1导言
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSNs）是由布置在监测区域内很多的廉价微型传感器节点组成，经过无线通讯构成一个多跳自组织网络体系，能够实时监测、感知和收集网络散布区域内监督目标的各种信息，并加以处理，完结数据收集和监测使命。WSNs归纳了传感器、嵌入式核算、无线通讯、散布式信息处理等技能，具有快速构建、自装备、自调整拓扑、多跳路由、高密度、节点数可变、无一致地址、无线通讯等特色，特别适用于大范围、偏僻间隔、风险环境等条件下的实时信息监测，能够广泛运用于军事、交通、环境监测和预告、卫生保健、空间探究等各个领域。 2节点的总体规划和器材选型
2.1节点的总体规划
WSNs微型节点运用数量比较大，替换和保护比较困难，要求其节点本钱低价和作业时间尽可能长；功用上要求WSNs中不应该存在专门的路由器节点，每个节点既是终端节点，又是路由器节点。节点间选用移动自组织网络联系起来，并选用多跳的路由机制进行通讯。因而，在单个节点上，一方面硬件有必要低能耗，选用无线传输方法；另一方面软件有必要支撑多跳的路由协议。根据这些根本思想，规划了以高级8位AVR单片机ATmega128L为中心，结合外围传感器和2.4 GHz无线收发模块CC2420的WSNs微型节点。这两款器材的体积十分小，加上外围电路，其全体体积也很小，十分适宜用作WSNs节点的元件。
图1给出WSNs微型节点结构。它由数据收集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源办理单元4部分组成。数据收集单元担任监测区域内信息的收集和数据转化，规划中包含了可燃性气体传感器和湿度传感器；数据处理单元担任操控整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗办理、使命办理等；数据传输单元担任与其他节点进行无线通讯，交流操控音讯和收发收集数据；电源办理单元选通所用到的传感器，节点电源由几节AA电池组成，实践工业运用中选用微型扣子电池，以进一步减小体积。为了调试便利及可扩展性，可将数据收集单元独立出来，做成两块能彼此套接的可扩展主板。
2.2处理器选型
处理器的选型要求和目标是功耗低，保证长时间不替换电源也能顺畅作业，供给电压小于5 V，有较快的处理速度和才能，因为节点是需求很多安顿的，所以价格也要相对廉价。选用AVR单片机，考虑到电路中I／O的个数不多，功耗低、本钱低、适宜与无线器材接口合作等多方面要素，归纳比照后，选用Atmel公司的ATmega128L。该微型操控器具有丰厚的片上资源，包含4个定时器、4 KB SRAM、128KB Flash和4 KBEEPROM；具有UART、SPI、I2C、JTAG接口，便利无线器材和传感器的接入；有6种电源节能形式，便利低功耗规划。
2.3无线通讯器材选型 CC2420是一款契合ZigBee技能的高集成度工业用射频收发器，其MAC层和PHY层协议契合802.15.4标准，作业于2.4 GHz频段。该器材只需很少外部元件，即可保证短间隔通讯的有效性和可靠性。数据传输单元模块支撑数据传输率高达250 Kb／s，即可完成多点对多点的快速组网，体系体积小、本钱低、功耗小，适于电池长时间供电，具有硬件加密、安全可靠、组网灵敏、抗毁性强等特色。
2.4传感器选型
因为WSNs是用于矿下安全监测，常要检测矿下可燃气体的浓度（防备瓦斯气体浓度过高）和空气湿度，所以要挑选丈量气体浓度和湿度的传感器。
2.4.1 HIH-4000系列测湿传感器
HIH-4000系列测湿传感器作为一个低本钱、可软焊的单个直插式组件（SIP）能供给外表丈量质量的相对湿度（RH）传感功用。RH传感器可用在二引线间有距离的配量中，它是一个热固塑料型电容传感元件，其内部具有信号处理功用。传感器的多层结构对运用环境的不利要素，比如湿润、尘埃、尘垢、油类和环境中常见的化学品具有最佳的抗力，因而可确定它能适用矿下环境。
2.4.2 MR511热线型半导体气敏元件
MR511型气敏元件运用气体吸附在金属氧化物半导体外表而发生热传导改动及电传导改动的原理，由白金线圈电阻值改动测定气体浓度。MR511由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时，检测元件的电阻减小，桥路输出电压改动，该电压改动随气体浓度的增大而成份额增大，补偿元件具有温度补偿效果。MR511除具有灵敏度高、呼应康复时间短、安稳性好特色外，还具有功耗小，抗环境温湿度搅扰才能强的长处。WSNs的节能和井下恶劣温湿环境要求MR5111能够满意。
