第15卷第6期2008年12月
工牙齿模型
Journal of E ngineering Design
Vol.15No.6Dec.2008
收稿日期:2008203215.
基金项目：河南省教育厅自然科学基金资助项目(2008A510009)；河南理工大学自然科学青年基金资助项目(646156).
作者简介：倪水平(1977—
)，男，湖北黄冈人，讲师，博士，从事模式识别与智能系统研究,E 2mail :nishuiping @126.DOI :10.3785/j.issn.10062754X.2008.06.007
倪水平1，孙秋萍2，陈素霞1
(1.河南理工大学计算机科学与技术学院，河南焦作454000;2.黄河水利职业技术学院，河南开封475001)
摘 要：将无线传感器网络技术融入智能家居系统中，设计合理的网络节点成为智能家居系统的核心问题.在分析无线传感器网络节点结构基础上，提出以DSP 芯片TMS320F206为处理器、A T86RF230为无线通信芯片的无线传感器网络节点.充分考虑节能和扩展性的需求，采用节点定时打开与关闭的协议且打开与关闭的时间比为 1∶99.试验表明该无线网络节点能满足低功耗、长传输距离、准确定位、抗干扰的要求.
关键词：无线传感器网络;TMS320F206;A T86RF230；智能家居
中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:10062754X (2008)0620422204
Design of wireless network node of smart ho me based on DSP
N I Shui 2ping 1,SUN Qiu 2ping 2,C H EN Su 2xia 1
(1.School of Computer Science &Technology ,Henan Polytechnic University ,Jiaozuo 454000,China ;
2.Yellow River Conservancy Technical Institute ,Kaifeng 475001,China )
Abstract :By applying wireless sensor network technology to smart home system ,design of a ra 2tional network node is t he key problem in smart home system.Based on t he analysis of t he archi 2tect ure of wireless sensor networks nodes ,wireless sensor networks nodes using DSP chip TMS320F206microcont roller and A T86RF230t ransceiver are proposed.Co nsidering t he de 2mands of energy saving and extensibility ,a protocol of timely opening and clo sing is utilized and t he time p roportion is 1∶99.The wireless network node can satisfy t he requirement s of low 2power consumption ,long t ransmitting distance ,accurate localization and interference 2resistance.K ey w ords :wireless sensor network ;TMS320F206;A T86RF230;smart home
无线传感器网络是将大量低成本、低功耗的微型无线传感器布置到感兴趣的区域，传感器通过自组织快速形成一种分布式网络，其在军事和民用领域都具有广阔的应用前景[1].与其他的有线网络相比，无线传感器网络具有能耗小、软硬件资源需求少、传感器数量众多等显著特点[2].
随着无线传感器网络的发展，无线智能家居系统将成为网络深入家庭的主流之一.智能家居无线网络[324]主要由若干无线传感器节点、无线执行机构、家居无线控制中心组成.其中：节点负责被监测区域内的数据采集、处理和通信工作；无线执行机构负责启动声光报警、摄像监控、调节室内温度等功
能；家居无线控制中心负责处理、转发来自无线传感
器节点的信息，并且与互联网连接进行远程控制.
1 节点的硬件设计
无线传感器节点是智能家居无线网络中最基本的单元，其功能是负责传感和对信息预处理，响应监控主机的指令发送数据.传感器节点[5]主要由4个系统组成：微处理器构成的计算子系统、能量供应子系统、通信子系统(短距离无线收发电路)和传感子系统(由一组传感器和激励装置构成).节点在网络中主要充当数据采集者、数据中转站的角.传感器节点一般采用电池供电，节能成为设计的关键技术,
一般要保证节点电池寿命在半年以上.此外，还要控制成本和体积.设计的无线网络节点硬件结构如图1所示
.
图1 无线网络节点硬件结构图
Fig.1 Hardware structure of wireless network node
1.1 微处理器模块
微处理器选用TI 公司生产的TMS320F206[6].
