趙璠，徐偉恒

（西南林業(yè)大學云南昆明650224）

隨著通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展與日益成熟，具有計算能力和通信能力的微型傳感器開始在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，由這些微型傳感器構(gòu)成的傳感網(wǎng)引起了人們的極大關(guān)注。傳感網(wǎng)能夠?qū)崟r監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行融合處理，獲得詳盡而準確的信息，傳送到需要這些信息的用戶。這種更小、更廉價的低功耗計算設(shè)備代表的“后PC時代”沖破了傳統(tǒng)臺式計算機和高性能服務(wù)器的設(shè)計模式，網(wǎng)絡(luò)化帶來的計算處理能力是難以估量的。因此，這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被廣泛地應(yīng)用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、制造業(yè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。

傳感網(wǎng)的研究起步于20世紀90年代末期。從2000年起，國際上開始出現(xiàn)一些有關(guān)傳感網(wǎng)研究結(jié)果的報道[1]。但是，這些研究成果處于起步階段，距離實際需求還相差甚遠。我國在傳感網(wǎng)方面的研究工作還很少。目前，哈爾濱工業(yè)大學和黑龍江大學已經(jīng)開始了該領(lǐng)域的研究工作。一言以蔽之，傳感網(wǎng)的研究任重而道遠。

1 硬件部分設(shè)計

根據(jù)不同的設(shè)計，傳感網(wǎng)節(jié)點的結(jié)構(gòu)會有所不同，但一般來說都包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源4個部分，如圖1所示。

圖1 節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the WNS node system

1.1 數(shù)據(jù)處理模塊

選用較為常見的AT89S52。它是ATMEL公司的8位Flash單片機系列，它完全和8051系列單片機兼容。具備ISP下載功能，能提供方便下載調(diào)試功能。89系列單片機采用靜態(tài)時鐘方式[2]，可以節(jié)約電能，非常適合無線傳感網(wǎng)節(jié)點這類對功耗敏感的系統(tǒng)，后面還會提到。

外擴ROM?？紤]到無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲量比較大，外擴了ATMEL公司的I2C總線的EEPROM，AT24C02。

時鐘芯片選用DS1302[3-4]。它是美國Dallas公司生產(chǎn)的一種串行實時時鐘/日歷芯片，內(nèi)部包括8位命令字節(jié)和40個字節(jié)（31個字節(jié)RAM和9個字節(jié)時鐘寄存器）的RAM，利用它們就能夠向單片機提供秒、分、時、日、月、年、及星期等實時時間信息，并能夠?qū)﹂c年天數(shù)自動調(diào)整，日歷有效至2100年。DS1302具備雙電源供電功能，由雙電源中較大者供電，使系統(tǒng)在沒有主電源的情況下，通過備份電池或者超級電容也能保持時鐘的連續(xù)運行。其次，DS1302具有引腳少、體積小、價格低、串行工作方式節(jié)約單片機資源等優(yōu)點。

LCD顯示模塊主要用于手工查看節(jié)點信息和在系統(tǒng)調(diào)試時使用，在真正工作時可以不用LCD，以節(jié)約電能。我們所采用的字符型液晶模塊是一種用5x7點陣圖形[5]、顯示的容量為2行16個字的1602液晶模塊。該模塊采用標準的14腳接口。如圖2所示。

圖2 1602 LCD顯示模塊Fig.2 1602 LCD display module

1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

本節(jié)點對溫度、濕度和光照度進行監(jiān)測。經(jīng)過大量傳感器的從性能、價格方面的選擇，最終選擇了SENSIRION公司生產(chǎn)的集合型全數(shù)字溫度濕度傳感器SHT75[6]和Microsemi公司的光照度傳感器Lx1970[7]。

SENSIRION的SHT75是一款集成了溫度傳感器和濕度傳感器、直接輸出數(shù)字量、且體積小巧的傳感器。如圖3所示。該傳感器對于無線傳感網(wǎng)節(jié)點來說具有幾個特點：

①采用CMOS工藝制造，大幅降低了功耗；

②SHT75內(nèi)部采用感知與案件和14 bit的AD集成，這樣能保證信號的高速傳輸和外界干擾的隔離；

③數(shù)字輸出，節(jié)約單片機資源，簡化系統(tǒng)設(shè)。

圖3 SHT75溫濕度傳感器Fig.3 SHT75 temperature and humidity sensor module

光照度傳感器選用的是Microsemi公司的仿視覺光傳感器LX1970。它具有的獨立光二極管列陣使得其反應(yīng)時間很短，峰值能達到520 nm。同時內(nèi)置濾光片，能有效的過濾紫外線和紅外線。LX1970是一款模擬傳感器，用于本設(shè)計中還需要配合ADC。如圖4所示。

