无线传感网络终端节点的设计

无线传感网络终端节点的设计
【摘要】传感器节点是无线传感器网络的基本组成单位。

本文介绍了一种以芯片CC2430为核心，并且通过GPS模块获得节点位置信息的无线传感器网络节点。

详细阐述了传感器节点的温度数据采集及GPS地理信息的数据采集。

【关键词】无线传感网络终端节点CC2430模块GPS模块TPS7333Q芯片
1引言
无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成的，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

通信系统所传输的数据通常为信息小量的突发信号，即进行小数据实时传送。

CC2430是首款符合ZigBee标准的2．4 GHz系统单芯片，适用于各种ZigBee或类似ZigBee 的无线网络节点，包括协调器、路由器和终端节点，芯片延用了以往CC2420的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)收发器、内存和微控制器，在休眠模式时，整个芯片的流耗小于0．9 μA，集成了定时器等大量的片上资源。

GPS全球定位系统是由美国建立的导航、定位和授时系统，被广泛应用在导航、大地测量、精确授时、车辆定位及防盗等领域。

本节点选用的是北京合众思壮公司的GPS模块E531。

定位信息通过RS一232串行口输出，，可直接与单片机的串行口相连，实时提供目标的位置、速度等信息。

本文依据无线传感通信的特点，设计了一种基于CC2430和GPS的环境信息监测终端。

2终端节点的总体设计
无线传感网路节点由传感器模块、无线通信模块( 包括处理器) 、GPS模块和电源模块组成。

传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他
传感器节点进行通信，交换控制信息和收发采集数据；电源模块为传感器节点提供运行所需的能量。

终端节点在网络中负责采集数据和传递数据。

通过传感器接节点采集周围环境的温度信息数据，数据经过8051处理器的处理后，通过RF发送器将数据发给中心节点，再由中心节点发送到基站。

3 终端节点硬件设计
终端节点的硬件原理图如图2所示，处理器模块和无线通信模块采用CC2430芯片，大大简化了射频电路的设计。

CC2430 芯片集成了CC2430 射频收发机、Zigbee射频前端、128 k B 闪存、8kB RAM和8位8051微处理器，是实现嵌入式Zigbee应用的片上系统，支持IEEE 802.15.4／Zigbee协议，可用于各种Zigbee无线网络节点，包括协调器、路由器和终端没备等。

传感器模块采用温度传感器TC77，电源采用3节5号干电池。

由于系统中CC2430的电源要求为2.0~3.6V，TC77温度传感器的电源要求为2.7~5.5V，而GPS E531模块的电源有求为3.3~3.6V，所以采用3.3V供电。

系统中电源采用的是3节5号电池，为了将4.5V转化为3.3V，采用TPS7333Q芯片来实现电压的转换。

图2终端节点硬件原理图
4环境信息的采集和地理位置数据的接收
4.1 环境温度信息的采集
TC77 是Microchip公司生产的串行接口的温度传感器，温度数据由内部温度敏感元件转换得到，随时可以转化为13位的二进制补码。

它可以通过PSI口与CC2430相连，如图2 所示。

cc2430可以通过下面的程序来读取温度数据。

#define CS_TC77 P1_3
#define SCK P1_6
#define MISO P1_5
unsigned ReadTc77(void)
{
unsigned int temp=0;
unsigned char i;
SCK = 0;
CS_TC77 = 0;
for(i=0; i<16; i++)
{
temp <<= 1;
SCK = 1;
if(MISO)temp++;
SCK = 0;
}
CS_TC77 = 1;
return temp;
}
4.2环境地理位置数据的接收
GPS接收模块只要处于工作状态，就会源源不断地接收导航卫星信号并推算出监控终端所在位置的经度和纬度；将这些定位信息通过模块的串行通信接口传送到单片机。

这些结构化的信息都以NMEA—0183格式输出，内容包含了纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状况等信息。

可以根据不同的用途选择不同的记录语句，由于本方案中我们只关心监测环境的地理信息，所以我们只选用$GPRMC记录语句。

一条$GPRMC语句的包括了14个记录：语句标识头，UTC 时间，定位状态、纬度、纬度半球、经度、经度半球、地面速率、地面航向、UTC日期、磁偏角、磁偏角方向、模式指示和结束标记。

该语句一共有73个字节，它的语句帧结构如下：
$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh<CR><LF>
例如：
$GPRMC,095035.091,A,6016.3066,N,02458.3832,E,1.08,210.6,131204,6.1,E,A*0A
通过接收这一条语句我们就能获得监测目标的地理位置等信息。

5 程序设计
程序设计部分主要是实现终端节点定时接收数据，处理数据和发送数据的功能。

程序流程图如3所示。

6 结束语
CC2430的特性已超越了IEEE802．15．4的规范，在选择性和灵敏度上具有优异的性能，使得在2．4GHz ISM波段上的不同设备更好的共存，且在长距离范围内也可提供可靠
的通信。

本文在总结对芯片CC2430及GPS已有研究成果的基础上，阐述了基于CC2430和GPS 的无线传感器网络节点的设计和实现。

在实验中，节点能够采集环境的温度和节点的地理位置信息。

实验结果表明，终端节点具有极低的功耗，可以长时间连续稳定工作。

本文设计的温度检测系统，设备简单、功耗低、传输无线化，可用在诸如温室、仓库、医院等场合。

参考文献：
[1]李文仲，段朝玉等。

Zigbee 无线网络技术入门与实战。

北京航空航天大学出版社，2004。

[2]谭浩强。

C语言程序设计（第三版）。

清华大学出版社，2005。

[3]Microchip TC77/ThermalS ensor with SPI Interface
/datasheet_pdf/ITGIA VHFEE。

[4]北京合众思壮科技股份有限公司。

E531 GPS接收机模块用户使用及维护手册。