该芯片有1条程序总线和3条数据总线，采用了改进的哈佛结构，管理流水线操作、状态寄存器相当迅速，且内含高度并行的32位算术逻辑单元、16×16位并行硬件乘法器、片内存储器、片内外设，并配备了高度专业化的指令集，而且功耗相当低，具有多种睡眠模式；有多个中断源，可以连接多个传感器扩展口；内带A/D 转换器，可以将传感器送来的模拟信号转换为数字信号；双向I2C 串行总线接口；主/从SPI 串行接口；可编程串行通信接口;J TA G 和SPI 在线编程方式等.该芯片的丰富资源可以满足节点数据处理和传输的要求，尤其是多种不同的睡眠模式，特别适合有能量限制的情况.
存储器存放待处理或接收的数据，选用Silicon Storage Technology 公司的高速Flash 芯片28SF040.该芯片的存储量为512kB ，功耗低，读写方式为SPI ，占用I/O 口少.节点索引号产生器选用MAXIM 公司的DS2411，用来产生48位随机数，作
为节点的惟一标识号.1.2 射频模块
射频芯片的选取直接影响节点的功耗，因为节点消耗能量的近2/3都用于无线收发.A T86RF230是At mel 公司于2007年2月新推出的一款基于ZigBee 设计的低功率214GHz 无线收发芯片.A T86RF230芯片集成了除天线、晶振和去耦电容以外的所有标准射频单元.单片射频收发芯片为天线和微控制器之间提供了完整的无线接口.它由模拟无线模块，含有时间和频率同步及数据缓冲的数字调制模块组成.外围电路只需天线、晶振和4个去耦合电容，以达到最简.其芯片配置框图如图2所示.双向的天线引脚可供发送和接收模块使用，无需
天线转换装置.芯片工作于214～215GHz ISM 频段；支持高速跳频；体积很小；外围器件少，配置简单，且使用两层PCB 板，节省成本
.
图2 AT 86RF230芯片配置框图
Fig.2 Configuration diagram of A T86RF230chip
A T86RF230与微处理器相连只需6根信号
线，其中4根是SPI 信号线，与TMS320F206的SPI 口相连，其余1根为片选，另1根用于中断请求.1.3 传感器模块和扩展口
此单元的主要硬件部分为传感器，传感器模块是传感器节点体系结构中真正和外部信号量接触的模块，一般包括传感器探头和变送系统两部分，探头采集需要传感的图像、音频、报警等模拟量信息，将其送入变送系统，后者将上述物理量转化为系统可以识别的原始电信号，然后经过积分、放大电路处理，最后经ADC 转换成数字信号送入处理器.本系统采用低功耗数字温度传感器AD7416ARM 和CCD 图像传感器TCD103D ，可实时监控家庭情况.传感器采用I2C 总线读写，占有I/O 口很少.为了让节点具有更广泛的应用，同时在节点板上接有扩展口，其中有I2C 口、AD 口和中断口等，用来连接其他传感器.
1.4 电源模块和电能消耗
电能是传感器网络最珍贵的资源，它决定了传感器网络的寿命.节点的电能一旦耗尽，即退出网络，由剩下的节点再重新组网.因此节点的电源管理非常重要.电池采用Panasonic 公司的CR2054.CR2054储存了560mAh 的电能，且体积较小.
因为电能的消耗决定了传感器节点的使用寿命，在节点的软、硬件设计时，必须充分考虑能源的有效性.节点在各种运行模式下，必须关闭不必要的模块以节省能量.采用节点定时关闭和打开的协议[728]且关闭与打开的时间比为1∶99，同时采用了CSMA 2CA 技术来避免数据发送时的竞争和冲突，减少不必要的能量消耗.使用2节CR2054电池供电，节点耗能如表1所示.
