Diseño modular de hardware de nodo de red de sensores inalámbricos
Diseño modular del hardware del nodo de la red de sensores inalámbricos
A medida que los requisitos de las personas para el monitoreo ambiental continúan aumentando, la tecnología de la red de sensores inalámbricos tiene un bajo costo de inversión, una construcción sencilla y una alta confiabilidad. son más utilizados. Dado que los nodos de la red de sensores inalámbricos necesitan implementar funciones como recopilación, procesamiento y comunicación, el hardware diseñado modularmente puede mejorar en gran medida la estabilidad y seguridad de los nodos de la red. A continuación, el autor hablará sobre el diseño modular del hardware del nodo de red de sensores inalámbricos.
1 Introducción del chip CC2430
CC2430 es un chip transceptor inalámbrico que funciona en la banda de frecuencia libre de 2,4 GHz y es compatible con el estándar IEEE 802.15.4. El chip tiene alta integración, tamaño pequeño y bajo consumo de energía. CC2430 tiene una MCU de 8 bits (8051), 8 KB de RAM, 32 KB, 64 KB o 128 KB de Flash y también incluye un convertidor analógico a digital (ADC), cuatro temporizadores, un coprocesador AES128 y un temporizador de vigilancia. y un temporizador de vigilancia. Temporizador de vigilancia, temporizador de modo de suspensión para cristal de 32,768 kHz, circuito de reinicio de encendido, detección de subtensión y 21 interfaces de E/S programables.
El chip CC2430 se fabrica mediante un proceso CMOS de 0,18 m y la pérdida de corriente operativa es de 27 mA en los modos de recepción y transmisión, la pérdida de corriente es de 26,7 mA y 26,9 mA respectivamente; es O.5 A. El modo de suspensión ultracorto y las transiciones de modo activo del CC2430 son ideales para aplicaciones que requieren una duración de batería ultralarga.
2 Estructura del sistema de red de sensores inalámbricos
Toda la red de sensores inalámbricos consta de múltiples nodos de recolección, un nodo de convergencia, una estación de transferencia y un centro de control de host. Se muestra la estructura del sistema. en la Figura 1. Mostrar. Los nodos de recopilación de la red de sensores inalámbricos completan la recopilación, el preprocesamiento y la comunicación de datos; el nodo de convergencia es responsable de iniciar y mantener la red, recopilar y cargar datos y notificar a los nodos de recopilación de los comandos emitidos por el relé; cargar los datos recopilados y la información de comando emitida por el centro de control va al nodo de convergencia; el centro de control es responsable de procesar los datos cargados finales y puede emitir comandos de operación a la red de acuerdo con los comandos del usuario.
El nodo de recopilación y el nodo de agregación están controlados por CC2430. El nodo de recopilación puede recopilar y transmitir datos. El nodo de agregación es responsable de recopilar los datos recopilados por todos los nodos de recopilación. El repetidor utiliza un procesador ARM como núcleo de control y el nodo de convergencia utiliza comunicación en serie para interactuar con el centro de control de la computadora host a través de comunicación GPRS. El centro de control de la computadora host realiza la interacción persona-computadora, puede procesar y mostrar datos cargados y puede ejecutar directamente comandos de acciones de red enviadas por los clientes.
3. Diseño modular de nodos
La configuración de hardware del nodo de agregación y el nodo de colección es básicamente la misma, y el diseño modular hace que el diseño sea más versátil.
Cada nodo se compone principalmente de cuatro partes: módulo de control, módulo inalámbrico, módulo de adquisición y módulo de potencia.
3.1 Módulo de control
El módulo de control está compuesto principalmente por CC2430 y sus circuitos periféricos. Completa el procesamiento, almacenamiento, envío y recepción de los datos recopilados y gestiona el módulo de potencia. CC2430 incluye 21 puertos de E/S programables, incluidas 8 interfaces A/D, para satisfacer las necesidades de adquisición y procesamiento de múltiples sensores. CC2430 tiene su propia interfaz de reinicio y el sistema se puede inicializar por hardware a través de un botón de reinicio externo. El oscilador de cristal de 32 MHz proporciona el reloj del sistema y el oscilador de cristal de 32,768 kHz se utiliza cuando el sistema está en modo de suspensión.
El nodo utiliza el chip FM25L256 como dispositivo de almacenamiento, que es una memoria ferroeléctrica de 256 Kb con una frecuencia de interfaz SPI de hasta 25 MHz, funcionamiento de bajo consumo y 10 años de retención de datos, lo que garantiza que el nodo Almacenamiento de datos de bajo costo y alta confiabilidad.
3.2 Módulo inalámbrico
El módulo inalámbrico es responsable de la transmisión de datos y comandos entre nodos, por lo que el diseño razonable del módulo inalámbrico es una garantía importante para una comunicación estable y eficiente entre nodos.
