3　節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常包括5個(gè)功能部件:傳感硬件,存儲(chǔ)器,嵌入式處理器,無(wú)限發(fā)送接收器件和電池。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元。節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠運(yùn)作的一個(gè)基本保證。

　　節(jié)點(diǎn)分為4個(gè)部分:傳感單元,主控單元,通信單元和供電單元。傳感單元負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù);主控單元負(fù)責(zé)接收傳感單元傳輸?shù)男盘?hào)并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?然后或者存儲(chǔ)在主控單元的儲(chǔ)存器中或者將處理好的信息傳輸給通信單元,并控制通信單元在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù);通信單元負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù);不同等級(jí)的節(jié)點(diǎn)通信單元也有所不同。其中主節(jié)點(diǎn)要求含有有線(xiàn)的通信模塊來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行通信,同時(shí)還要有無(wú)線(xiàn)接收發(fā)送模塊和其他普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。當(dāng)然主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)進(jìn)行通信也可以采用無(wú)線(xiàn)的方式,但是從簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)控制的角度出發(fā),選擇有線(xiàn)通信。普通節(jié)點(diǎn)只需要無(wú)線(xiàn)接收發(fā)送模塊即可;供電單元為其他單元停供能源供給,因?yàn)槭菬o(wú)線(xiàn)傳感器,所以必須考慮對(duì)節(jié)點(diǎn)的供電進(jìn)行特殊考慮。

　　3.1　主控單元

　　主控單元采用Atmel公司的Atmega16L單片機(jī)。Atmega16L是一種高性能低功耗的AVR微處理器。它采用先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)(RISC)體系結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz,從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16L的工作電壓可以很低,范圍在2.7~5.5V之中,同時(shí)它有6個(gè)可以通過(guò)軟件選擇的省電模式:空閑模式、掉電模式、省電模式、ADC噪聲抑制模式、Standby模式以及擴(kuò)展的Standby模式。工作于空閑模式時(shí)CPU停止工作,而USART,A/D轉(zhuǎn)換器等以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作;掉電模式時(shí)晶體振蕩器停止振蕩,所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作;在省電模式下,異步定時(shí)器繼續(xù)運(yùn)行,允許用戶(hù)保持一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn),而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)。AT-mega16L在1MHz,3V,25℃時(shí)的功耗為正常模式:1.1mA;空閑模式:0.35mA;掉電模式:<1μA。同時(shí)ATmega16L集成豐富的外設(shè):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash,512字節(jié)EEPROM,1K字節(jié)SRAM,支持片內(nèi)調(diào)試與編程,三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,豐富的中斷,可編程串行USART,8路10位的ADC,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器。所以使Atemga16L來(lái)作為節(jié)點(diǎn)的主控單元可以大大簡(jiǎn)化外圍電路,提高系統(tǒng)的可靠性。

　　3.2　傳感器單元

　　整個(gè)節(jié)點(diǎn)由蓄電池供電,要求數(shù)據(jù)采集單元中的傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡(jiǎn)單,最好采用不需要信號(hào)調(diào)理電路的數(shù)字式傳感器。本設(shè)計(jì)中為了全面地監(jiān)測(cè)環(huán)境,選用如下的傳感器:

　　(1)瓦斯傳感器RH-S01A。此傳感器為對(duì)甲烷高靈敏的可燃?xì)怏w檢測(cè)的傳感器,它的檢測(cè)精度高,檢測(cè)范圍為0.5%~5%,同時(shí)外圍電路也很簡(jiǎn)單,可以提高系統(tǒng)的可靠性,RH-SO1A的工作電壓DC6V,功耗小于150mW。

　　(2)壓力傳感器MS5534A。集成了壓阻式壓力傳感器和ADC接口IC,傳感器提供了16位的壓力參數(shù)輸出,壓力范圍30~110kPa;另外模塊也包含了6個(gè)可讀的參數(shù),方便實(shí)現(xiàn)軟件校正及高的精度,可自動(dòng)斷開(kāi)電源,3線(xiàn)接口則可滿(mǎn)足與微處理器的各種通信。

　　(3)風(fēng)速傳感器ADXL202AE。采用先進(jìn)的MEMS技術(shù),在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅編碼微機(jī)械傳感器,并集成了一套精密的信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路把表面微機(jī)械傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為占空比調(diào)制(DCM)數(shù)字信號(hào)后輸出。這種占空比調(diào)制信號(hào)可以直接送往單片機(jī),使用非常方便。對(duì)其進(jìn)行改裝用來(lái)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行檢測(cè)。

