微電子和無線通信技術的飛速發展，使得低功耗、低成本、體積微小的傳感器網絡的研制成為可能。這種網絡的節點被放置在目標區域中，自組網絡，采集數據，通過無線通信設備將數據經多跳傳送到基站，由Intemet或其他有線網絡傳到用戶終端。傳感器網絡的應用非常廣泛，可用于環境檢測、軍事探測、醫療保健等各個部門。它的應用將對人們的生活方式產生深遠的影響，該技術被美國《商業周刊》評為未來四大高技術產業之一。
本文介紹了一種無線傳感器開發系統的設計方法．包括節點和開發板。節點具有功耗低、通用性好的特點，帶有多種傳感器，可以感知溫度、濕度和光等，并帶有擴展口。開發板用于配置節點和下載程序。開發板具有友好的上位機用戶界面，并支持多種編譯系統生成的不同目標文件格式。
1 節點的硬件設計
傳感器節點的硬件結構主要由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊組成。傳感器節點一般采用電池供電，由于節點放置在危險或不易到達的區域，更換電池幾乎是不可能，因此節能成為設計的關鍵技術，此外，還要控制成本和體積。設計的節點硬件框圖如圖1所示。
1．1 微處理器模塊
微處理器選用ATME
L公司的ATMELGAl28L。該芯片功耗低，且有多種睡眠模式；多個中斷源，53個10口，可以連接多個傳感器擴展口；內帶8路 10位A／D轉換器，可以將傳感器送來的模擬信號轉換為數據信號；雙向I2C串行總線接口；主/從SPI串行接口；可編程串行通信接口；JTAG和SPI 在線編程方式等。該芯片的豐富資源可以滿足節點數據處理和傳輸的要求，尤其是六種不同的睡眠模式，特別適合有能量限制的應用。
存儲器存放待處理或接收的數據．選用Mierochip公司的25AAl024。該芯片的存儲量為1024KB，功耗低，讀寫方式為SPI，占用10口少。節點索引號產生器選用MAXIM公司的DS2411，用來產生48位隨機數，作為節點的惟一標識號。
1．2 射頻模塊
射頻芯片的選取直接影響節點的功耗，因為節點消耗能量的近2／3都用于無線收發。選用的射頻芯片為NORDIC公司的nRF24L01。該芯片功耗低。在相同工作模式下，比Chipcon公司的CC2420芯片節省近l/3的能量；工作于2．4G～2．5GHz ISM頻段；支持高速跳頻；體積很小；外圍器件少，配置簡單，且使用兩層PCB板，節省成本。nRF24L0l配置框圖如圖2所示。
nRF24L01與微處理器相連只需6根信號線，其中4根是SPI信號線，與ATMELGAl28L的SPI口相連；其余一根為片選，另一根用于中斷請求。
射頻電路要取得好的RF性能，PCB設計必須合理。nRF24L01的供電電源必須經過良好的濾波，并且與數字電路分開；避免長距離走線；在射頻信號輸出部分，根據發送功率設置濾波網絡，以實現阻抗匹配，使到達天線的信號最強。要防止高頻信號泄漏，否則會對發射信號造成很大干擾。由于天線要散播電磁能量，需選用Q我較小的器件。制作PCB板時，在器件周圍覆銅，以提高抗干擾性能。
1．3 傳患器模塊和擴展口
板上設有一光敏電阻感應光信號，由于是模擬信號，需接入ATMELGAl28L的AD引腳進行AD轉換后才可處理。板上還裝有一數字型溫濕度傳感芯片SHT15，可感知溫度和濕度，精確度較高，且功耗低，采用I2C讀寫，占有IO口很少。
為了讓節點具有更廣泛的應用，節點板上接有擴展口，其中有I2C口、AD口和中斷口等，用來連接其他傳感器。
1．4 電源橫塊和電能消耗
