一种低成本无线传感器网络节点的设计

摘  要： 基于PIC低功耗单片机与MEMS加速度传感器，设计了一种低成本的无线传感器网络节点。该设计采用性价比较高的PIC16系列单片机，软件模拟PT2262遥控编码器，配合I2C接口加速度传感器、微型高频发射器件，实现了通用MCU无线传感器的节点方案，省去了昂贵的专用RF芯片，降低了系统成本。节点整体采用3.3 V单节锂电池供电。实验结果表明，该方案具有可靠、灵活、低功耗、低成本的特点，可广泛应用于低速实时测量、监控防盗等场合。
关键词： PIC单片机；加速度传感器；无线网络；EM310
   　目前有多种可供选择的无线组网方案，如ZigBee，其具有功耗低、传输速率高、体积小、协议成熟、节点能够协同工作等特点。但ZigBee由于采用国外技术，其芯片价格高，限制了它的普及应用。PT2262/PT2272系列编解码芯片是一种采用CMOS工艺、低功耗、低价位芯片，在遥控门、防盗、玩具等产品中大量使用，但其在数据传输、安全性等方面有所不足。本文利用PIC16LF876单片机模仿PT2262编码方式，并进行了改进，配合433 MHz高频发射电路，实现了数据的无线传输组网。传感器选用具有数字I2C接口的双轴加速度传感器MX6202，可以无线采集加速度、倾斜角数值，具有接口简单、体积小、价格低的优点。无线节点部分均选用低电压器件，实现了单节锂电池供电。特别适合网点数量庞大、对成本敏感(如家居、防盗、物联网等)场合的应用。
1 无线传感器系统设计方案
　无线传感器系统包括传感器节点与网关两部分。传感器节点负责实地数据采集，网关负责接收各节点数据，汇总处理后经GSM/GPRS网络通知用户。本文重点介绍传感器节点，给出了软硬件实现方法。无线传感器系统组成如图1所示。其中无线传感器节点中的虚线框为扩展部分，F05V与J05U为微型433M发射接收模块；无线网关部分负责汇总节点信息与外界通信，采用EM310模块，GSM/GPRS传输。
   
   　传感器网络采用星形连接方式，由各无线节点与网关组成。在大部分场合下(如防盗、环境监测等)可以采用单向通信方式，即节点发射、网关接收，这样，图1中的虚线部中的节点的超外差接收电路、网关的RF发射电路即可以省去。当需要实时采集、强调同步性时，加上虚线框内部分，由网关集中控制各节点动作，通过发采集或变更工作模式指令，控制各节点，采用双向通信方案。本文介绍的为单向通信方案。
　传感器节点是系统的重要部分，负责现场采集工作，其工作稳定与否对整个系统具有至关重要的作用。而当节点数量较多时，它的成本占系统的绝大部分。有许多节点需要独立在室外工作并由电池供电，对能耗有较高的要求。为此，本设计通过PIC单片机模拟PT2262芯片编码，对433 MHz高频电路完成键控调制(ASK)，省去了无线收发芯片，实现了通用MCU+传感器的节点方案，大大降低了系统成本。采用的PIC超低功耗MCU，具有与MSP430相似的节能特性，选用低电压RF模块F05V，实现了系统的3.3 V供电。
2 无线传感器节点设计
2.1 节点硬件电路设计
　无线传感器节点是本文的重点部分，需要满足低成本、低功耗、小体积、适合电池供电等要求。无线节点方案比较如表1所示。
   
   　(1)本节点设计时所用器件及其性能：选用的PIC16LF876单片机，其性价比较高、外设丰富、工作稳定，具有针对电池供电的低功耗系列；最高速率为4 MIPS，工作电压为2~5.5 V，22个I/O口，片上集成有WDT、CCP、PWM、A/D等外设，14 KB Flash，368 bit RAM、256 bit EEPROM，具有休眠省电模式。PIC16系列单片机不同型号之间大部分可兼容，可以根据需要，选用价格更低的PIC16F72或采用纳瓦(nW)及超低功耗技术的PIC16F723，程序稍作改动，器件即可封装兼容。
　(2)加速度传感器选用数字I2C接口的双轴加速度传感器MXC6202，其具有±2 g的测量范围，可以测量重力加速度，小体积、低功耗、接口简单，工作电压范围为2.7~3.6 V，有休眠模式，在保证低价格、小体积的同时，可以满足防盗、人体姿态测量等应用的需求。
　(3)RF电路采用F05V微型发射模块，具有2.1~3.5 V的低电压、低功耗(10 mA，连发)及1~10 kb/s的传输速率，可以满足监控等场合数据采集的需要。小体积、低价位，只有正电源、地、数据输入、天线(天线按照手册由导线绕制而成)输出4个接口，可以像一个三极管一样使用它。
　(4)网关配套的接收电路是J05U超外差接收模块，具有与F05V类似的特点。使用PT2262/PT2272编解码方案，开阔地接收距离在300 m左右。
　(5)无线节点采用的是电池供电的方式，因此，电池的好坏对整个系统的工作持久性有重要影响。本设计采用的是非充电性18650高容量锂电池，电压为3.7 V，容量在1 700 mah以上，具有涓流放电、电压恒定等特点。经肖特基二极管降压后得到约3.3 V电压为系统供电。
节点的硬件原理图如图2所示。