東南大學(xué)無線電工程系 鄧偉

    1 引言

    無線傳感網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、目標(biāo)定位等領(lǐng)域。一般來說,無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求具有功耗低、成本低、壽命長等特點(diǎn)。本文以atmega16 avr單片機(jī)為核心元件,以常見的315射頻模塊作為無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。該系統(tǒng)充分利用了atmega16單片機(jī)豐富的片上資源和315模塊較好的抗干擾特性,并可在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下,有效地降低硬件成本,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

    2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常由4個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成,其系統(tǒng)框圖如圖l所示。

    2.1 計(jì)算子系統(tǒng)

    計(jì)算子系統(tǒng)通常是由一個(gè)微處理器和相應(yīng)的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)采集等程序組成。為了降低節(jié)點(diǎn)的功耗,要求微處理器以一種突發(fā)式的發(fā)送方案將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去,以便盡快轉(zhuǎn)入低功耗模式,延長能量子系統(tǒng)的工作時(shí)問。

    設(shè)計(jì)選用了atmel公司推出的atmega16型單片機(jī)。atmega16是一款基于avr risc結(jié)構(gòu)的高級flash型8位cmos單片機(jī),其數(shù)據(jù)吞吐量高達(dá)1mi/s/mhz，能有效緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。同時(shí)，atmega16集成了豐富的片上資源：16 kb的可編程flash、512字節(jié)eeprom、l kbsram,滿足了絕大多數(shù)應(yīng)用程序的開發(fā)要求,其內(nèi)部flash可重復(fù)擦寫次數(shù)在10 000次以上,極大地方便了產(chǎn)品開發(fā)和軟件修改:8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的adc可以外接多個(gè)不同種類的傳感器件:支持6種睡眠模式,其中掉電模式和省電模式的耗電僅為lμa～2.5μa,可有效降低節(jié)點(diǎn)功耗;3個(gè)靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(t/c)除具有常見的定時(shí)計(jì)數(shù)功能外,還具有輸入脈沖捕捉、脈沖寬度調(diào)制輸出功能:高度靈活的可編程串行us-art可以完成與其他串行設(shè)備的通信。

    2.2 通信子系統(tǒng)

    通信子系統(tǒng)由一個(gè)無線收發(fā)器組成,用于節(jié)點(diǎn)之間的通信。當(dāng)無線收發(fā)器處于空閑狀態(tài)時(shí),應(yīng)將其關(guān)閉,以便降低節(jié)點(diǎn)功耗。

    設(shè)計(jì)采用了常見的315無線收發(fā)模塊作為長距離無線收發(fā)器(因收發(fā)頻率為315 mhz而得名)。315無線發(fā)射模塊電路原理圖如圖2所示,它是由聲表諧振器(saw)和高頻三極管組成的三點(diǎn)式振蕩電路。txd輸入引腳通過三極管q2控制高頻振蕩器。當(dāng)txd為高電平時(shí),02導(dǎo)通,高頻振蕩器起振;當(dāng)txd為低電平時(shí),q2截止,高頻振蕩器停振。將atmegal6的oc0引腳與txd連接,即可完成oc0輸出數(shù)據(jù)的ook調(diào)制發(fā)射。

    315無線超再生式接收電路由選頻電路、高頻放大電路、超再生檢波電路和低頻放大電路組成。它具有電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)送調(diào)制信號經(jīng)過選頻電路選頻后,送人超再生檢波電路解調(diào)．再由低頻放大電路放大后由輸出引腳輸出高電平。若無信號收到,則輸出低電平。由超再生檢波電路的特性可知,超再生式接收模塊在沒有收到信號的幾毫秒后輸出大量白噪聲,直到再次接收到信號。

    315無線收發(fā)模塊的最大傳輸距離可以達(dá)到700 m～800 m。它在星形混合傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中可作為遠(yuǎn)距離傳輸節(jié)點(diǎn)，可以直接同匯聚節(jié)點(diǎn)通信,避免了短距離無線傳感節(jié)點(diǎn)同匯聚節(jié)點(diǎn)多跳式的通信方式。延長了傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。同時(shí)它還具有成本低廉、接口簡單、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用在報(bào)警器、遙控器、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。圖3是315無線收發(fā)模塊與atmega16的接口示意圖。

    2.3 能量子系統(tǒng)

    能量子系統(tǒng)通常是由電池組成。它在很大程度上決定了無線傳感節(jié)點(diǎn)的壽命。降低無線傳感節(jié)點(diǎn)的功耗是無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成功的一個(gè)關(guān)鍵因素。