無線傳感器網絡是由許多無線傳感器節點協同組織起來的，這些節點具有無線通訊、數據采集和協同合作能力，可以應用于布線和電源供給困難或人員不能到達的區域以及一些臨時場合等。無線傳感器網絡節點可以隨機或特定地布置在目標環境中，它們之間的通訊通過特定的協議自組織起來，能夠獲取周圍環境的信息，并且相互協同完成特定任務。本文基于nRF905設計了一款無線溫度傳感器網絡，通過無線網絡將普通辦公樓室內的溫度采集傳感器節點連接起來，實時采集房間內的溫度信息，并傳送到遠程控制中心進行監測。

無線傳感器網絡概述

   無線傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。傳感器節點用多跳中繼的方式將數據傳送到匯聚節點，然后再經過各種通信網絡途徑傳送到用戶交互的管理節點；管理節點對整個傳感器網絡進行配置和對管理項進行管理，及時地收集信息數據并發布監測任務。

無線傳感器網絡技術具有如下特點：

①基于應用的網絡。無線傳感器網絡是對每一個應用進行相關的設計的，通過感知識別客觀世界的物理量，它可以獲取外部信息。

②與物理世界交互。外部環境變化對無線傳感網絡系統的影響較大，因此，傳感器節點必須適時地調整自身工作狀態，以適應環境的變化。

③自組織網絡。為了能夠快速自動地配置調節、監測與管理網絡，節點需具有自組織能力，這是因為網絡的外部環境不穩定，網絡自身也有很多不可預測的地方。

④以數據為中心。無線傳感器網絡以數據為中心，快速有效地融合各節點信息，直接將其傳送給用戶。

⑤網絡的協作性。無線傳感器網絡要求用大量節點進行分布式協同的信號和信息處理，這是因為單個節點計算能力有限。

⑥節點能力有限。無線傳感器網絡設計時，會面臨電池能量、計算能力以及存儲能力有限的情況。

無線傳感器網絡具有許多其他網絡所沒有的優點，其應用領域已經深入到人類社會的許多場合，例如在環境、反恐、家庭、軍事、醫療、救災以及其他商業、工業領域。

溫度傳感器網絡的結構組成

     根據系統要求，溫度傳感器網絡包括遠程控制中心和智能節點。遠程控制中心用于發起數據采集命令，智能節點用以實現信息的采集、數據處理以及傳輸功能，其結構組成如圖1所示，主要由控制模塊、無線收發模塊、通訊模塊、溫度采集模塊、存儲模塊、電量檢測模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊以及GSM模塊等組成。依據實際應用背景，在所設計的溫度傳感器網絡中，普通節點首先通過無線射頻將所測溫度數據傳輸給匯聚節點，然后匯聚節點通過GSM模塊將數據傳給遠程控制中心。

圖1 溫度傳感器網絡結構組成圖

溫度傳感器網絡硬件設計

控制模塊設計

    控制模塊的功能包括：①測量并處理傳感器模塊數據；②讀取并處理無線收發模塊接收的數據，進行數據融合，配置系統參數；③通信協議處理，完成無線傳感器網絡通信中的MAC和路由協議處理。因此，綜合考慮控制模塊的處理速度、存儲空間、外圍接口、功能和功耗等因素，本設計選取µPD78F0485微控制器作為控制模塊的核心器件。

   µPD78F0485微控制器具有如下特點：①工作電壓低、范圍寬、功耗低：電壓為1.8V~5.5V；在STOP模式下工作電流1µA，使用副時鐘（32.768kHz）全速工作時電流僅200µA。②方便的開發方式，存儲容量大：支持在線編譯，具有片上調試功能；內部存儲器為60KB，高速RAM為1KB，擴展ROM為1KB，存儲空間為64K。③管腳驅動能力強：驅動電流可達10mA，可直接連接到電流低于10mA的芯片的電源引腳上，為這些芯片提供電源。④具有8通道10位AD轉換器；內置看門狗定時器。⑤具有按鍵中斷功能，方便系統實時響應用戶操作。⑥具有LCD控制器/驅動器，可直接驅動液晶顯示器。⑦具有1個16位的定時器/事件計數器，3個8位的定時器/事件計數器，3個8位的定時器，1個實時計數器，定時器可用作實現整個網絡的組網定位過程中的延時，實時計數器主要用作實現系統的時鐘同步功能。⑧兩通道串行接口等片內資源，可以直接連接GSM模塊和USB通訊模塊。⑨共有62個I/O口，多數接口具有內部上拉電阻，對于必須使用上拉電阻的電路，可使用內部上拉電阻，以節省電路板空間。⑩內置蜂鳴器輸出控制器，可實現低電壓報警、溫度報警等功能。