節點有兩種供電方式，在實驗室調試和測試時通過開發板供電，在外界環境中工作時，用2個AA電池供電。為了防止2個電源之間的干擾，在板上加有一個手動開關。
因為電能的消耗決定了傳感器節點的使用壽命，在節點的軟、硬件設計時，必須充分考慮能源的有效性。節點在各種運行模式下，必須關閉不必要的模塊以節省能量。當通信采用節點定時關閉和打開的協議且關閉與打開的時間比為1：99時，使用2節1000毫安時(mAhr)的AA電池供電，節點耗能如表1所示。
在上述工作模式下，如果用2節1000mA-hr的AA電池供電，則節點壽命為12．55個月。此值是在最大發送功率情況下計算的。當發送功率和收發速率變小時，耗能更少，傳感器的壽命會更長。
2 開發板的硬件設計
開發板的硬件系統框圖如圖3所示。
節點CPU的JTAG口接在開發板上。如果使用JTAG口下載和調試程序，則需要JTAG下載器。為此，設計了另一種下載方式，即串行下載。CPU通過 USB口接收上位機的代碼，然后通過SPI口下載到節點CPU的FLASH。CPU為中心控制模塊，接收上位機的各種命令并進行相應處理。CPU芯片選用ATMEL公司的ATMELGAl6L，該芯片帶有可編程UART口和工作于主機，從機模式的SPI口。
USB轉換芯片實現上位機端的USB數據與下位機端的UART數據之間的轉換。選用芯片為FT232BM。由于編程板CPU、ATMELGAl28都要通過USB口與上位機通信，為了防止不同輸入輸出信號間的干擾，設計時用了兩個帶有使能控制的BUFFER來控制不同CPU串口通信的通斷。
為了更方便地配置傳感器節點，在板上集成了一塊E2PROM。目標代碼可以先存儲在EZPROM中。當需要向節點下載時，通過按鈕激發外部中斷即可將E2PROM的代碼通過SPI口寫入節點CPU。操作方便簡單，擺脫了上位機的限制。
節點連接器是17針的節點與開發板和擴展傳感器之間的接口，除了編程口和串口，還有連接傳感器的擴展口，包括I2C口、中斷口和AD口等。
節點CPU SPI編程共需4根信號線，其中3根SPI通信線與開發板CPU的SPI口相連，節點CPU的RESET信號 由開發板CPU的IO口控制即可。
3 開發板軟件設計
3．1 上位機程序設計
用C++ Builder 6.0編寫上位機程序，制作了用戶操作界面，并將不同編譯系統生成的多種目標文件格式轉換成上、下位機約定的文件格式，傳送給下位機。
為提高向ATMELGAl28L的FLASH和E2PROM寫代碼的效率和便于從E2PROM向FLASH寫代碼，上位機傳送給下位機的代碼采用圖4所示的格式。
圖4中，地址指該段代碼要寫入FLASH的初始地址，包括2字節的頁地址和l字節的頁內地址；序列號表示該段代碼是全部代碼中的第幾段；長度指該段代碼的字節數，不包括地址和序列號。每一地址段代碼都采用表2的格式。
上位機程序支持的目標文件格式有：TinyOS、AVRGCC和IAR生成的Intel hex文件。Intel hex是Intel公司提出的一種文件標準，是最常用的目標文件格式之一。上位機程序還支持TI(德州儀器)公司提出的msp430-txt格式，該格式及說明如表2所示。
上位機程序將不同編譯系統生成的不同格式的目標文件轉換成圖4所示的格式，再發給下位機。上位機操作界面提供了各種命令按鈕，用戶點擊命令按鈕后，上位機即按制定的該命令模式處理協議發送命令和數據。在傳送文件時，為確保數據傳送不出差錯，采用了停止-等待傳輸協議。上位機發送約定長度的數據后停止發送，等接收到下位機發來的確認標志后再開始發送。上位機總程序框圖如圖5所示。
3．2 下位機程序設計