3 WSNs节点规划
3.1数据收集单元
考虑到无线传感器网络节点的节能和井下恶劣的温湿环境，为了便于数据收集，体系规划选用HIH-4000-01型测湿度传感器和MR511热线型半导体气体传感器。图2、图3别离给出其电路规划图。
3.2数据处理单元
ATmega128L的外围电路规划简略，规划时注意在数字电路的电源并人多只电容滤波。ATmega128L的作业时钟源能够选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟源等方法。作业时钟源的挑选经过ATmega128L的内部熔丝位来规划。熔丝位能够经过JTAG编程、ISP编程等方法设置。ATmega128L选用7.3728 MHz和32.768 kHz两个外部晶振。前者用作作业时钟，后者用作实时时钟源。
3.3数据传输单元
3.3.1 CC2420外围电路规划
图4给出数据传输单元的外围电路。CC2420只需求很少的外围元器材。其外围电路包含晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微操控器接口电路3部分。
射频输入／输出匹配电路首要用来匹配器材的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50 Ω，一起为器材内部的PA及LNA供给直流偏置。射频输入／输出是高阻抗，有不同。射频端最适宜的负载是115+j180 Ω。C61、C62、C71、C81、L61组成不平衡变压器，L62和L81匹配射频输入输出到50 Ω；L61和L62一起供给功率放大器和低噪声放大器的直流偏置。内部的T／R开关是为了切换低噪声放大器／功率放大器。R451偏置电阻是电流基准发生器的精细电阻。CC2420本振信号既可由外部有源晶体供给，也可由内部电路供给。若由内部电路供给时，需外加晶体振荡器和两只负载电容，电容的巨细取决于晶体的频率及输入容抗等参数。规划选用16 MHz晶振时，其电容值约为22 pF。C381和C391是外部晶体振荡器的负载电容。片上电压调节器供给一切内部1.8 V电源的供给。C42是电压调节器的负载电容，用于安稳调节器。为得到最佳功用有必要运用电源去耦。在运用中运用巨细适宜的去耦电容和功率滤波器是十分重要的。CC2420能够经过4线SPI总线（SI、SO、SCLK、CSn）设置器材的作业形式，并完成读，写缓存数据，读／写状况寄存器等。经过操控FIFO和FIFOP引脚接口的状况可设置发射／接纳缓存器。
3.3.2装备IEEE 802.15.4作业形式
CC2420为IEEE 802.15.4的数据帧格局供给硬件支撑。其MAC层的帧格局为：头帧+数据帧+校验帧；PHY层的帧格局为：同步帧+PHY头帧+MAC帧，帧头序列的长度可经过设置寄存器改动，选用16位CRC校验来进步数据传输的可靠性。发送或接纳的数据帧被送入RAM中的128字节缓存区进行相应的帧打包和拆包操作。表1给出CC2420的四线串行SPI接口引脚功用。它是规划单片机电路的根据，充分发挥这些功用是规划无线通讯产品的条件。
3.3.3 CC2420与单片机接口电路规划
图5给出CC2420与ATmega128L单片机的接口电路。CC2420经过简略的四线（SI、SO、SCLK、CSn）与SPI兼容串行接口装备，这时CC2420是受控的。ATmega128L的SPI接口作业在主机形式，它是SPI数据传输的操控方；CC2420设为从机作业方法。当ATmega128L的SPI接口设为主机作业方法时，其硬件电路不会主动操控SS引脚。因而，在SH通讯时，应在SPI接口初始化，它是由程序操控SS，将其拉为低电平，尔后，当把数据写入主机的SPI数据寄存器后，主机接口将主动发动时钟发生器，在硬件电路的操控下，移位传送，经过MOSI将数据移出ATmega128L，并一起从CC2420由MISO移人数据，8位数据悉数移出时，两个寄存器就完成了一次数据交流。
4结语
经过关于无线传感器网络节点中传感器元件、数据处理模块、数据传输模块和电源的挑选，规划了一种以CC2420和ATmega128L为主体的硬件计划。运用该计划规划的CC2420和ATmega128L的外围电路以及两者之间的接口电路。此外，还对传感器与单片机的接口电路进行规划。经过试验验证，规划的硬件节点根本上达到了项目要求，经调试能经过传感器正确真实地收集数据，并完成两个无线节点（两个电路板。AA电池供电）在30 m左右的通讯、传输数据、并反映到终端设备。
