低速率无线传感器网络演示系统的设计与实现

引言
　　无线传感器网络能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽而准确的数据,并传送到需要这些信息的用户。

　　目前，这一领域主要的研究方面是MAC层协议和网络层路由协议。而要进行这两方面的研究，物理实验平台是必需的。

总体设计
　　本文设计并实现了一个比较完整的无线传感器网络演示系统，主要包括节点机、网关机和数据库系统。此系统实现了远程环境数据的采集、传输、处理及数据库管理。并且在节点数大量增加后，还可作为传感器MAC层和网络层协议的开发平台。

　　系统组成框图如图1所示，在传感器节点网络部分，有两个子网，各网独立工作，运行在不同的频段，一个是2.4GHz，另一个是900MHz，都是ZigBee标准规定的频段。2.4GHz硬件主要采用89lV52单片机加RFwave公司的RFW102射频模块。900MHz采用的是89lV51单片机加NRF905射频模块。而传感器部分，两个节点都设计成可插拔式的通用接口，目前支持的是温湿度传感器、电磁强度传感器和空气质量传感器。两个子网都连接在一个ARM网关上，由网关协调处理。ARM网关采用的是S3C44B0X开发板加2.4GHz和900MHz射频模块。射频模块和ARM板采用串口进行连接和通信。ARM网关的另一端通过网口与远程PC相连。数据通过UDP方式在网络中传输。数据库系统建立在远程PC上，用户可进行查询及相关操作。数据库采用微软的ACCESS建立，界面用delphi编写。

图1 系统组成框图

节点机的设计
　　本文设计了两种节点机，一种工作在2.4GHz频段，另一种可以工作在868MHz和915MHz两个频段。

2.4GHz频段节点机设计
　　硬件部分如图2所示，包括电源、MCU、传感器、RFW-D100和102。其中MCU是主要控制器件，传感器设计成可分离式，可以插多种传感器。RFW-D100和102联合组成射频部分，完成无线数据收发。UART可以在调试硬件时使用，在板子作为网关机的射频模块时，UART完成与ARM板的通信。电源设计成电池和外接电源两种供电方式。

图2 2.4GHz节点机硬件框图 1. 电源部分 　　为了方便调试，将电源设计成双路供电模式，即外接稳压电源供电和电池供电。这样设计的好处是在板子调试的时候可以用外接稳压电源供电，可以不用电池，减少开发费用，也更稳定。而在板子调试成功之后，实际运行的时候就可以选用电池供电。当然，这样设计也会使板子面积增大、器件增多，在做实际产品的时候就可以去掉稳压电源供电电路，减小体积和成本。 　　稳压电源电路采用9V直流输入，通过7805转换成5V，再通过AAT3221电源转换芯片转换成3.3V。在电池稳压部分选用TPS60101。这是一种特别适合对电池供电系统进行稳压的芯片。至于用哪路供电由跳线决定。 2. MCU 　　MCU选用52单片机，型号是89lV52。它有256Byte的RAM和8kB的flash，3个16位定时器，对于本应用比较合适。 3. 射频部分 　　射频部分选用RFwave 公司的RFW102，这是一款工作于2.4GHz频段的射频模块，功耗较低，而最高速率能达到1Mbps。配合RFW-D100使用，简单方便。 4. 传感器 　　传感器部分的接口设计成可插拔式通用接口，便于扩展其他传感器，以温/湿度传感器为例，本文选用了Sensirion公司的SHT71，它是一种数字传感器，低功耗，温/湿度一体，使用方便。 868MHz和915MHz频段节点机设计 nRF905 1.0以9V直流电源和电池两种方式供电，一个单片机作为中央控制单元，控制传感器和无线收发模块。并外加了存储器，可以实现存储转发功能。 nRF905 1.0可分为5大部分： 1. 中央控制单元：使用一片AT89LV52作为中央控制单元。其中，R1OUT，T1IN引脚用于串口通信。 2. 电源：可选择直流9V电源和电池两种方式供电，供电方式可用跳线切换。 3. 存储器：使用一片AT24C21作为存储器，当数据量超出单片机容量，或无线信道不正常时，可将数据暂存于存储器，待以后转发。 4. 传感器：使用Sensirion公司的SCH7x温/湿度传感器。 5. 无线收发模块：使用Nordic公司的nRF905无线收发芯片，可以工作在433MHz、868MHz和915MHz三个频段。 图3 射频模块的软件流程图 网关机设计 硬件设计 　　网关机硬件采用基于ARM7TDMI的嵌入式系统开发板，外加两个基于RFW-D100和102以及nRF905的无线射频模块。其结构示意图见图1的中间部分。这样设计的主要考虑是节约开发时间。两个射频模块子板和ARM板之间通过串口通信。 ARM板硬件组成 1． 微处理器S3C44B0X S3C44B0X是三星公司推出的16/32位RISC处理器，它采用了ARM7TDMI内核，0.25mm工艺的CMOS标准宏单元和存储编译器。它的低功耗和全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。S3C44B0X还采用了一种新的总线结构，即SAMBAⅡ。 2． UART异步串行接口 　　S3C44B0X的UART(通用异步收发器)单元提供两个独立的异步串行I/O端口，每个都可以在中断和DMA两种模式下工作。它们支持的最高速率为115.2kbps。每个UART包含一个波特率发生器、发送器、接收器和控制单元。在本系统的设计中，两个串口分别接两个射频模块，分别工作在2.4GHz和868MHz、900MHz频段，这样，处理器可以通过这两个通道与两个子网进行通信。 3．以太网控制器RTL8019AS 　　由Realtek公司生产的RTL8019AS高集成以太网控制器芯片集成了介质访问控制子层(MAC)和物理层的性能，可以方便地设计基于ISA总线的系统，简单的与通用单片机进行接口。另外，它还具有与NE2000兼容、软件移植性好，价格低廉等优点，在市场上的10Mbps网卡中占有相当的比例。在本系统中，网口与以太网相连，将网关收集到的数据上传到PC的数据库中。 4． Flash存储器 　　本系统中采用的Flash是具有16Mb(2MB)、单一5V供电的存储器。2MB的数据区被分为32个64kB的区段，因而具有灵活擦除功能。Flash在本系统中用来存放程序代码。系统上电或复位后从此处获取指令并开始执行。