引言

物聯(lián)網(wǎng)是信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域未來競爭的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)升級的核心驅(qū)動力、是衡量一個國家綜合國力的重要標(biāo)志，在軍事、民用及工商業(yè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景叫無線傳感器節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)的主要組成部分，用來采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并通過一定的無線路由協(xié)議將信息傳給觀測者。本文介紹了一種無線光照傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，給出了傳感器節(jié)點(diǎn)的功能模型，詳細(xì)闡述了其工作原理、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者。傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸?shù)娜N功能叫本無線光照傳感器節(jié)點(diǎn)主要由三部分組成：數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分、無線傳輸部分。數(shù)據(jù)采集部分主要負(fù)責(zé)將外界環(huán)境中的光照強(qiáng)度值采集進(jìn)來,采集部分所得到的信號會隨著外界光照強(qiáng)度變化而變化，光照傳感器將從外界采集到的光照模擬量，通過傳感器內(nèi)部的一個16bitAD轉(zhuǎn)換后直接輸出數(shù)字量，通過「C接口將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理部分作相應(yīng)處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)送至上位機(jī)界面。系統(tǒng)功能模型如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無線光照傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線傳輸單元、電源管理單元四部分組成。

2.1數(shù)據(jù)采集單元

本方案選用了一種數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路BH1750FVI。BH1750FVI有著體積小、高感應(yīng)靈敏度、良好的穩(wěn)定性，光源依賴性弱，功耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)。光照傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

如圖所示PD為接近人眼反應(yīng)的光敏二極管，當(dāng)有光線照射時，PD將產(chǎn)生相應(yīng)的飽和反向漏電流，形成光電流，電流的大小隨光強(qiáng)度的變化而變化，集成運(yùn)算放大器將PD電流轉(zhuǎn)換為PD電壓，送入ADC轉(zhuǎn)換器，并取得16位的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過FC接口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元。

2.2數(shù)據(jù)處理單元

處理器芯片是整個電路的核心部分。無線光照傳感器節(jié)點(diǎn)選用的是ST公司的STM32F103RBT6處理器芯片，它采用高性能的ARM32位Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率72MHz,代碼執(zhí)行速度高達(dá)1.25MIPS/MHz。它內(nèi)置高達(dá)128KBFLASH和20KBSRAM,同時具備豐富的I/O端口和外設(shè)：包含51個通用普通I/O口、16通道12位ADC、4通用16位定時器、電機(jī)控制PWM接口、2個FC、2個SPI/SSP、3個UART、1個USB控制器、1路CAN總線接口等。光照傳感器將采集到的光照信號通過內(nèi)部放大電路、ADC轉(zhuǎn)換電路后得到的數(shù)字量通過FC總線直接傳入到STM32F103RB,經(jīng)過軟件協(xié)議棧中的物理層、MAC層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層依次加載，將數(shù)據(jù)送至UZ2400D,完成一次信號采集處理，并最終發(fā)射出去。

2.3數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元采用臺灣達(dá)盛公司的UZ2400D射頻芯片。UZ2400D是一種符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，滿足了低成本、低功耗的無線應(yīng)用需要。它由一個無線射頻收發(fā)器作用在2.4GHz的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基帶和媒介訪問控制子層功能模塊組成。UZ2400D的射頻塊由一個集成電路內(nèi)的接收器、發(fā)送器、壓控振蕩器和鎖相環(huán)路組成。UZ2400D的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3UZ2400D模塊結(jié)構(gòu)圖

UZ2400D采用先進(jìn)的無線電架構(gòu)來盡量減少外部元件數(shù)和功率消耗量。UZ2400D的MAC和基帶為IEEE802.15.4的MAC層和PHY層提供了硬件架構(gòu)。它主要包括TX/RX控制器、CSMA-CA控制器、超幀構(gòu)造器、接收幀過濾器、安全引擎及數(shù)字信號處理組件。UZ2400D芯片在外圍電路上加上天線、晶振和電阻電容等器件，引出必要的擴(kuò)展控制或通信接口，就形成了該無線通信模塊。UZ2400D射頻芯片具有以下特性：符合IEEE802.15.4-2006規(guī)范，工作在2.4GHzISM頻段；輸入時，一95dBm靈敏度和最大允許3dBm；輸出時，0dBm典型輸出功率和40dB發(fā)送功率控制范圍；集成的32MHz高速和32.768KHz低速晶振驅(qū)動；低功率功耗，接收模式下為16mA和發(fā)送模式下為17.5mA；深度休眠模式下,功耗為2.4uA；集成的低相位噪聲VCO、頻率合成器和鎖相環(huán)過濾。