無線收發模塊設計

   本設計在考慮調制方式、功耗、傳輸距離、功率等因素的基礎上，選取Nordic VLSI公司的無線射頻芯片nRF905。nRF905是一款低功耗無線收發芯片，可工作于433/868/915MHz ISM頻段，GFSK調制，本設計采用433MHz為中心頻率。該收發芯片由功率放大器、頻率合成器、晶體振蕩器、接收解調器和調制器組成，片內自動完成曼徹斯特編碼和解碼，廣泛應用于無線數據通信、無線報警及安全系統、無線開鎖、無線監測和家庭自動化等領域。

   nRF905通過SPI與微控制器進行通信，可自動處理字頭和CRC（循環冗余碼校驗）。發送數據時，微控制器只需將配置寄存器信息、所要發送的數據和接收地址通過SPI傳送給nRF905，它會自動完成數據的打包和發送。接收數據時，nRF905自動檢測載波并進行地址匹配，接收到正確數據后自動移去字頭、地址和CRC校驗碼，再通過SPI將數據傳送到微控制器。nRF905具有四種工作模式：掉電模式、待機模式、Shock Burst接收模式和Shock Burst發送模式。在掉電模式中，電流僅為2.5µA，易于實現節能。當nRF905處于掉電模式時，SPI接口仍可以保持在工作狀態；通過Shock Burst收發模式進行無線數據傳輸，收發可靠，使用方便。因此，nRF905在諸多領域都具有廣闊的應用前景，這些特點決定了nRF905芯片非常適合應用于無線傳感器網絡中。

無線收發模塊的電路如圖2所示。控制引腳TX_EN、TRX_EN、PWR_UP直接與微控制器的P44、P45、P46相連；狀態引腳DR與微控制器的中斷引腳P120/INTP0相連，狀態引腳CD、AM直接與微控制器P47、P10相連；由于系統沒有SPI總線，因此采用I/O引腳模擬SPI總線通信。微控制器的P11、P12、P13分別與nRF905的SCK、MOSI、MISO連接；微控制器的P14與SPI的控制端口CSN連接。nRF905通過電容和電感與天線J2相連接。nRF905帶有外部時鐘輸出引腳uPCLK，能夠輸出四種不同頻率的時鐘，采用示波器連接uPCLK引腳可測試nRF905是否工作正常。

圖2 無線收發模塊電路圖

存儲模塊設計

    傳感器節點需存儲用戶設定的參數以及運行記錄等大量數據。本設計選擇AT24C256作為存儲芯片，它是ATMEL公司推出的低功耗256K串行EEPROM芯片，具有如下特點：①具有三種工作電壓，分別為5.0V、2.7V、1.8V；②具有64字節頁寫模式；③符合雙向數據傳送協議；④具有硬件寫保護和軟件數據保護功能；⑤采用斯密特觸發，可抑制輸入噪聲；⑥采用2線串行接口；⑦內部可以組織成32K×8存儲單元。

    AT24C256存儲器電路如圖3所示，AT24C256的A0引腳和A1引腳接地。由于µPD78F0485微控制器沒有I2C接口，因此采用µPD78F0485的I/O引腳模擬I2C總線通信。采用µPD78F0485的I/O引腳控制EEPROM的供電，將存儲器的電源引腳VCC與µPD78F0485的P12引腳相連接。使用存儲器時，需設置P12引腳輸出高電平，以實現為存儲器供電；不使用存儲器時，可將存儲器電源關掉，節省電量，這也保證了電源不穩定時不能訪問EEPROM，防止EEPROM讀寫出現錯誤。µPD78F0485的P13和P14與AT24C256的SCL引腳和SDA引腳相連接。

圖3 AT24C256存儲器電路圖

按鍵模塊設計

按鍵是無線傳感器節點為用戶提供的操作接口，可利用按鍵設置和讀取節點的參數，查詢節點的運行結果、工作狀態和歷史記錄。本設計采用的微控制器µPD78F0485具有按鍵中斷功能，具有8個通道，網絡系統使用了KEY1、KEY2、KEY3和KEY4四個按鍵引腳，它們分別與µPD78F0485的P40引腳、P41引腳、P42引腳和P43引腳相連接，按鍵電路如圖4所示。

