聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件系統(tǒng)設(shè)計

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件系統(tǒng)設(shè)計 引 言 隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及微機電技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠通過集成在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的各類微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息開展處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳送到終端用戶。本文主要介紹聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件系統(tǒng)的設(shè)計。 1 聲傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 如圖1所示，聲傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造通常包括聲傳感器節(jié)點、會聚節(jié)點和后臺監(jiān)控設(shè)備等。 聲傳感器節(jié)點主要負責網(wǎng)絡(luò)的形成、數(shù)據(jù)的采集，

2、并將數(shù)據(jù)通過多跳傳輸?shù)綍酃?jié)點。會聚節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，負責網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、拓撲的形成與維護、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的聚集與處理，以及與后臺監(jiān)控設(shè)備的通信與信息交互。后臺監(jiān)控設(shè)備負責數(shù)據(jù)的處理、網(wǎng)絡(luò)拓撲的控制、網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)護。為了感知監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的聲音信息，可以通過人工布撒的方式把一定數(shù)量的聲傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，聲傳感器節(jié)點之間或者聲傳感器節(jié)點與會聚節(jié)點之間就能夠自動形成一個自組織、多跳的網(wǎng)絡(luò)。聲傳感器節(jié)點周期性或者觸發(fā)式地采集聲音數(shù)據(jù)并與周圍的節(jié)點開展數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)及時地通過自適應(yīng)的路由，多跳中繼后傳輸給會聚節(jié)點；會聚節(jié)點將聚集的數(shù)據(jù)通過北斗通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)給后臺監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)聲音信息的

3、上傳。 2 聲傳感器節(jié)點硬件系統(tǒng) 聲傳感器節(jié)點由主控芯片AT91SAM7S256單片機、射頻芯片CC1100、串口電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX3232，以及電源、聲傳感器、GPS與北斗、各種控制器組成。其硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)以低功耗為設(shè)計目標，所以硬件設(shè)計上均采用了同類產(chǎn)品中功耗或者較低的產(chǎn)品，以保證系統(tǒng)長時間的監(jiān)測工作。 聲傳感器節(jié)點硬件系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想開展設(shè)計，下面介紹具體模塊。 2.1 處理器模塊 本設(shè)計采用以AT91SAM7S256為的處理器模塊。AT91SAM7S256是Atmel 公司32位ARM RISC處理器Ar91SAM7S系列中的一員。它片內(nèi)集成了256KB的Flas

4、h和64 KB的SRAM，充足的存儲空間可以保證數(shù)據(jù)采集和傳送協(xié)議的正常運行，方便程序的設(shè)計與實現(xiàn)；豐富的外設(shè)包括串口、SPI、I2C和USB等；工作溫度范圍為-40+85；具有中斷喚醒功能，可以通過中斷使單片機從休眠模式轉(zhuǎn)為活動模式。 因此，AT91SAM7S256完夠滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計要求。處理器模塊框圖如圖3所示。 2.2 無線射頻模塊 本設(shè)計中無線射頻模塊選用Chipcon公司生產(chǎn)的無線射頻芯片CC1100來實現(xiàn)。 CC1100是一款真正的低成本、低功耗、單片的UHF無線收發(fā)器；工作電壓為1.83.6 V；工作頻段靈活，可以設(shè)定在315433868915 MHz的ISM和RSD頻

5、段，其數(shù)據(jù)傳輸率可達500 kbs；輸出功率多級可調(diào)，可以選擇多種調(diào)試方式。此外，CC1100還具有許多其他功能：數(shù)據(jù)的自動組包與拆包、獨立的發(fā)送接收FIFO、空閑信道評估功能、自動喚醒功能、RSSI功能、自動的前向糾錯(FEC)、交織以及白化功能。CC1100與AT91SAM7S256的通信是通過SPI總線來實現(xiàn)的。無線射頻模塊電路如圖4所示。 2.3 聲音采集模塊 聲音測量通過駐極體XF-18D麥克風陣列開展測量。XF-18D麥克風是電容式微麥克風，輸入信號為聲音信號，輸出信號經(jīng)MAX4477構(gòu)成的前置放大電路后開展電壓值A(chǔ)D采樣。處理器的AD采樣頻率可達20CkHz，可捕獲到較寬范圍的聲

6、音信號。 本設(shè)計中放大元件采用Maxim公司生產(chǎn)的MAX4477放大器。它是一款高帶寬、低噪聲、低失真運算的放大器，提供滿擺幅輸出，工作電壓可低至2.7 V。聲音采集電路如圖5所示。 2.4 GPS與北斗模塊 由于各個節(jié)點需要獲取自身的位置和的時間，因此每個節(jié)點需安裝GPS或者北斗模塊?？刹捎肁tmel公司提供的GPS模塊，采用的是串行輸出，只要2 個串行信號線就可以完成較的差分衛(wèi)星定位。GPS模塊的支持電壓為2.73.3 V，功率小于100 mWH。GPS模塊由變頻器模塊(ATR0600)、信號相關(guān)模塊(ATR0610)、微處理器模塊(ATR0620)組成。圖6為GPS模塊構(gòu)造框圖。 2.5 電源模塊 電源模塊的功能是提供節(jié)點工作所需的能量，本節(jié)點可通過4節(jié)干電池或USB端口供電。由于4節(jié)干電池和USB端口提供的電壓都是大于處理器模塊、 CC1100和聲音采集模塊所需的3.3 V電源，所以必須將輸入電壓調(diào)整至節(jié)點所需的電壓。此電源模塊設(shè)計采用的是AMS1117_3.3電壓調(diào)節(jié)器，它的作用是把4節(jié)干電池和USB端口提供的 5 V電壓調(diào)節(jié)到所需的3.3 V。其電路設(shè)計如圖7所示。 3 實驗結(jié)果 節(jié)點硬件系統(tǒng)上移植了TinyOS操作系統(tǒng)，基于操作系統(tǒng)開展各個模塊的消息驅(qū)動程序開發(fā)，開展路由算法的移植。使用2個節(jié)點(1個終端節(jié)點和1個會聚節(jié)點)開展組網(wǎng)實驗，測試節(jié)點對鼓掌聲音信號的