無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件的模塊化設(shè)計

3．3 采集模塊
采集模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并調(diào)理數(shù)據(jù)信號。本設(shè)計中，監(jiān)測的是土壤的溫度和濕度數(shù)據(jù)，采用的傳感器是PTWD-3A型土壤溫度傳感器以及TDR-3型土壤水分傳感器。
PTWD-3A型土壤溫度傳感器采用精密鉑電阻作為感應(yīng)部件，其阻值隨溫度變化而變化。為了準(zhǔn)確地進(jìn)行測量，采用四線法測量電阻原理，將電阻信號調(diào)理成CC2430芯片A／D通道能采樣的電壓信號。圖7中，由P354運(yùn)算放大器、高精度精密貼片電阻以及2．5 V電源構(gòu)成10 mA恒流源。10 mA的電流環(huán)流經(jīng)傳感器電阻R1、R2將電阻信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號，由差分放大器LT1991一倍增益將信號轉(zhuǎn)換為單端輸出送入CC2430芯片的ADC通道進(jìn)行采樣。

TDR-3型土壤水分傳感器輸出信號即為電壓信號，其調(diào)理電路如圖8所示。傳感器輸出信號通過P354運(yùn)算放大器送入CC2430芯片的ADC通道進(jìn)行采樣。

3．4 電源模塊
電源模塊負(fù)責(zé)調(diào)理電壓、分配能量，分為充電管理模塊、雙電源切換管理模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊3個模塊。本設(shè)計中采用額定電壓12 V、電容量3 Ah的鉛酸電池供電。
作為環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，節(jié)點需要在野外無人看守的情況下進(jìn)行工作，能量補(bǔ)給是系統(tǒng)持續(xù)工作的重要保證。本設(shè)計采用太陽能電池板為節(jié)點在野外工作時進(jìn)行電能的補(bǔ)給，充電管理模塊則是根據(jù)日照情況以及電池能量狀態(tài)對鉛酸電池進(jìn)行合理、有效的充電。如圖9所示，光電耦合器TLP521-100和場效應(yīng)管Q共同構(gòu)成了充電模塊的開關(guān)電路，可以由CC2430芯片的I／0口很方便地進(jìn)行控制。

在太陽能電池板對電池充電時，電池不能對系統(tǒng)進(jìn)行供電，因此設(shè)計中采用了雙電源供電方式，保持“一充一供”的工作狀態(tài)，雙電源切換管理模塊負(fù)責(zé)電源的安全、快速切換。如圖10所示，采用了兩個開關(guān)電路對兩塊電源進(jìn)行切換。

在電源進(jìn)行切換時，總是先打開處于閑置狀態(tài)的電源，再關(guān)閉正在為系統(tǒng)供電的電源，因此會在一段短暫的時間內(nèi)同時有兩個電源對系統(tǒng)供電，這是為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)掉電情況。
電源模塊需提供5 V、3．3 V、2．5 V等多組電源以滿足節(jié)點各模塊的供能需求。由于系統(tǒng)電源組較多，電壓轉(zhuǎn)換模塊采用了開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器以及低壓差線性穩(wěn)壓器等多種電壓轉(zhuǎn)換芯片來對電源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，同時要確保電源模塊供能的高效性。

結(jié)語
節(jié)點的設(shè)計對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)至關(guān)重要。本設(shè)計采用了功能強(qiáng)大的射頻芯片CC2430作為核心管理芯片，能較好地完成數(shù)據(jù)采集、分析、傳輸?shù)榷鄠€功能。硬件的模塊化設(shè)計大大加強(qiáng)了節(jié)點的穩(wěn)定性、可靠性和通用性，在野外無人值守的情況下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以長期、穩(wěn)定地進(jìn)行環(huán)境方面的監(jiān)測。