・
324・ 第6期 倪水平，等：基于DSP 的智能家居无线网络节点的设计
表1 节点耗能表
Table 1 Energy consumption table of node
模块
状态电流消耗周期
TMS320F206睡眠状态9粉末冶金材料
μA 99TMS320F206工作状态10mA
1A T86RF230睡眠状态018
μA 99A T86RF230
接收状态(1000kbps )
1210mA 015A T86RF230发送状态(0dBm ,1000kbps )1114mA
01525AA1024睡眠状态019
μA 9916
25AA1024读/写9mA/5mA 012/012TCD103D 睡眠状态011599TCD103D
工作状态
91
每小时耗能
012516mA
贫困大学生问题调查在上述工作模式下，经计算节点寿命为6119个月.此值是在最大发送功率情况下计算的.当发送功率和收发速率变小时[9]，耗能更少，传感器的寿命会更长.
图3 发送程序流程图
Fig.3 The flowchart of sending procedure
2 软件设计
软件设计是无线传感器节点设计的灵魂，本程序采用Visual C ++610编写.程序按功能包括主调度函数、模块初始化程序、系统状态处理程序和上层接口程序.主调度函数负责协调各模块工作、进行中断处理和调度其他模块运行.初始化函数完成TMS320F206,A T86RF230和相关组件的初始化.
上层接口程序负责协议栈和其他应用程序提供底层
调度接口，通过上层接口状态标识产生软件中断.系
统状态处理程序依据TMS320F206的工作状态将
系统分为闲置模式、工作模式、唤醒模式、省电模式和空闲模式五种状态.
按照硬件设计，系统软件编程的基本思路是先对各个接口进行初始化，开启接收机后，就可以运行任务程序，实现接收或发送数据.发送和接收程序流程图如图3和图4所示.
图4 接收程序流程图
Fig.4 The flowchart of receiving procedure
3 关键技术设计
s40系统>三宽四有
3.1 抗高频干扰措施[10]
A T86RF230射频电路工作在214～215GHz
高频率工作频段，抗干扰设计直接关系到RF 性能和整个网络节点的运转情况.在设计PCB 板布线时
需要考虑以下几点：一是A T86RF230的供电电源必须经过良好的滤波，并且与数字电路分开；二是无线通信部分电路没有用作布线的面积均需用铜填充并连接到地，以提供RF 屏蔽达到有效抗干扰的目的；三是A T86RF230芯片底部应接地：为了降低延迟、减少串扰，确保高频信号的传输，要使用
多个接地过孔将A T86RF230芯片底部和地层相连；四是尽可能地减少串扰，减少分布参数的影响，器件要紧密地分布在A T86RF230的四周.3.2 抗干扰具体设计
无线传感器网络应用[11]的特殊性要求其节点体积越小越好，因此在元器件的选择上当然选择同
・
424・工 程 设 计 学 报 第15卷
类型中体积最小的.
但是节点体积越小，在设计电路板布线时可能会因为线路间距离太小而产生干扰，因此抗干扰设计是节点设计时的重点问题.可以把电路板设计成4层板.顶层布信号线，主要传输通过天线接收和发送的信号.该层空白区域用金属层覆盖，并通过几个孔接地；第2层可以布数据线，将用于节点内部数据传输的线路都布置在这一层；第3层布供电线路；第4层作为接地层.各元件的接地引脚应使用单独过孔，尽量靠近封装引脚接地，去耦电容也应尽量靠近电源脚放置，并通过单独过孔接地.同时，为了抗电磁干扰，最好把数字电源和模拟电源、数字地和模拟地隔离开来，一般可采用0Ω电阻或磁珠来进行隔离.
4 试验结果分析
采用信号发生器连续发送10000个64字节的数据，由无线传感器节点接收并转发，统计在不同距离下的正确收发率及其能量消耗.节点性能实测值如表2所示.无线网络节点很好地满足了低功耗、长传输距离、准确定位、抗干扰的要求.
