无线传感器网络节点的硬件设计

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1、1系统结构概述本文设计的WSN硬件平台，由若干传感器节点，具有无线接收功能的汇聚节点，以及一台PC机组成。根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，节点的设计主要包括如下几个基本部分：传感器单元、处理器单元、A/D单元、射频单元、供电单元以及扩展接口单元。节点的硬件体系结构框架如图1-1所示。图1-1传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据，提供给处理器单元进行处理；处理器单元负责数据处理及控制整个节点的正常工作；射频天线单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和相关数据；供电单元负

2、责为节点提供运行所需的能量；扩展接口可以实现节点平台的功能拓展，以适应不同的应用需求。2节点核心模块设计：2-1电源模块设计：电源是设计中的关键部分，电源稳定工作是整个节点正常工作的保证，设计合理的电源电路至关重要。节点包含模拟器件和数字器件，模拟器件的抗干扰能力较差，且数字器件常常为模拟器件的噪声源，故为了图2-1-1提高电路的抗干扰能力，模拟器件接模拟地并采用数字地与模拟地单点共地。电源可选用电池或干电池，电源芯片可选用XC6209、XC6221系列的LDO电源芯片，分别提供3.3V和1.8

3、V的数字与模拟电压，电路如图2-1-1所示。2-2传感器模块设计：温度传感器设计：本设计采用LM75DM-33R2串行可编程温度传感器，这种传感器在环境温度超出用户变成设置时通知主控制器。滞后也是可以编程解决。它采用2线总线方式，允许读入当前温度，并可配置器件。它是数字型温度传感器，直接从寄存器读出温度参数，并可实现编程设置INT/CMPTR输出极性。图2-2-1是其功能图，由于设计中只是简单的监测环境的温度，故只需一片LM75，所以地址线A0、A1、A2置地，INT/CMPTR悬空，设计的接口

4、电路如图2-2-2所示。图2-2-1图2-2-2由于cc2431本身带有A/D模块，也可采用温度传感器AD590测量温度，其接口电路如图2-2-3。图2-2-3烟雾传感器设计：为了监测房间中的烟雾，香烟烟雾或者房子中的灰尘等，可以采用NIS-05离子式传感器。这种传感器是低放射型的标准传感器，最大供电电压24v，由于阻抗很高容易被外界电子噪音所干扰，所以PCB板设计时要注意保护措施。一般需采用特氟纶做支撑。NIS-051脚为VCC，2脚电压输出，3脚接地。由于阻抗高2脚输出电流很小，需采用输入电

5、流较小的运放，采用LMC6042。接口电路如图2-2-4。图2-2-4湿度传感器设计：HS1101型湿度传感器是法国HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器，其典型应用电路如图2-2-5所示。该传感器具有检测速度快、高精度、高可靠性、长期稳定性和使用方便、体积小等特点。它是基于独特工艺设计的电容元件，专利的固态聚合物结构;高精度2%；极好的线性输出；1—99%RH湿度量程；-40~100℃的温度工作范围；响应时间5秒；湿度输出受温度影响极小；防腐蚀性气体；常温使用无需温度补偿；无需校准；电容

6、与湿度变化0.34pf/%RH;典型值180pf@55%RH;长期稳定性及可靠性，年漂移量0.5%RH/年。湿度检测采用电容式HS1101型湿敏传感器。利用NE555定时器和湿度传感器HS1101以及一些电阻构成多谐振荡器电路如图2-2-5所示。该电路把湿敏传感器随环境湿度不同体现的电容值变化量转换为输出脉冲的频率变化量,电路输出的fo脉冲信号的振荡频率中包含了环境湿度信息。图2-2-5图2-2-6中虚线左侧是由LM331芯片构成的频率/电压(F/V)转换电路。图2-2-5中输出的反映湿度信息的

7、变频脉冲信号fo经C2R网络接入LM331的比较器阈值端6脚,脉冲的下降沿引起输入比较器触发定时电路,1脚流出的平均电流为:iAvE=i(1.1R8C4)×fO(1)此电流经RC网络滤波即可获得与fo脉冲信号频率成正比的直流电压[6]:Vout=fo×2.09V×(R9/Rs)×(R8C4)(2)该部分F/V转换器是输出信号的电压正比于输入信号的频率的线性变化电路,F/V转换电路输出呈0～5V之间的线性模拟电压变化量,对应于相对湿度0～100%RH的变化。图2-2-6我们也可以采用另一种集成的湿

8、度传感器设计方案，它采用DHT11数字湿度传感器，DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些