聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件系統(tǒng)設(shè)計

引 言

隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及微機電技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠通過集成在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的各類微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳送到終端用戶。本文主要介紹聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件系統(tǒng)的設(shè)計。

1 聲傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，聲傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常包括聲傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和后臺監(jiān)控設(shè)備等。

聲傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的形成、數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過多跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。匯聚節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、拓?fù)涞男纬膳c維護、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯集與處理，以及與后臺監(jiān)控設(shè)備的通信與信息交互。后臺監(jiān)控設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目刂�、網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)護。為了感知監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的聲音信息，可以通過人工布撒的方式把一定數(shù)量的聲傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，聲傳感器節(jié)點之間或者聲傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點之間就能夠自動形成一個自組織、多跳的網(wǎng)絡(luò)。聲傳感器節(jié)點周期性或者觸發(fā)式地采集聲音數(shù)據(jù)并與周圍的節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)及時地通過自適應(yīng)的路由，多跳中繼后傳輸給匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點將匯集的數(shù)據(jù)通過北斗通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)給后臺監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)聲音信息的上傳。

2 聲傳感器節(jié)點硬件系統(tǒng)

聲傳感器節(jié)點由主控芯片AT91SAM7S256單片機、射頻芯片CC1100、串口電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX3232，以及電源、聲傳感器、GPS與北斗、各種控制器組成。其硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)以低功耗為設(shè)計目標(biāo)，所以硬件設(shè)計上均采用了同類產(chǎn)品中功耗最低或者較低的產(chǎn)品，以保證系統(tǒng)長時間的監(jiān)測工作。

聲傳感器節(jié)點硬件系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想進行設(shè)計，下面介紹具體模塊。

2．1 處理器模塊

本設(shè)計采用以AT91SAM7S256為核心的處理器模塊。AT91SAM7S256是Atmel 公司32位ARM RISC處理器Ar91SAM7S系列中的一員。它片內(nèi)集成了256KB的Flash和64 KB的SRAM，充足的存儲空間可以保證數(shù)據(jù)采集和傳送協(xié)議的正常運行，方便程序的設(shè)計與實現(xiàn)；豐富的外設(shè)包括串口、SPI、I2C和USB等；工作溫度范圍為-40～+85℃；具有中斷喚醒功能，可以通過中斷使單片機從休眠模式轉(zhuǎn)為活動模式。

因此，AT91SAM7S256完全能夠滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要求。處理器模塊框圖如圖3所示。

2．2 無線射頻模塊

本設(shè)計中無線射頻模塊選用Chipcon公司生產(chǎn)的無線射頻芯片CC1100來實現(xiàn)。 CC1100是一款真正的低成本、低功耗、單片的UHF無線收發(fā)器；工作電壓為1．8～3．6 V；工作頻段靈活，可以設(shè)定在315／433／868／915 MHz的ISM和RSD頻段，其數(shù)據(jù)傳輸率最高可達500 kb／s；輸出功率多級可調(diào)，可以選擇多種調(diào)試方式。此外，CC1100還具有許多其他功能：數(shù)據(jù)的自動組包與拆包、獨立的發(fā)送／接收FIFO、空閑信道評估功能、自動喚醒功能、RSSI功能、自動的前向糾錯(FEC)、交織以及白化功能。CC1100與AT91SAM7S256的通信是通過SPI總線來實現(xiàn)的。無線射頻模塊電路如圖4所示。