无线传感器网络的嵌入式网关硬件设计（一） 网关节点, 嵌入式网关, 嵌入式网关硬件, 无线传感器节点, 无线传感器网络

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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(5μA)，非常适合本嵌入式网关设计的需要。

3．5 电源模块

无线传感器网络节点一般工作在无人值守的环境下，所以选择能源非常重要；另外，自然界的能源补充也至关重要。设计中采用太阳能电池板实现整个系统的能源供给。比较当今常用电池性能，分析计算设计节点各模块的功耗，选择额定电压为3．7 V、容量为1 Ah的高能量密度电池锂离子电池(Lithium Ion battery)。与同样大小的镍镉电池、镍氢电池相比，电量储备最大、重量最轻、寿命最长、充电时间最短、无记忆效应，是目前性能最好的电池。双组电源轮流供电(一用一备)，利用无线收发模块A／D采样、自动监测控制电池电压，根据设计的电池上下限值自动开启太阳能电池板对其自动充电，始终做到整个节点电源供给稳定。

结语

本文针对无线传感器网络特点，对WSN网关进行了研究，并给出了详细的硬件实现方案。关键模块是：基于SIM1300C模块的GPRS接口实现无线网络到有线网络的数据传输；基于CC2430芯片的RF收发电路。通过研究，较好地解决了WSN数据从采集地到监控中心的双向传输问题，从逻辑上将物理世界与信息世界更加紧密地融合于一体；在低功耗、高速度、低噪声、低成本方面取得了较为满意的结果，为开发和构造无线传感器网络开拓了新的应用领域。