UZ2400D無線接收器是一個低中頻的接收器，從天線接收到的射頻信號，首先經(jīng)過低噪聲放大器，然后正交下變頻到中頻上，形成中頻信號的同相分量和正交分量，兩路信號經(jīng)過濾波和放大后，直接通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再以數(shù)字信號的形式進(jìn)行后繼的處理，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入UZ2400D芯片中的128B的發(fā)送緩存器，前置序列和起始幀是通過硬件自動產(chǎn)生的，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流被擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到DA變換器。然后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號直接變頻到設(shè)定的信道上，并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。UZ2400D的射頻接口是高阻抗、差分信號接口，而實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中通常采用單端天線，因此在設(shè)計(jì)中，使用分離元件構(gòu)成巴倫電路。射頻信號經(jīng)由RF_P、RF_N兩個引腳以差分信號輸出，通過巴倫電路變換后，變成單端信號輸出。經(jīng)巴倫電路轉(zhuǎn)換后，輸出信號理論上達(dá)到50Q阻抗，但是由于仿真中得出的值會有小數(shù)，實(shí)際使用的電容和電感元件不能完全符合，加之元器件本身存在的誤差，導(dǎo)致巴倫電路出來的信號并不能得到標(biāo)準(zhǔn)的50Q阻抗。通常，信號通過巴倫電路后，還要加上一級阻抗修正電路，經(jīng)過修正之后的信號阻抗就比較接近50Q。經(jīng)過修正之后的信號就可以經(jīng)由天線輻射出去。

2.4電源管理單元

電源是整個電路的能量供應(yīng)源，良好的電源電路為整個電路的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。在工業(yè)無線領(lǐng)域，無線傳感器節(jié)點(diǎn)對能耗的要求比較高。在保證正常的能量供應(yīng)的前提下，盡量選擇低功耗、高效率的電源。經(jīng)過估算，本設(shè)計(jì)方案選用1100mAh的鋰電池作為電源，這種電池具有電壓高、體積小、能量密度高、放電曲線平緩、可循環(huán)使用等優(yōu)點(diǎn)，能讓傳感器節(jié)點(diǎn)反復(fù)使用，可節(jié)約成本。為了反復(fù)使用鋰電池，設(shè)計(jì)使用了MAX1555作為充電芯片，當(dāng)電池電量較低的時候，為電池充電。MAX1555芯片提供較靈活的電源輸入口，1腳為USB輸入口，電壓范圍是3.7V?6V,可以直接從USB接口接入對電池充電；4腳為DC電源輸入端，可以外接電源適配器對電池進(jìn)行充電。3腳為充電狀態(tài)指示，在充電期間為低電平，充電完成時變成高阻態(tài)。同時，系統(tǒng)需要3.3V電壓，使用MAX8881-3.3V將電池電壓從4.2V降到3.3V。芯片MAX8881是一種超低電源電流、低壓降的線性穩(wěn)壓器，最大提供200mA的電流輸出，滿足系統(tǒng)的需求。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1FC總線協(xié)議

I2C總線是Philips公司于20世紀(jì)80年代開發(fā)的兩線式串行通訊總線，使用多主從架構(gòu)，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備?！窩只使用兩條線：串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL。由于接口直接在模塊之上，因此FC總線占用的空間非常小，可有效減少電路板的空間和芯片管腳的數(shù)量，被廣泛應(yīng)用于進(jìn)行簡單的外圍設(shè)備控制。FC總線可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)至總線則定義為發(fā)送器，設(shè)備接收數(shù)據(jù)則定義為接收器，每個設(shè)備都用惟一的地址識別?？偩€通常由主設(shè)備（通常為微控制器）控制，主設(shè)備在SCL上產(chǎn)生時鐘信號，并產(chǎn)生起始和停止條件。主設(shè)備和從設(shè)備都可以工作于接收和發(fā)送狀態(tài)。SDA線上的數(shù)據(jù)狀態(tài)僅在SCL為低電平期間才能改變,SCL為高電平期間，SDA狀態(tài)的改變被用來表示起始和停止條件。

3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由三部分組成：系統(tǒng)初始化程序,I2C初始化程序，無線射頻初始化。系統(tǒng)初始化程序完成底層硬件驅(qū)動的配置；FC初始化程序主要包括FC通信接口的初始化；無線射頻初始化負(fù)責(zé)配置UZ2400D。軟件部分流程如圖4所示。

整個系統(tǒng)的運(yùn)行過程是：首先進(jìn)行初始化操作，具體為系統(tǒng)時鐘初始化，端口配置初始化，F(xiàn)C接口初始化，SPI接口初始化，無線射頻初始化，根據(jù)設(shè)定的條件讀取光照傳感器傳輸?shù)墓庹罩担l(fā)送至網(wǎng)關(guān)，上傳至上位機(jī)界面，對當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

目前該節(jié)點(diǎn)已運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)室與思科公司合作研發(fā)的測試系統(tǒng)上。無線光照傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時準(zhǔn)確地將環(huán)境中的光照強(qiáng)度值采集到，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)送至上位機(jī)。圖5為上位機(jī)界面。

圖5上位機(jī)界面

5結(jié)語

本文介紹了無線光照傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)討論了其硬件實(shí)現(xiàn)以及軟件實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方法。目前該節(jié)點(diǎn)已運(yùn)用在思科系統(tǒng)中國研發(fā)中心，運(yùn)行穩(wěn)定，能實(shí)時監(jiān)測環(huán)境中的光照強(qiáng)度值，為上位機(jī)提供實(shí)時參數(shù)以便系統(tǒng)做出相應(yīng)操作。伴隨物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，節(jié)點(diǎn)在智能家居系統(tǒng)中將能得到很好的應(yīng)用。

20211118_6196428f2ab32__基于STM32的無線光照傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)