东南大学无线电工程系 邓伟

    1 引言

    无线传感网络广泛应用于军事侦察、环境监测、目标定位等领域。一般来说,无线传感网络节点的设计要求具有功耗低、成本低、寿命长等特点。本文以atmega16 avr单片机为核心元件,以常见的315射频模块作为无线收发模块设计了一种无线传感网络节点。该系统充分利用了atmega16单片机丰富的片上资源和315模块较好的抗干扰特性,并可在达到设计要求的前提下,有效地降低硬件成本,具有较高的实用价值。

    2 无线传感网络节点系统结构

    无线传感网络节点通常由4个子系统构成,其系统框图如图l所示。

    2.1 计算子系统

    计算子系统通常是由一个微处理器和相应的通信协议、数据采集等程序组成。为了降低节点的功耗,要求微处理器以一种突发式的发送方案将采集到的数据发送出去,以便尽快转入低功耗模式,延长能量子系统的工作时问。

    设计选用了atmel公司推出的atmega16型单片机。atmega16是一款基于avr risc结构的高级flash型8位cmos单片机,其数据吞吐量高达1mi/s/mhz，能有效缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。同时，atmega16集成了丰富的片上资源：16 kb的可编程flash、512字节eeprom、l kbsram,满足了绝大多数应用程序的开发要求,其内部flash可重复擦写次数在10 000次以上,极大地方便了产品开发和软件修改:8路10位具有可选差分输入级可编程增益的adc可以外接多个不同种类的传感器件:支持6种睡眠模式,其中掉电模式和省电模式的耗电仅为lμa～2.5μa,可有效降低节点功耗;3个灵活的定时器/计数器(t/c)除具有常见的定时计数功能外,还具有输入脉冲捕捉、脉冲宽度调制输出功能:高度灵活的可编程串行us-art可以完成与其他串行设备的通信。

    2.2 通信子系统

    通信子系统由一个无线收发器组成,用于节点之间的通信。当无线收发器处于空闲状态时,应将其关闭,以便降低节点功耗。

    设计采用了常见的315无线收发模块作为长距离无线收发器(因收发频率为315 mhz而得名)。315无线发射模块电路原理图如图2所示,它是由声表谐振器(saw)和高频三极管组成的三点式振荡电路。txd输入引脚通过三极管q2控制高频振荡器。当txd为高电平时,02导通,高频振荡器起振;当txd为低电平时,q2截止,高频振荡器停振。将atmegal6的oc0引脚与txd连接,即可完成oc0输出数据的ook调制发射。

    315无线超再生式接收电路由选频电路、高频放大电路、超再生检波电路和低频放大电路组成。它具有电路简单、灵敏度高等优点。发送调制信号经过选频电路选频后,送人超再生检波电路解调．再由低频放大电路放大后由输出引脚输出高电平。若无信号收到,则输出低电平。由超再生检波电路的特性可知,超再生式接收模块在没有收到信号的几毫秒后输出大量白噪声,直到再次接收到信号。

    315无线收发模块的最大传输距离可以达到700 m～800 m。它在星形混合传感网络设计中可作为远距离传输节点，可以直接同汇聚节点通信,避免了短距离无线传感节点同汇聚节点多跳式的通信方式。延长了传感器网络的寿命。同时它还具有成本低廉、接口简单、抗干扰能力强等优点,因而广泛应用在报警器、遥控器、工业数据采集系统中。图3是315无线收发模块与atmega16的接口示意图。

    2.3 能量子系统

    能量子系统通常是由电池组成。它在很大程度上决定了无线传感节点的寿命。降低无线传感节点的功耗是无线传感网络设计成功的一个关键因素。