下位機接收上位機的命令，完成讀寫FLASH、E2PROM、鎮定位、熔絲位和USB口使用權的切換等功能。由于實現的功能較多，采用了模塊化、自下向上的結構化設計方法。首先按照ATMELCAl28L數據手冊提供的SPI編程算法，用C語言實現了讀寫FLASH、鎖定位和熔絲位等模塊。
程序設計的一個難點是將接收的上位機發送的文件寫入FLASH或E2PROM，因為涉及到接收數據和寫FLASH或EZPROM的交互。解決方法是采用停止一等待傳輸協議進行數據傳送。下位機開辟約定數量的緩沖區，利用中斷接收上位機數據至緩沖區滿，處理完緩沖區數據后發送確認標志，上位機收到確認后再開始下一次發送。
按制定的協議寫ATMELGA128L的FIASH的流程圖如圖6所示。
寫EZPROM與寫FLASH類似，只是要將接收的地址、序列號、長度也寫入E2PROM。代碼在E2PROM中存放時仍保持表2所示的格式，即段初始地址、序列號、該段長度、數據的格式，以便將E2PROM中存儲的代碼寫入FLASH。
編寫下位機程序時，依據各模塊分別用子函數實現、模塊間接口清晰、主程序簡單的原則，實現了讀寫FLASH和E2PROM、讀寫鎖定位和鎖定位、從 E2PROM寫FLASH等幾大模塊，主函數接收到命令調用相應模塊即可。當按下中斷按鈕時，中斷程序先檢測FLASH連接，如果檢測成功，則調用從 E2PROM寫FLASH模塊；否則紅燈閃爍指示操作失敗。
使用本文設計的開發板對節點下載程序，程序運行正常，節點間通信狀態良好，且功耗低，實現了預計的功能并滿足性能要求。
從設計過程和使用可以看出，本開發系統具有以下優點：
(1)節點功耗低，體積小，射頻芯片靈敏度高；
(2)節點通用性好，可以連接多種傳感板；
(3)開發工具用戶界面友好，支持多種目標文件格式；
(4)代碼可存儲在E2PROM中，需要下載時按下按鈕便寫入FLASH，配置節點方便。
本文所設計的傳感器開發系統便于研究者做更深入的實踐研究，推動了傳感器更廣泛的應用。
本文介紹了一種無線傳感器開發系統的設計方法．包括節點和開發板。節點具有功耗低、通用性好的特點，帶有多種傳感器，可以感知溫度、濕度和光等，并帶有擴展口。開發板用于配置節點和下載程序。開發板具有友好的上位機用戶界面，并支持多種編譯系統生成的不同目標文件格式。
1 節點的硬件設計
傳感器節點的硬件結構主要由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊組成。傳感器節點一般采用電池供電，由于節點放置在危險或不易到達的區域，更換電池幾乎是不可能，因此節能成為設計的關鍵技術，此外，還要控制成本和體積。設計的節點硬件框圖如圖1所示。
1．1 微處理器模塊
微處理器選用ATME
L公司的ATMELGAl28L。該芯片功耗低，且有多種睡眠模式；多個中斷源，53個10口，可以連接多個傳感器擴展口；內帶8路 10位A／D轉換器，可以將傳感器送來的模擬信號轉換為數據信號；雙向I2C串行總線接口；主/從SPI串行接口；可編程串行通信接口；JTAG和SPI 在線編程方式等。該芯片的豐富資源可以滿足節點數據處理和傳輸的要求，尤其是六種不同的睡眠模式，特別適合有能量限制的應用。
存儲器存放待處理或接收的數據．選用Mierochip公司的25AAl024。該芯片的存儲量為1024KB，功耗低，讀寫方式為SPI，占用10口少。節點索引號產生器選用MAXIM公司的DS2411，用來產生48位隨機數，作為節點的惟一標識號。
1．2 射頻模塊