南京表2 节点性能测试数据表
Table 2 The data table of node in capability test
距离/
m
正确接收率/%
正确发送率/%
毫能量/mA
6100100019812991979919611025099165991621109100
99134
99134
1116
网络节点通过在智能家居无线系统中的实际应
用，实现了对环境图像的采集处理、射频模块的操作以及多跳自组织网络的构造，并通过网关节点汇集监测区域信息数据，利用无线网络传递至监控终端，良好地实现了无线传感器网络的基本功能.
5 结 论
由TMS320F206处理器和A T86RF230射频收发芯片构成的智能家居无线网络节点，其功耗小，可以用电池长期供电.指出无线传感器网络节点生命周期取决于电源模块的使用，在目前电池安时数还很有限的情况下，采用节点定时关闭和打开的协议且关闭与打开的时间比定为1∶99.试验证明：节点能够采集环境的温、湿度和环境图像，并将采集的数据在节点中传播，且能耗低.
参考文献:
[1]A KYILDIZ I F ,SU W.Wireless sensor network :a
survey[J ].Computer Network ,2002,38(3):3932422.[2]张正勇，梅从良.无线传感器网络节点自定位技术[J ].
计算机工程,2007,33(17):426.
ZHAN G Zheng 2yong ,M EI Cong 2liang.Self 2localization technology for wireless sensor network nodes[J ].Com 2puter Engineering ,2007,33(17):426.
[3]王雪梅.无线传感器网络技术在智能家庭网络中的应用
研究[J ].中小企业科技,2007(7):41.
WAN G Xue 2mei.The research of wireless sensor net 2work technology in the smart home network[J ].Science 2Technical on Middle 2Small Business ,2007(7):41.[4]于 超，李士宁，张 琪，等.基于PXA270的无线传感器
网络汇聚节点设计与实现[J ].计算机应用研究,2007,
24(9):2572259.
YU Chao ,L I Shi 2ning ,ZHAN G Qi ,et al.Design and implementation of wireless sensor network sink node based on PXA270[J ].Application Research of Comput 2ers ,2007,24(9):2572259.
[5]IL YAS M ,MA H GOUB I.Handbook of sensor net 2
works :compack wireless and wired sensing systems [M ].Boca Raton :CRC Press ,2005.
[6]刘向东.DSP 技术原理与应用[M ].北京：中国电力出版
社,2007.
L IU Xiang 2dong.
Principles and application of DSP
technology[M ].Beijing :Publishing House of China E 2lectric Power ,2007.
[7]ESTRIN D ,GOV INDAN R ,H EIDEMANN J.Embed 2
ding the internet :introduction [J ].Communications of ACM ,2000,43(5):38241.
[8]YE W ,H EIDEMANN J ,ESTRIN D.An energy 2effi 2
cient MAC protocol for wireless sensor networks[C ]//Proceeding of IEEE IN FOCOM.New Y ork ,J une ,
2002:156721576.
[9]CU I S ,MADAN R ,L ALL S ,et al.Joint routing ,
MAC ,and link layer optimization in sensor networks with energy constraints[C]//Proceeding of IEEE Inter 2national Conference on Communications.Seoul ,K orea ,May 16220,2005.
[10]ENZ C ,EL 2Hoiydi A ,DECO TIGN IE J D ,et al.Wise
net :an ultra low power wireless sensor network solu 2tion[J ].Computer ,2004,37(8):62271.
[11]董挺挺，沙 超，王汝传.基于CC2420的无线传感器网
络节点的设计[J ].电子工程师,2007,33(4):67270.
DON G Ting 2ting ,SHA Chao ,WAN G Ru 2chuan.De 2sign of wireless sensor networks nodes based on CC2420[J ].Electronic Engineer ,2007,33(4):67270.
・
524・ 第6期 倪水平，等：基于DSP 的智能家居无线网络节点的设计
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议