一种无线传感器开发系统的设计方法

微电子和无线通信技术的飞速发展，使得低功耗、低成本、体积微小的传感器网络的研制成为可能。
　　
本文介绍了一种无线传感器开发系统的设计方法．包括节点和开发板。节点具有功耗低、通用性好的特点，带有多种传感器，可以感知温度、湿度和光等，并带有扩展口。开发板用于配置节点和下载程序。开发板具有友好的上位机用户界面，并支持多种编译系统生成的不同目标文件格式。
　　
1 节点的硬件设计
　　
传感器节点的硬件结构主要由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成。传感器节点一般采用电池供电，由于节点放置在危险或不易到达的区域，更换电池几乎是不可能，因此节能成为设计的关键技术，此外，还要控制成本和体积。设计的节点硬件框图如图1所示。

1．1 微处理器模块


微处理器选用ATMEL公司的ATMELGAl28L。该芯片功耗低，且有多种睡眠模式；多个中断源，53个10口，可以连接多个传感器扩展口；内带8路 10位A／D转换器，可以将传感器送来的模拟信号转换为数据信号；双向I2C串行总线接口；主/从SPI串行接口；可编程串行通信接口；JTAG和SPI 在线编程方式等。该芯片的丰富资源可以满足节点数据处理和传输的要求，尤其是六种不同的睡眠模式，特别适合有能量限制的应用。
　　
存储器存放待处理或接收的数据．选用Mierochip公司的25AAl024。该芯片的存储量为1024KB，功耗低，读写方式为SPI，占用10口少。节点索引号产生器选用MAXIM公司的DS2411，用来产生48位随机数，作为节点的惟一标识号。
　　
1．2 射频模块
　　
射频芯片的选取直接影响节点的功耗，因为节点消耗能量的近2／3都用于无线收发。选用的射频芯片为NORDIC公司的nRF24L01。该芯片功耗低。在相同工作模式下，比Chipcon公司的CC2420芯片节省近l/3的能量；工作于2．4G～2．5GHz ISM频段；支持高速跳频；体积很小；外围器件少，配置简单，且使用两层PCB板，节省成本。nRF24L0l配置框图如图2所示。

　　
nRF24L01与微处理器相连只需6根信号线，其中4根是SPI信号线，与ATMELGAl28L的SPI口相连；其余一根为片选，另一根用于中断请求。
　　
射频电路要取得好的RF性能，PCB设计必须合理。nRF24L01的供电电源必须经过良好的滤波，并且与数字电路分开；避免长距离走线；在射频信号输出部分，根据发送功率设置滤波网络，以实现阻抗匹配，使到达天线的信号最强。要防止高频信号泄漏，否则会对发射信号造成很大干扰。由于天线要散播电磁能量，需选用Q我较小的器件。制作PCB板时，在器件周围覆铜，以提高抗干扰性能。
　　
1．3 传患器模块和扩展口
　　
板上设有一光敏电阻感应光信号，由于是模拟信号，需接入ATMELGAl28L的AD引脚进行AD转换后才可处理。板上还装有一数字型温湿度传感芯片SHT15，可感知温度和湿度，精确度较高，且功耗低，采用I2C读写，占有IO口很少。
　　
为了让节点具有更广泛的应用，节点板上接有扩展口，其中有I2C口、AD口和中断口等，用来连接其他传感器。
　　
1．4 电源横块和电能消耗
　　
节点有两种供电方式，在实验室调试和测试时通过开发板供电，在外界环境中工作时，用2个AA电池供电。为了防止2个电源之间的干扰，在板上加有一个手动开关。
　　
因为电能的消耗决定了传感器节点的使用寿命，在节点的软、硬件设计时，必须充分考虑能源的有效性。节点在各种运行模式下，必须关闭不必要的模块以节省能量。当通信采用节点定时关闭和打开的协议且关闭与打开的时间比为1：99时，使用2节1000毫安时(mAhr)的AA电池供电，节点耗能如表1所示。

　　
在上述工作模式下，如果用2节1000mA-hr的AA电池供电，则节点寿命为12．55个月。此值是在最大发送功率情况下计算的。当发送功率和收发速率变小时，耗能更少，传感器的寿命会更长。
　　
2 开发板的硬件设计
　　
开发板的硬件系统框图如图3所示。

节点CPU的JTAG口接在开发板上。如果使用JTAG口下载和调试程序，则需要JTAG下载器。为此，设计了另一种下载方式，即串行下载。CPU通过 USB口接收上位机的代码，然后通过SPI口下载到节点CPU的FLASH。CPU为中心控制模块，接收上位机的各种命令并进行相应处理。CPU芯片选用 ATMEL公司的ATMELGAl6L，该芯片带有可编程UART口和工作于主机，从机模式的SPI口。