射頻芯片的選取直接影響節點的功耗，因為節點消耗能量的近2／3都用于無線收發。選用的射頻芯片為NORDIC公司的nRF24L01。該芯片功耗低。在相同工作模式下，比Chipcon公司的CC2420芯片節省近l/3的能量；工作于2．4G～2．5GHz ISM頻段；支持高速跳頻；體積很小；外圍器件少，配置簡單，且使用兩層PCB板，節省成本。nRF24L0l配置框圖如圖2所示。
nRF24L01與微處理器相連只需6根信號線，其中4根是SPI信號線，與ATMELGAl28L的SPI口相連；其余一根為片選，另一根用于中斷請求。
射頻電路要取得好的RF性能，PCB設計必須合理。nRF24L01的供電電源必須經過良好的濾波，并且與數字電路分開；避免長距離走線；在射頻信號輸出部分，根據發送功率設置濾波網絡，以實現阻抗匹配，使到達天線的信號最強。要防止高頻信號泄漏，否則會對發射信號造成很大干擾。由于天線要散播電磁能量，需選用Q我較小的器件。制作PCB板時，在器件周圍覆銅，以提高抗干擾性能。
1．3 傳患器模塊和擴展口
板上設有一光敏電阻感應光信號，由于是模擬信號，需接入ATMELGAl28L的AD引腳進行AD轉換后才可處理。板上還裝有一數字型溫濕度傳感芯片SHT15，可感知溫度和濕度，精確度較高，且功耗低，采用I2C讀寫，占有IO口很少。
為了讓節點具有更廣泛的應用，節點板上接有擴展口，其中有I2C口、AD口和中斷口等，用來連接其他傳感器。
1．4 電源橫塊和電能消耗
節點有兩種供電方式，在實驗室調試和測試時通過開發板供電，在外界環境中工作時，用2個AA電池供電。為了防止2個電源之間的干擾，在板上加有一個手動開關。
因為電能的消耗決定了傳感器節點的使用壽命，在節點的軟、硬件設計時，必須充分考慮能源的有效性。節點在各種運行模式下，必須關閉不必要的模塊以節省能量。當通信采用節點定時關閉和打開的協議且關閉與打開的時間比為1：99時，使用2節1000毫安時(mAhr)的AA電池供電，節點耗能如表1所示。
在上述工作模式下，如果用2節1000mA-hr的AA電池供電，則節點壽命為12．55個月。此值是在最大發送功率情況下計算的。當發送功率和收發速率變小時，耗能更少，傳感器的壽命會更長。
2 開發板的硬件設計
開發板的硬件系統框圖如圖3所示。
節點CPU的JTAG口接在開發板上。如果使用JTAG口下載和調試程序，則需要JTAG下載器。為此，設計了另一種下載方式，即串行下載。CPU通過 USB口接收上位機的代碼，然后通過SPI口下載到節點CPU的FLASH。CPU為中心控制模塊，接收上位機的各種命令并進行相應處理。CPU芯片選用ATMEL公司的ATMELGAl6L，該芯片帶有可編程UART口和工作于主機，從機模式的SPI口。
USB轉換芯片實現上位機端的USB數據與下位機端的UART數據之間的轉換。選用芯片為FT232BM。由于編程板CPU、ATMELGAl28都要通過USB口與上位機通信，為了防止不同輸入輸出信號間的干擾，設計時用了兩個帶有使能控制的BUFFER來控制不同CPU串口通信的通斷。
為了更方便地配置傳感器節點，在板上集成了一塊E2PROM。目標代碼可以先存儲在EZPROM中。當需要向節點下載時，通過按鈕激發外部中斷即可將E2PROM的代碼通過SPI口寫入節點CPU。操作方便簡單，擺脫了上位機的限制。
節點連接器是17針的節點與開發板和擴展傳感器之間的接口，除了編程口和串口，還有連接傳感器的擴展口，包括I2C口、中斷口和AD口等。