　　(4)溫濕度傳感器SHT75。SHT75不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起,而且還將信號(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線(xiàn)等電路全部集成在一個(gè)芯片內(nèi)。它的濕度測(cè)量精度:±1.8%RH;溫度測(cè)量精度:±0.3℃(25℃)。而且其低功耗,典型值為30μW。

　　3.3　通信單元

　　無(wú)線(xiàn)模塊采用CC1000芯片。CC1000芯片系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)用于ISM(工業(yè)科學(xué)及醫(yī)療方面)以及SRD(短距離通訊工作頻帶在315868及915MHz)。但CC1000很容易通過(guò)編程使其工作在300-1000MHz范圍內(nèi)。CC1000的主要工作參數(shù)能通過(guò)串行總線(xiàn)接口編程改變,這樣使CC1000使用起來(lái)更靈活。通常典型的系統(tǒng)是CC1000與一個(gè)微控器以及一些外圍無(wú)源元件一起構(gòu)成。

　　在接收模式中,CC1000通常被配置成超外差式接收機(jī)。其RF輸入信號(hào)由低噪聲放大器放大后由混頻器變換成中頻(IF)信號(hào)。在中頻級(jí),這個(gè)被變換的信號(hào)在送入解調(diào)器之前被放大和濾波。然后經(jīng)過(guò)解調(diào)器處理后,在DIO端輸出解調(diào)后的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在發(fā)射模式中,壓控振蕩器(VCO)的輸出信號(hào)將直接送入功率放大器,而RF輸出則是被饋送到DIO端的數(shù)字比特流頻移鍵控信號(hào)。CC1000內(nèi)部的發(fā)/收(T/R)開(kāi)關(guān)電路則很容易與天線(xiàn)進(jìn)行接口和匹配。頻率同步器產(chǎn)生的本振信號(hào)在接收模式時(shí)被送到混頻器(MIXER),在發(fā)射模式時(shí)饋送到功率放大器。頻率同步器由晶體振蕩器、相位檢波器、充電泵、VCO和分頻器組成。外接晶體必須連接到XOSC端。對(duì)于VCO來(lái)說(shuō),通常需要外接一個(gè)電感L3。另外,CC1000芯片的工作狀態(tài)設(shè)置由芯片內(nèi)的控制器完成,控制命令和參數(shù)設(shè)置可通過(guò)PCLK、PDATA、PALE3線(xiàn)數(shù)字串行接口輸入。CC1000有29個(gè)8位寄存器,在使用過(guò)程中主要使用如下的內(nèi)部寄存器:MAIN寄存器,FREQ_A寄存器,FREQ_B寄存器,FSEP寄存器,PLL寄存器來(lái)控制工作模式的轉(zhuǎn)換以及頻率的設(shè)定。CC1000計(jì)算發(fā)射和接收的頻率的公式如下:

　　Fvco=Freffreq+819216384(1)Fref=fxoscREFDIV(2)公式(2)中,fXOSC是晶振的頻率,REFDIV由PLL寄存器決定。公式(1)中freq的大小是由FREQ_A寄存器或FREQ_B寄存器決定的。上面等式給出了VCO的頻率即Fvco接收模式下的本振頻率。發(fā)射模式下的f0低于FSK頻率,其頻率上限由公式(3)給出:f1=f0+fsep(3)fsep=FrefFSEP16384(4)其中FSEP的大小由FSEP寄存器中的數(shù)值決定。本設(shè)計(jì)中主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)是通過(guò)RS232有線(xiàn)連接的,在井下不易布置分站的時(shí)候,還可以利用CC1000的頻率可以通過(guò)寫(xiě)控制字更改的特點(diǎn),讓主節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)利用不同頻率通信,實(shí)現(xiàn)雙頻通信?？梢?jiàn)使用CC1000的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)是方便而且功能強(qiáng)大的。

　　4　結(jié)　語(yǔ)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是礦井環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要手段,應(yīng)用于煤礦監(jiān)控的無(wú)線(xiàn)傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)不同的數(shù)據(jù)賦予不同的等級(jí),給與需要緊急處理的信息的優(yōu)先級(jí)較高實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性。同時(shí)為避免網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路由延時(shí),采用主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主,載波偵聽(tīng)沖突避免為輔,控制網(wǎng)絡(luò)有效運(yùn)行。為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬,讓節(jié)點(diǎn)承擔(dān)更多的信號(hào)處理和計(jì)算任務(wù)。基于高性?xún)r(jià)比的Atmega16L和CC1000的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),不僅使網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低功耗,高可靠性,而且成本能夠得到有效的控制,有利于推廣應(yīng)用。