USB转换芯片实现上位机端的USB数据与下位机端的UART数据之间的转换。选用芯片为FT232BM。由于编程板CPU、ATMELGAl28都要通过USB口与上位机通信，为了防止不同输入输出信号间的干扰，设计时用了两个带有使能控制的BUFFER来控制不同CPU串口通信的通断。

为了更方便地配置传感器节点，在板上集成了一块E2PROM。目标代码可以先存储在EZPROM中。当需要向节点下载时，通过按钮激发外部中断即可将E2PROM的代码通过SPI口写入节点CPU。操作方便简单，摆脱了上位机的限制。
　　
节点连接器是17针的节点与开发板和扩展传感器之间的接口，除了编程口和串口，还有连接传感器的扩展口，包括I2C口、中断口和AD口等。
　　
节点CPU SPI编程共需4根信号线，其中3根SPI通信线与开发板CPU的SPI口相连，节点CPU的RESET信号 由开发板CPU的IO口控制即可。
　　
3 开发板软件设计
　　
3．1 上位机程序设计
　　
用C++ Builder 6．0编写上位机程序，制作了用户操作界面，并将不同编译系统生成的多种目标文件格式转换成上、下位机约定的文件格式，传送给下位机。
　　
为提高向ATMELGAl28L的FLASH和E2PROM写代码的效率和便于从E2PROM向FLASH写代码，上位机传送给下位机的代码采用图4所示的格式。

　　
图4中，地址指该段代码要写入FLASH的初始地址，包括2字节的页地址和l字节的页内地址；序列号表示该段代码是全部代码中的第几段；长度指该段代码的字节数，不包括地址和序列号。每一地址段代码都采用表2的格式。
　　
上位机程序支持的目标文件格式有：TinyOS、AVRGCC和IAR生成的Intel hex文件。Intel hex是Intel公司提出的一种文件标准，是最常用的目标文件格式之一。上位机程序还支持TI(德州仪器)公司提出的msp430-txt格式，该格式及说明如表2所示。

　　
上位机程序将不同编译系统生成的不同格式的目标文件转换成图4所示的格式，再发给下位机。上位机操作界面提供了各种命令按钮，用户点击命令按钮后，上位机即按制定的该命令模式处理协议发送命令和数据。在传送文件时，为确保数据传送不出差错，采用了停止-等待传输协议。上位机发送约定长度的数据后停止发送，等接收到下位机发来的确认标志后再开始发送。上位机总程序框图如图5所示。

　　
3．2 下位机程序设计
　　
下位机接收上位机的命令，完成读写FLASH、E2PROM、镇定位、熔丝位和USB口使用权的切换等功能。由于实现的功能较多，采用了模块化、自下向上的结构化设计方法。首先按照ATMELCAl28L数据手册提供的SPI编程算法，用C语言实现了读写FLASH、锁定位和熔丝位等模块。
　　
程序设计的一个难点是将接收的上位机发送的文件写入FLASH或E2PROM，因为涉及到接收数据和写FLASH或EZPROM的交互。解决方法是采用停止一等待传输协议进行数据传送。下位机开辟约定数量的缓冲区，利用中断接收上位机数据至缓冲区满，处理完缓冲区数据后发送确认标志，上位机收到确认后再开始下一次发送。
　　
按制定的协议写ATMELGA128L的FIASH的流程图如图6所示。

　　
写EZPROM与写FLASH类似，只是要将接收的地址、序列号、长度也写入E2PROM。代码在E2PROM中存放时仍保持表2所示的格式，即段初始地址、序列号、该段长度、数据的格式，以便将E2PROM中存储的代码写入FLASH。
　　
编写下位机程序时，依据各模块分别用子函数实现、模块间接口清晰、主程序简单的原则，实现了读写FLASH和E2PROM、读写锁定位和锁定位、从 E2PROM写FLASH等几大模块，主函数接收到命令调用相应模块即可。当按下中断按钮时，中断程序先检测FLASH连接，如果检测成功，则调用从 E2PROM写FLASH模块；否则红灯闪烁指示操作失败。
　　
使用本文设计的开发板对节点下载程序，程序运行正常，节点间通信状态良好，且功耗低，实现了预计的功能并满足性能要求。
　　
从设计过程和使用可以看出，本开发系统具有以下优点：
   
(1)节点功耗低，体积小，射频芯片灵敏度高；
   
(2)节点通用性好，可以连接多种传感板；
   
(3)开发工具用户界面友好，支持多种目标文件格式；
   
(4)代码可存储在E2PROM中，需要下载时按下按钮便写入FLASH，配置节点方便。
　　
本文所设计的传感器开发系统便于研究者做更深入的实践研究，推动了传感器更广泛的应用。