声传感器网络节点的硬件系统设计

引 言

随着传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术以及微机电技术的不断发展，出现了一种新型的网络技术无线传感器网络技术。无线传感器网络能够通过集成在网络节点上的各类微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户。本文主要介绍声传感器网络节点硬件系统的设计。

1 声传感器网络结构

如图1所示，声传感器网络结构通常包括声传感器节点、汇聚节点和后台监控设备等。

声传感器节点主要负责网络的形成、数据的采集，并将数据通过多跳传输到汇聚节点。汇聚节点是无线传感器网络的中心节点，负责网络的发起、拓扑的形成与维护、网络数据的汇集与处理，以及与后台监控设备的通信与信息交互。后台监控设备负责数据的处理、网络拓扑的控制、网络的监护。为了感知监测区域内的声音信息，可以通过人工布撒的方式把一定数量的声传感器节点部署在监测区域内，声传感器节点之间或者声传感器节点与汇聚节点之间就能够自动形成一个自组织、多跳的网络。声传感器节点周期性或者触发式地采集声音数据并与周围的节点进行数据交换，将数据及时地通过自适应的路由，多跳中继后传输给汇聚节点；汇聚节点将汇集的数据通过北斗通信模块转发给后台监控设备，实现监测区域内声音信息的上传。

2 声传感器节点硬件系统

声传感器节点由主控芯片AT91SAM7S256单片机、射频芯片CC1100、串口电压转换芯片MAX3232，以及电源、声传感器、GPS与北斗、各种控制器组成。其硬件系统框图如图2所示。系统以低功耗为设计目标，所以硬件设计上均采用了同类产品中功耗最低或者较低的产品，以保证系统长时间的监测工作。

声传感器节点硬件系统采用模块化的设计思想进行设计，下面介绍具体模块。

2．1 处理器模块

本设计采用以AT91SAM7S256为核心的处理器模块。AT91SAM7S256是Atmel 公司32位ARM RISC处理器Ar91SAM7S系列中的一员。它片内集成了256KB的Flash和64 KB的SRAM，充足的存储空间可以保证数据采集和传送协议的正常运行，方便程序的设计与实现；丰富的外设包括串口、SPI、I2C和USB等；工作温度范围为-40～+85℃；具有中断唤醒功能，可以通过中断使单片机从休眠模式转为活动模式。

因此，AT91SAM7S256完全能够满足无线传感器网络的设计要求。处理器模块框图如图3所示。

2．2 无线射频模块

本设计中无线射频模块选用Chipcon公司生产的无线射频芯片CC1100来实现。 CC1100是一款真正的低成本、低功耗、单片的UHF无线收发器；工作电压为1．8～3．6 V；工作频段灵活，可以设定在315／433／868／915 MHz的ISM和RSD频段，其数据传输率最高可达500 kb／s；输出功率多级可调，可以选择多种调试方式。此外，CC1100还具有许多其他功能：数据的自动组包与拆包、独立的发送／接收FIFO、空闲信道评估功能、自动唤醒功能、RSSI功能、自动的前向纠错(FEC)、交织以及白化功能。CC1100与AT91SAM7S256的通信是通过SPI总线来实现的。无线射频模块电路如图4所示。

作者：陆忠实,沈军,罗护,胡博 桂林空军学院   来源：单片机与嵌入式系统