;A)，非常适合本嵌入式网关设