圖4 LX1970光照度傳感器Fig.4 LX1970 light sensor module

1.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

本設(shè)計是對前端進行設(shè)計，故留有RS232串口作為傳輸出口，在后期可再加上ZigBee等主流傳輸方式。

2 軟件部分

軟件流程圖如圖5所示。

圖5 節(jié)點軟件流程圖Fig.5 Flow chart of the node software design

3 低功耗考慮

本設(shè)計中的低功耗考慮主要從硬件和軟件兩個方面來進行的。

3.1 硬件系統(tǒng)中低功耗設(shè)計

盡量多的采用CMOS器件。CMOS器件比雙極性器件功耗低很多，同時，幾乎每一種規(guī)格、型號的器件都有相同管腳、相同功能可以直接互換的CMOS器件。因此在單片機系統(tǒng)中全部采用CMOS電路可使整機功耗大大降低，還能增強系統(tǒng)的抗干擾能力。

不懸空MCU沒用的I/O口。MCU的這些不用的I/O口如果懸空的話，受外界的一點點干擾就可能成為反復振蕩的輸入信號了，而MOS器件的功耗基本取決于門電路的翻轉(zhuǎn)次數(shù)。如果把它上拉的話，每個引腳也會有微安級的電流，所以最好的辦法是設(shè)成輸出（當然外面不能接其他有驅(qū)動的信號）。

不上下拉每個信號線的電阻。信號需要上下拉的原因很多，但也不是個個都要拉。上下拉電阻拉一個單純的輸入信號，電流也就幾十微安以下，但拉一個被驅(qū)動了的信號，其電流將達毫安級，現(xiàn)在的系統(tǒng)常常是地址數(shù)據(jù)各32位，可能還有244/245隔離后的總線及其它信號，都上拉的話，幾瓦的功耗就耗在這些電阻上了。

盡量多的使用了存儲器的CS端。大部分存儲器的功耗在片選有效時（不論OE和WE如何）將比片選無效時大100倍以上，所以應(yīng)盡可能使用CS來控制芯片，并且在滿足其它要求的情況下盡可能縮短片選脈沖的寬度。

3.2 軟件系統(tǒng)中的低功耗設(shè)計

在整機的整體設(shè)計中，在軟硬件效率差不多的情況下，遵循硬件軟件化的原則，盡量壓縮硬件，用軟件來代替以往硬件實現(xiàn)的功能。如對數(shù)放大電路、抗干擾電路等；

選用較低的時鐘頻率；

不采用CPU查詢的工作方式，而要用中斷地工作方式，減少CPU的工作時間，充分利用單片機的等待模式，在鍵盤輸入、A/D轉(zhuǎn)換等場合均應(yīng)采用信號中斷方式；

充分利用單片機定時/計時器進行定時和計數(shù)，而不采用軟件循環(huán)計時的工作方式，這樣可以利用單片機的等待模式；

在工作程序的設(shè)計中有許多人機對話和單片機工作間隙，這些CPU工作的空襲要在軟件設(shè)計中盡量使單片機進入等待模式來降低功耗。

4 結(jié)束語

文中以AT89S52作為核心所制作的無線傳感器節(jié)點[8]系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)精簡，成本歷練，可靠性強，功耗低。采用的SHT75溫濕度傳感器很好的解決了單片機資源緊張的問題，并且提供了可靠的溫濕度數(shù)據(jù)。時間芯片DS1302為本系統(tǒng)提供精確的時間，使系統(tǒng)長時間工作而不需要校對時間，系統(tǒng)進入掉電模式時仍能工作，在節(jié)點輸出數(shù)據(jù)時提供精確的參考時間。除此以外，硬件和軟件兩方面的低功耗考慮也使本設(shè)計功耗取得預期的結(jié)果。

[1] CAELE J，SIMPlOT-RYL D.Energy-efficient area monitoring for sensor networks[J].IEEE Computer Society，2004，37（2）:40-46.

[2] Atmel Corporation.AT89S52 Data Sheet[EB/OL].[2008-06-01].http://www.atmel.com/Images/doc1919.pdf.

[3] Maxim Integrated.DS1302 Data Sheet[EB/OL].[2008-12-02].http://pdfserv.maximintegrated.com/en/ds/DS1302.pdf.

[4] 申建軍.串行實時時鐘／日歷芯片DS1302的特性及其應(yīng)用[EB/OL].[2005-03-03].http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200503-18.

[5] 謝剛.16X2字符型液晶顯示模塊的驅(qū)動[EB/OL].[2006-10-13].http://www.xie-gang.com/yjmk.htm.

[6] Sensirion Co.SHT7x Data Sheet[EB/OL].[2011-12-01].http://www.sensirion.com/fileadmin/user_upload/customers/sensirion/Dokumente/Humidity/Sensirion_Humidity_SHT7x_Datasheet_V5.pdf

[7] Microsemi Integrated.LX1970 Data Sheet[EB/OL].[2008-01-25].http://www.microsemi.com/datasheets/lx1970.pdf.

[8] 韋然.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子科技，2012（1）:31-35.WEI Ran.Design and implementation of the wireless sensor network node[J].Electronic Science and Technology，2012（1）:31-35.