基于CC2530的无线传感器网络

摘要：本文设计了一个基于CC2530的无线传感器网络。传感器节点由多量程加速度计和CC2530组成，覆盖可测量的加速度信号的范围。所设计的系统解决了测试系统的电缆安装故障，易受干扰和电路复杂性。测试结果表明，设计的无线传感器网络可以传输多量程微加速度计发射的信号而不损坏，从而完成覆盖区域的加速度测量。

关键词：多距离微加速度计;加速度;无线传感器网络

随着微电子机械系统（MEMS）技术的发展，MEMS器件已经广泛应用用于工业，航空航天等领域，而MEMS器件随处可见[1]。作为一种新型的MEMS器件，多量程微加速度计解决了测量过程中安装方便，误差大等问题，因为测量时采用了不同量程的加速度计[2]。但传统的电缆测试方法需要大量的数据采集设备的电源，信号传输会受到干扰噪音，特别是长电缆传输可能会导致信号失真或信号失效[3]。为解决上述问题，本文提出了一种基于CC2530的无线传感器网络。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）由大量固定或移动传感器以自组织和多跳模式形成，设计为协作收集，处理和传输感知对象的监测信息在网络覆盖区域，然后将结果转发给其用户[4]。以下图1显示了一个WSN示意图。如前所述，WSN可以实现三个功能：数据采集，处理和传输，这与现代信息的三种基本技术相对应：传感器技术，计算机技术和通信技术。它们分别构成信息系统的三个部分，即“感”，“大脑”和“神经”。因此，无线传感器网络就是这三种技术的结合，它们都构成了一个独立的现代信息系统。

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如图2所示，WSN系统主要由传感器节点，基本模块和数据中心组成。

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传感器以分布模式安装。每个节点都可以感应和调节通过A / D转换器转换成数字信号的加速信号。配置在传感器节点上的无线收发模块可以实时向基站发送数字信号。基站通过RS232将它们发送到数据中心，最后数据在PC上显示并保存。基站通过RS232将它们发送到数据中心，最后数据在PC上显示并保存。

ZigBee有三种无线网络拓扑结构，分别为星形网络拓扑结构，网格网络拓扑结构和树形网络拓扑结构[5]，如图3。

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考虑到树形网络拓扑结构数量的减少，坐标功耗是常用用户终端的十几倍甚至数百倍[6]。使用星型网络可以减少整个WSN系统的功耗。而且，点对点网段终端设备中的数据传输必须经过协调器。由于协调器中的路由列表比较复杂，难以实时维护和调整，该设计必须使用网格网络拓扑。

传感器节点的硬件结构由多种微参数信号调节电路，数字处理模块和无线收发模块组成。

多量程微加速度计输出的微弱电压信号经A / D转换器放大后送入滤波电路。二阶高通滤波器电路和低通滤波器电路被限制传输频带为2 kHz-5 kHz，并切断无用的噪声。ATMEL生产的ATmegal 128被选为数字控制芯片。它可以将分析信号转换成数字信号然后保存。之后，信号被发送到无线收发器模块上的CC2530。CC2530工作在终端节点模式。接收到信号后，CC2530可以封装目标地址，数据和地址本身，进行处理并发送到空中[7]。

基站模块由无线收发模块、数字处理模块和RS232转换电路组成。硬件结构如图4所示。

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基站模块CC2530无线收发模块是WSN系统中的协调器，是整个系统的核心。无线收发模块在空中检测来自网络节点的数据，然后将数据采集并存储在固定区域内的解调芯片后的存储器中。要存储的每个字节的数据发送一个脉冲通知主控制芯片（ATmega128）读取它[8]。最后，TTL信号转换成RS232电平信号并输出到PC串行接口。

为了确定无线传感器网络的覆盖范围，实验首先测试传感器节点与基站之间的通信距离。实验包括室内测试和室外测试。室内测试使用墙壁进行绝缘，每个墙壁放置一个传感器节点;室外测试台距离基站50米远，放置一个50米的传感器节点。每个传感器节点发送三组数据并处理从数据中心收到的数据。数据错误率的测试结果如表1所示。在300 m以内传输数据。传输信号衰减较快的原因是墙壁吸收无线电信号[9]。如果数据错误率小于3％，通信成功，并且可以保证正确和有效。

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本实验用于WSN的网络测试。主要步骤如下：根据由双面胶带构造并固定的星形网络，选择放置在房间桌面上的3个传感器节点; 将模式设置为多点监控模式; 敲击测试表面中心的节点，观察数据中心的监测波形，记录数据并比较3个节点收集的加速度值。表2显示了加速度测试的结果。可以看出，各节点测得的加速度值差别不大，通过计算得到的最大差值为2.73％。

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我们使用实验室中低成本的校准系统观察传感器的多分辨微加速度计。只有一套校准系统，因此采用单点监控模式。精度测试的结果如表3所示。

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传感器节点的测试精度可以达到1.5％。结果表明，基于多尺度微加速度计的WSN不仅可以实现信号的分布式测量，同时也保证测试的高精度。

本文介绍了基于多级微加速度计的WSN软硬件设计。采用星型网络结构的传感器节点具有功耗低，可靠性高，传输距离远，测试精度高的特点。该系统在测试后达到预期效果。该系统使用多种方法解决了加速度测量系统中复杂的安装问题的单量程加速度传感器，提高了数据传输的可靠性，为实现简单智能测试提供了有力的保证。