基于CC2531的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計

摘要：提出一種基于SoC芯片CC2531的通用無線傳感器網(wǎng)絡采集節(jié)點的硬件實現(xiàn)方案。該設計方案主要分為電源模塊、處理模塊、無線通信模塊和數(shù)據(jù)采集模塊4個部分。各模塊電路易于實現(xiàn)，具有較強的通用性和實用性。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；采集節(jié)點；CC2531

引言
半導體技術、微系統(tǒng)技術、通信技術、計算機技術的飛速發(fā)展，推動了具有現(xiàn)代意義的無線傳感器技術。無線傳感器網(wǎng)絡技術涉及計算機、半導體、網(wǎng)絡、通信、光學、微機械等眾多領域。微型、高可靠、多功能、集成化的傳感器，低功耗、高性能的專業(yè)集成電路，微型、大容量的能源，高效、可靠的網(wǎng)絡協(xié)議和操作系統(tǒng)，面向應用、低計算量的模式識別，低功耗、自適應的網(wǎng)絡結構，以及現(xiàn)實環(huán)境的各種
應用模式成為無線傳感器網(wǎng)絡課題研究的重點。
以傳感器和自組織網(wǎng)絡為代表的無線應用不需要較高的傳輸帶寬，但需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列，同時需要一種低端的、面向控制的、應用簡單的專用標準，ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問題。ZigBee是無線個人
局域網(wǎng)絡(Wireless Personal Area Network，WPAN)的標準之一，具有高通信效率、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點。這些優(yōu)點使得ZigBee 和無線傳感器網(wǎng)絡完美地結合在一起。目前，無線傳感器網(wǎng)絡的研究和開發(fā)已得到越來越多的關注。本設計基于ZigBee搭建的無線傳感器網(wǎng)絡采集節(jié)點硬件平臺，可以完成風向、風速和空氣濕度的測量。

1 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結構
無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)由上位機、中轉(zhuǎn)器、匯聚節(jié)點和若干采集節(jié)點組成，如圖1所示。采集節(jié)點采集并預處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，在收到匯聚節(jié)點的上傳命令后將數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點收集采集節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)并通過中轉(zhuǎn)器將數(shù)據(jù)上傳到上位機，上位機處理最終上傳的采集數(shù)據(jù)。上位機將用戶下達的各操作命令發(fā)送至中轉(zhuǎn)器，中轉(zhuǎn)器將命令信息傳遞給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將中轉(zhuǎn)器下發(fā)的命令通告?zhèn)€采集節(jié)點，同時負責采集節(jié)點相互間的組網(wǎng)及維護。


本設計中采集節(jié)點和匯聚節(jié)點均采用CC2531作為核心控制芯片；中轉(zhuǎn)器采用ARM處理器作為核心控制芯片。采集節(jié)點與匯聚節(jié)點間以ZigBee協(xié)議進行無線通信；匯聚節(jié)點與中轉(zhuǎn)器間采用串口通信；中轉(zhuǎn)器與上位機以GPRS通信方式進行交互；上位機實現(xiàn)人機交互。

2 CC2531芯片簡介
CC2531是TI公司推出的符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標準的射頻收發(fā)器。它具有很好的接收靈敏度和魯棒性以及低功耗特性，可編程輸出功率高達4．5 dBm，外部元件很少；結合RF收發(fā)器與業(yè)界標準增強型8051微控制器的性能，具有32 KB、64 KB、128 KB或256 KB的在系統(tǒng)可編程閃存和8 KB的RAM，且該RAM具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保護能力；同時具有多種運行模式，而且運行模式之間轉(zhuǎn)換時間短，使低能耗特性能夠進一步保證。
CC2531提供了101 dB的鏈路質(zhì)量以及一套廣泛的外設集，包括2個USART、8路輸入可配置的12位ADC、21個通用GPIO、高級加密標準(AES)安全協(xié)處理器、看門狗定時器和具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時器等設備。它支持一般的低功耗無線通信，可以應用于遠程控制、消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化、醫(yī)療以及更多領域。