圖4 按健電路圖

USB通訊模塊設計

    利用USB接口可實現傳感器節點與計算機的通信。本設計采用了高度集成USB轉UART橋接器CP2102，它集成了USB 2.0全速功能控制器、USB轉發器、振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的串行數據總線（UART）接口；外圍元件較少，可以節約PCB成本和空間。使用USB通訊時，首先將USB電路板一端與傳感器節點的電路板連接，另一端與計算機連接，然后將CP2102的驅動程序安裝在計算機上，計算機將CP2102虛擬成一個COM口，最后就能夠以訪問一個標準COM口的硬件方式訪問CP2102。USB通訊電路如圖5所示，網絡系統將µPD78F0485的異步串行接口UART6與CP2102的異步串行接口相連接。

圖5 USB通訊電路圖

液晶顯示模塊設計

    溫度傳感器網絡工作時，需讀取和設置節點的參數。因此，需采用LCD顯示器來顯示所需設置的參數命令和參數數據。本設計采用的µPD78F0485微控制器帶有LCD控制器/驅動器，具有自動讀取存儲器顯示數據，自動輸出COMMON和SEGMENT信號的功能。µPD78F0485具有6種顯示模式，每種顯示模式具有6種不同的幀頻率，本文選用1/3分壓、1/4分時的驅動方式，使用副時鐘作為LCD的時鐘源，采用內部分壓的方式來驅動具有4個COM端、20個SEG的LCD顯示器，該顯示器可同時顯示8個數字、7個小數點、17個常用標號。

溫度采集模塊設計

    本設計溫度采集芯片采用數字化溫度傳感器DS18B20，它由半導體公司Dallas推出，具有如下特點：①測溫范圍-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范圍內的精度為±0.5℃。②測量結果為數字信號，以“一線總線”傳給MCU，并且也傳送CRC校驗碼。③具有較高的分辨率，擁有9~12位分辨率可調的功能，所對應的溫度分辨率分別為0.5℃、0.25℃、0.125和0.0625℃。④具有寄生電源供電和外部電源供電兩種模式，電壓范圍寬。其中，在外部電源供電模式下，DS18B20工作穩定可靠，抗干擾能力強，因此，本文采用外部供電模式，并將DS18B20的電源引腳連接到µPD78F0485的引腳，當不測量溫度時，將其外部電源關閉以降低節點的功耗。⑤體積小，減少了傳感器節點體積的大小。網絡系統測溫電路如圖6所示，µPD78F0485的P140引腳與DS18B20的電源引腳相連接，P133引腳與DS18B20的數據引腳相連接。

圖6 測溫電路圖

電量檢測模塊設計

    溫度傳感器網絡采用電池供電，因而必須定時檢測電量，以避免節點電量不足而造成節點之間的通信故障，若電量不足，則提示更換電池。本設計采用µPD78F0485微控制器的10位逐次逼近性AD轉換器和微功率兩端帶隙穩壓器LM385二極管來實現電量檢測，電量檢測電路如圖7所示，P30引腳連接控制是否測量電量，用以控制是否進行電量檢測，P27/ANI連接穩壓管LM385的電源端。穩壓管LM385可工作在10mA~20mA的電流范圍內，具有非常低的溫度系數和動態阻抗。

圖7 電量檢測電路圖

電源模塊設計

根據系統要求，本設計采用3.6V鋰電池供電，鋰電池具有容量大、體積小的特點。由于USB通訊模塊使用的是5V電壓，因此需采用LM1117進行5V到3.6V電壓的轉換。電源模塊電路如圖8所示，電源模塊提供5V和3.6V的兩種電源接口，采用三端穩壓器LM1117可將5V電壓轉換為3.6V電壓。

圖8 電源模塊電路圖

結束語

    為了實現實時采集房間內的溫度信息，本文基于nRF905芯片設計了一款無線溫度傳感器網絡。首先對無線傳感器網絡進行了概述，然后給出了溫度傳感器網絡的結構組成，最后詳細闡述了溫度傳感器網絡的硬件設計。該溫度傳感器網絡具有良好的通用性和可靠性。