無線傳感器網絡是新興的研究領域，在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)領域等許多方面有著巨大的潛在應用前景。無線傳感器網絡節(jié)點是組成網絡的基本單元，無線傳感器網絡的迅速發(fā)展，給無線傳感器網絡節(jié)點的設計和管理提出了許多挑戰(zhàn)。

無線傳感器網絡節(jié)點

無線傳感器網絡是集數(shù)據(jù)采集、處理及通信功能于一體的分布式自組織網絡。無線傳感器網絡由在一定區(qū)域范圍內的多個具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理功能的網絡節(jié)點組成。傳感器節(jié)點負責采集、處理、壓縮數(shù)據(jù)、中轉其他節(jié)點的數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。在不同的應用中，傳感器網絡節(jié)點的結構不盡相同，一般由數(shù)據(jù)采集單元(傳感器、A/D轉換器)、數(shù)據(jù)處理和控制單元(微處理器、存儲器)、無線通信單元(無線收發(fā)器)和供電單元(電池)等組成。

相對于傳統(tǒng)無線網絡節(jié)點，無線傳感器網絡節(jié)點具有明顯的技術特點：(1)網絡節(jié)點密度高，數(shù)量大；(2)節(jié)點的計算和存儲能力有限；(3)節(jié)點體積微小，通常攜帶能量十分有限的電池，節(jié)點能量有限；(4)通信能力有限，傳感器網絡的通信帶寬較窄，節(jié)點間的通信單跳距離通常只有幾十到幾百米，因此在有限的通信能力下如何設計網絡通信機制以滿足傳感器網絡的通信是必須考慮的問題；(5)各傳感器節(jié)點位置隨機分布，具有自組織特性。

由于無線傳感器網絡節(jié)點具有以上特點，在節(jié)點的設計上，要求節(jié)點硬件成本較低、必須低能耗、必須支持多跳的路由協(xié)議。IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議充分考慮了無線傳感器網絡應用的需求，具有設備省電、通信可靠、網絡自組織、自愈能力強、成本低廉、網絡容量大、網絡安全等特點。由這些基本要求，進行了支持802.15.4/ZigBee協(xié)議的無線傳感器網絡節(jié)點的硬件設計。

網絡結構

節(jié)點可以組成三種拓樸結構：星型結構、網狀結構(Mesh)和簇狀結構(Cluster tree)。節(jié)點以自組織形式構成網絡、每個節(jié)點都可以自主采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過單跳方式或多跳中繼方式送到匯聚節(jié)點(Sink節(jié)點)。匯聚節(jié)點將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程的控制中心，或通過RS232接口把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機進行數(shù)據(jù)處理和存儲。

節(jié)點設計

節(jié)點硬件采取模塊化結構設計如圖1所示，由運算及通信子板、傳感器子板、充電及狀態(tài)顯示子板構成。運算及通信子板由微處理器、數(shù)據(jù)存儲電路、無線通信模塊、電源管理模塊等組成，主要作用是儲存、處理數(shù)據(jù)，完成節(jié)點間的無線通信并為系統(tǒng)提供能量。傳感器子板由若干傳感器組成，負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集。充電及狀態(tài)顯示子板由充電模塊和LCD液晶顯示模塊組成，用來顯示節(jié)點電池充電情況節(jié)點的工作狀態(tài)以及電池的電量。

微處理器電路

微處理器電路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它采用低功耗CMOS工藝生產，基于RISC結構，具有片內128KB的程序存儲器(Flash)、4KB的數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)和4KB的EEPROM，有8個10位ADC通道、2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器、8個PWM通道，具有可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器、JTAG、UART、SPI、I2C總線等接口。ATmega128L可在多種不同模式下工作，除了正常操作模式外，還具有六種不同等級的低能耗操作模式，因此該微控制器適合于低能耗的應用場合。其接口示意圖如圖2所示。

ATmega128L的工作時鐘源可以選取外部晶振、外部RC振蕩器、內部RC振蕩器、外部時鐘源等方式。工作時鐘源的選擇通過ATmega128L的內部熔絲位來設計，熔絲位可以通過JTAG編程、ISP編程等方式設置。本設計中ATmega128L采用兩個外部晶振：7.3728MHz晶振作為ATmega128L的工作時鐘；32.768kHz晶振作為實時時鐘源。

數(shù)據(jù)存儲電路

由于無線傳感器節(jié)點的通信模塊傳輸能力有限，加上節(jié)點工作的占空比非常小，很多數(shù)據(jù)不能實時轉發(fā)出去，所以需要有一個可管理的存儲器存儲這些數(shù)據(jù)，暫存自己采集的或需要轉發(fā)的其他節(jié)點采集來的數(shù)據(jù)。本設計選用512KB串行FLASHAT45DB041存儲數(shù)據(jù)。與普通的數(shù)據(jù)存儲器相比，該芯片具有功耗低、體積小、串行接口、外部電路簡單等特點，適合傳感器節(jié)點使用。數(shù)據(jù)存儲電路示意圖如圖3所示。

無線通信模塊

無線通信模塊采用無線射頻CC2420模塊。它是Chipcon公司在2003年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4標準的無線收發(fā)模塊，基于Chipcon公司的SmartRF03技術，使用CMOS工藝生產，工作電壓低、能耗低、體積小，具有輸出強度和收發(fā)頻率可編程等特點。該芯片只需晶體振蕩器及負載電容、輸入/輸出匹配元件和電源去耦電容等很少的外部元件即可正常工作，可確保短距離通信的有效性和可靠性，其最大收發(fā)速率為250kbps。

CC2420有33個16位配置寄存器、15個命令選通寄存器、1個128字節(jié)的發(fā)送FIFO緩存區(qū)、1個128字節(jié)的接收FIFO緩存區(qū)、1個112字節(jié)的安全信息存儲器。CC2420與處理器的連接比較簡便，它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)；處理器通過SPI接口(CSn、SO、SI、SCLK)與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令，使用RESETn引腳復位芯片，使用VREG_EN引腳使能CC2420的電壓調整器，使其產生CC2420所需要1.8V電壓，從而使CC2420進入正常工作的狀態(tài)；CC2420通過單極天線或PCB天線進行通信。其模塊示意圖如圖4所示。