節點CPU SPI編程共需4根信號線，其中3根SPI通信線與開發板CPU的SPI口相連，節點CPU的RESET信號 由開發板CPU的IO口控制即可。
3 開發板軟件設計
3．1 上位機程序設計
用C++ Builder 6.0編寫上位機程序，制作了用戶操作界面，并將不同編譯系統生成的多種目標文件格式轉換成上、下位機約定的文件格式，傳送給下位機。
為提高向ATMELGAl28L的FLASH和E2PROM寫代碼的效率和便于從E2PROM向FLASH寫代碼，上位機傳送給下位機的代碼采用圖4所示的格式。
圖4中，地址指該段代碼要寫入FLASH的初始地址，包括2字節的頁地址和l字節的頁內地址；序列號表示該段代碼是全部代碼中的第幾段；長度指該段代碼的字節數，不包括地址和序列號。每一地址段代碼都采用表2的格式。
上位機程序支持的目標文件格式有：TinyOS、AVRGCC和IAR生成的Intel hex文件。Intel hex是Intel公司提出的一種文件標準，是最常用的目標文件格式之一。上位機程序還支持TI(德州儀器)公司提出的msp430-txt格式，該格式及說明如表2所示。
上位機程序將不同編譯系統生成的不同格式的目標文件轉換成圖4所示的格式，再發給下位機。上位機操作界面提供了各種命令按鈕，用戶點擊命令按鈕后，上位機即按制定的該命令模式處理協議發送命令和數據。在傳送文件時，為確保數據傳送不出差錯，采用了停止-等待傳輸協議。上位機發送約定長度的數據后停止發送，等接收到下位機發來的確認標志后再開始發送。上位機總程序框圖如圖5所示。
3．2 下位機程序設計
下位機接收上位機的命令，完成讀寫FLASH、E2PROM、鎮定位、熔絲位和USB口使用權的切換等功能。由于實現的功能較多，采用了模塊化、自下向上的結構化設計方法。首先按照ATMELCAl28L數據手冊提供的SPI編程算法，用C語言實現了讀寫FLASH、鎖定位和熔絲位等模塊。
程序設計的一個難點是將接收的上位機發送的文件寫入FLASH或E2PROM，因為涉及到接收數據和寫FLASH或EZPROM的交互。解決方法是采用停止一等待傳輸協議進行數據傳送。下位機開辟約定數量的緩沖區，利用中斷接收上位機數據至緩沖區滿，處理完緩沖區數據后發送確認標志，上位機收到確認后再開始下一次發送。
按制定的協議寫ATMELGA128L的FIASH的流程圖如圖6所示。
寫EZPROM與寫FLASH類似，只是要將接收的地址、序列號、長度也寫入E2PROM。代碼在E2PROM中存放時仍保持表2所示的格式，即段初始地址、序列號、該段長度、數據的格式，以便將E2PROM中存儲的代碼寫入FLASH。
編寫下位機程序時，依據各模塊分別用子函數實現、模塊間接口清晰、主程序簡單的原則，實現了讀寫FLASH和E2PROM、讀寫鎖定位和鎖定位、從 E2PROM寫FLASH等幾大模塊，主函數接收到命令調用相應模塊即可。當按下中斷按鈕時，中斷程序先檢測FLASH連接，如果檢測成功，則調用從 E2PROM寫FLASH模塊；否則紅燈閃爍指示操作失敗。
使用本文設計的開發板對節點下載程序，程序運行正常，節點間通信狀態良好，且功耗低，實現了預計的功能并滿足性能要求。
從設計過程和使用可以看出，本開發系統具有以下優點：
(1)節點功耗低，體積小，射頻芯片靈敏度高；
(2)節點通用性好，可以連接多種傳感板；
(3)開發工具用戶界面友好，支持多種目標文件格式；
(4)代碼可存儲在E2PROM中，需要下載時按下按鈕便寫入FLASH，配置節點方便。
本文所設計的傳感器開發系統便于研究者做更深入的實踐研究，推動了傳感器更廣泛的應用。
