一种无线传感器硬件系统设计

叶天凤，叶梦君，胡长晖*，万里光

(1湖北理工学院电气与电子信息工程学院，湖北黄石435003;2湖北师范学院机电与控制工程学院，湖北黄石435002)

0 引言

无线传感器网络集成传感器技术、计算机技术、通信技术、自动化技术等多种技术，是由大量静止或移动的传感器自组织和多跳方式构成的无线网络［1］，已广泛应用于社会生产实践中，越来越受到人们的重视。

本文提出了一种近距离无线传感器网络系统，目的是为了实现近距离范围内多节点的数据通信，将采集的数据信号传输给监控中心处理。重点介绍了这种无线传感器系统的硬件系统设计。

1 无线传感器系统的网络结构

近距离无线传感器系统的总体结构图如图1所示。

图1 近距离无线传感器系统的总体结构

该系统通过无线发送模块，将数据传输给无线接收模块，接收模块通过嵌入式USB 接口将数据传输给主机，数据在主机中通过虚拟示波器系统显示、处理。

2 数据采集模块硬件系统设计

2.1 数据采集模块硬件设计

数据采集模块硬件结构图如图2所示。8位单片机P89C58X2FN 为采集模块的主控制器，它具有功耗低、性能高的优点，比较适合嵌入式产品开发［2］。与该主控器连接的ADC 为MAX1247，用来实现数据采集，无线数据发送模块NRF24L01 实现数据的发送。

图2 数据采集模块硬件结构图

2.2 MAX1247 与P89C58X2FN 硬件连接设计

MAX1247 与P89C58X2FN 硬件连接图如图3所示，数据采集模块采用的ADC 是Maxim公司的MAX1247，其精度为12 位，可同时接入的模拟信号为4 路，同时其片上集成了SPI主从机模块［3］。

图3 MAX1247 与P89C58X2FN 硬件连接图

转换数据为同步串行输出，其中SPI 模块的时钟端SCLK、数据输入端DIN、数据输出端DOUT 分别连接主控制P89C58X2FN 的P1.0、P1.2、P1.3。由于主控制片上没有集成SPI 模块，所以主控制通过软件模拟MAX1247 时序方式(时钟由SCLK 端输入)，实现数模转换芯片的控制字写入和数据读出。MAX1247 通过从DIN端写入的控制字来实现不同模拟通道及模拟量极性等相关信息的选择。另外12 位精度的数字量由高到低依次按位从DOUT 端输出。

2.3 NRF24L01 与P89C58X2FN 硬件连接设计

NRF24L01 与P89C58X2FN 硬件连接图如图4所示。NRF24L01 是NORDIC 公司的产品，该芯片工作在2.4～2.5 GHz 的ISM 频段，同时具备无线接收和发送数据的功能，数据传输速率高达2 Mbps［4］，能满足多点通信的需要，适合与各种单片机连接。

图4 NRF24L01 与P89C58X2FN 硬件连接图

无线发送模块NRF24L01 的时钟端SCK、数据输入端MOSI、数据输出端MISO 分别连接主控制P89C58X2FN 的P0.1、P0.2、P0.3。主控制通过软件模拟SPI 时序方式(时钟由SCK端输入)，实现NRF24L01 的各种控制命令和数据的写入和读出。NRF24L01 的命令和数据从MOSI 端输入，从MISO 端输出。CE 为使能发送和接收端，CE 为高电平时，启动发射/接收模式。发送模式时将寄存器PRIM_RX 置低，接收模式时将寄存器PRIM_RX 置高。

数据采集模块的工作原理是:当数据采集模块接收到主机的数据采集命令后，从主机接收采集节点地址，通过中断方式采集相应节点的数据，每次采集30 字节数据，然后进行数据打包，即给数据包加上2 字节的包头，该2 字节包头的首字节表示节点地址，次字节表示数据包的序号。形成32 字节的数据包后，将数据包写入无线数据发送模块NRF24L01，再通过无线通信网络发送给数据接收模块。

3 数据接收模块硬件系统设计

3.1 数据接收模块硬件设计

数据接收模块硬件原理图如图5所示，其主控制器也采用P89C58X2FN，它与无线数据接收模块NRF24L01 的硬件连接关系和数据采集模块中的类似，只是将NRF24L01 的工作模式设置为接收。

图5 数据接收模块硬件结构图

3.2 PDIUSBD12 与P89C58X2FN 硬件连接设计

PDIUSBD12 与P89C58X2FN 硬件连接图如图6所示。PDIUBD12 的数据端口D0 与主控制的P0 口连接，实现并行数据传输。写控制端口WR_N 和RD_N 与主控制的读写控制端口WR_N 和RD_N 连接，地址/数据端口A0与主控制的P2.7 连接，中断输出端口IN_N与主控制的外部中断端口INT0 连接，线片端CS_N 与主控制的P3.5 连接。PDIUSBD12 具有独立的时钟电路。主控制的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 连接无线接收模块NRF24L01 的SCK、MISO、MOSI、CE 端。

图6 PDIUSBD12 与P89C58X2FN 硬件连接图

4 系统软件设计

无线传感器系统软件流程图如图7所示，其中虚线表示无线通信方式，包括数据采集，无线发送、接收，数据处理，详细的软件流程及其工作原理请查阅文献［5］。

图7 无线传感器系统软件流程图

5 系统测试

基于Lab Windows CVI7.0 开发了虚拟示波器系统，该系统的主要功能是显示采集的传感器节点的数据。系统测试时，将正弦波的信号作为节点输入信号，测试效果如图8所示。

图8 虚拟示波器显示节点正弦波图

本系统的最高采样频率为13 kHz，USB 接口的传输速度为2 Mbps，因此系统可同时接入多个节点，能够很好地满足一般数据的检测和实时采样的要求。

本文对近距离无线传感器系统的硬件设计作了详细介绍，另外从本系统的组网方式来看，它较适用于通信距离要求不高的领域。由于此系统具有组网简单、成本较低、应用稳定、扩展性强及易于实现等特点，尤其是硬件设计性价比极高，因此可以广泛地推广使用。

［1］Akyildiz I F，W Su Y，Sankarasubranma－niam，et al.A survey on sensor networks［J］.IEEE Communications Magazine，2002:102－114.

［2］熊健民，胡长晖，宋庭新.USB 数据采集卡的研制［J］.湖北工业大学学报，2007，22(3):6－9.

［3］胡长晖，叶梦君.新型便携式数据采集检测系统的实现［J］.微型机与应用，2011，30(4):107－109.

［4］胡长晖，叶梦君.基于GPRS 和广域IP 的数据采集系统设计［J］.信息技术，2011(2):93－95.

［5］叶天凤，胡长晖，叶梦君，等.一种近距离无线传感器系统的设计［J］.信息技术，2012，30(4):26－28.