TI ofrece un circuito equilibrador de microcinta para el CC2430, un diseño que convierte la impedancia de la señal diferencial de los pines RF inalámbricos en un equilibrador de un solo extremo de 50 Ω. Dado que este circuito afecta directamente la calidad de la comunicación del nodo, debe simularse y verificarse antes de su uso. Se seleccionó el software de simulación ADS para la simulación en el diseño y se adoptó el método de simulación conjunta de diseño y diagrama esquemático. El diagrama del circuito de simulación se muestra en la Figura 5. El circuito microstrip es un circuito equilibrador microstrip proporcionado por TI. Los componentes discretos se seleccionan de los modelos en la biblioteca de componentes de Murata, lo que garantiza estrictamente la "autenticidad y confiabilidad" de los datos de simulación. Este circuito equilibrador tiene características de transmisión de señal eficientes y estables dentro de la banda de frecuencia operativa (2,400 a 2,4835 GHz).
3.3 Módulo de adquisición
El módulo de adquisición se encarga de recopilar datos y ajustar las señales de datos. En este diseño, se monitorean los datos de temperatura y humedad del suelo, y los sensores utilizados son el sensor de temperatura del suelo PTWD-3A y el sensor de humedad del suelo TDR-3.
El sensor de temperatura del suelo PTWD-3A utiliza resistencias de platino de precisión como elemento sensor y su valor de resistencia cambia con los cambios de temperatura. Para una medición precisa, se utiliza el método de cuatro cables para medir el principio de resistencia y la señal de resistencia se ajusta a una señal de voltaje, que es muestreada por el canal A/D del chip CC2430. Una fuente de corriente constante de 10 mA se compone de un amplificador operacional P354, resistencias de chip de alta precisión y una fuente de alimentación de 2,5 V. La corriente de bucle de 10 mA convierte la señal de resistencia en una señal de voltaje a través de las resistencias del sensor R1 y R2, que se convierte en una salida de señal de un solo extremo mediante la doble ganancia del amplificador diferencial LT1991 y ingresa al canal ADC del chip CC2430. para muestreo.
La señal de salida del sensor de humedad del suelo TDR-3 es una señal de voltaje. La señal de salida del sensor ingresa al canal ADC del chip CC2430 a través del amplificador operacional P354 para muestreo.
3.4 Módulo de potencia
El módulo de potencia se encarga de regular el voltaje y distribuir la energía, y se divide en tres módulos: módulo de gestión de carga, módulo de gestión de conmutación de potencia dual y módulo de conversión de voltaje. En este diseño se utiliza como fuente de alimentación una batería de plomo-ácido con una tensión nominal de 12 V y una capacidad de 3 Ah.
Como aplicación de red de sensores inalámbricos para monitoreo ambiental, los nodos deben funcionar sin supervisión en la naturaleza, y la suplementación de energía es una garantía importante para el funcionamiento continuo del sistema. Este diseño utiliza paneles solares para proporcionar energía a los nodos que trabajan en el campo, y el módulo de gestión de carga carga la batería de plomo-ácido de manera razonable y efectiva según las condiciones de luz solar y el estado de energía de la batería. El optoacoplador TLP521-100 y el transistor de efecto de campo Q*** forman juntos el circuito de conmutación del módulo de carga, que se puede controlar fácilmente a través del puerto I/0 del chip CC2430.
Cuando el panel solar está cargando la batería, la batería no puede alimentar el sistema. Por lo tanto, un modo de suministro de energía dual está diseñado para mantener el estado de funcionamiento "una carga, un suministro". Un estado de carga y un estado de funcionamiento de la fuente de alimentación, el módulo de gestión de conmutación de fuente de alimentación dual es responsable de la conmutación segura y rápida de la fuente de alimentación. Como se muestra en la Figura 10, se utilizan dos circuitos de conmutación para conmutar entre las dos fuentes de alimentación.
Al cambiar las fuentes de alimentación, siempre encienda primero la fuente de alimentación inactiva y luego apague la fuente de alimentación que suministra el sistema. Por lo tanto, dos fuentes de alimentación suministrarán energía al sistema al mismo tiempo en un corto período. período de tiempo. Esto es para evitar que el sistema pierda energía.
El módulo de alimentación debe proporcionar múltiples conjuntos de fuentes de alimentación, como 5 V, 3,3 V, 2,5 V, etc., para satisfacer las necesidades de alimentación de cada módulo de nodo. Debido a la gran cantidad de grupos de suministro de energía en el sistema, el módulo de conversión de voltaje utiliza una variedad de chips de conversión de voltaje, como reguladores reductores de conmutación y reguladores lineales de caída de voltaje para convertir la energía y al mismo tiempo garantizar un suministro de energía de alta eficiencia del módulo de energía.
Conclusión
El diseño de los nodos es crucial para todo el sistema de red de sensores inalámbricos. Este diseño utiliza el potente chip de radiofrecuencia CC2430 como chip de gestión central, que puede completar mejor diversas funciones como la recopilación, el análisis y la transmisión de datos. El diseño modular del hardware mejora en gran medida la estabilidad, confiabilidad y versatilidad de los nodos. El sistema de red de sensores inalámbricos puede dejarse desatendido durante mucho tiempo en la naturaleza y monitorear de manera estable el entorno. ;