引 言

       隨著傳感器技術、嵌入式計算技術、無線網(wǎng)絡通信技術、分布式信息處理技術以及微機電技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型的網(wǎng)絡技術無線傳感器網(wǎng)絡技術。無線傳感器網(wǎng)絡能夠通過集成在網(wǎng)絡節(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)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡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)絡節(jié)點硬件系統(tǒng)的設計。

　　1 聲傳感器網(wǎng)絡結構

　　如圖1所示，聲傳感器網(wǎng)絡結構通常包括聲傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和后臺監(jiān)控設備等。

　　聲傳感器節(jié)點主要負責網(wǎng)絡的形成、數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過多跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。匯聚節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的中心節(jié)點，負責網(wǎng)絡的發(fā)起、拓撲的形成與維護、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的匯集與處理，以及與后臺監(jiān)控設備的通信與信息交互。后臺監(jiān)控設備負責數(shù)據(jù)的處理、網(wǎng)絡拓撲的控制、網(wǎng)絡的監(jiān)護。為了感知監(jiān)測區(qū)域內的聲音信息，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，聲傳感器節(jié)點之間或者聲傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點之間就能夠自動形成一個自組織、多跳的網(wǎng)絡。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)點進行數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)及時地通過自適應的路由，多跳中繼后傳輸給匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點將匯集的數(shù)據(jù)通過北斗通信模塊轉發(fā)給后臺監(jiān)控設備，實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內聲音信息的上傳。

　　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)以低功耗為設計目標，所以硬件設計上均采用了同類產(chǎn)品中功耗最低或者較低的產(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)采用模塊化的設計思想進行設計，下面介紹具體模塊。

　　2．1 處理器模塊

　　本設計采用以AT91SAM7S256為核心的處理器模塊。AT91SAM7S256是Atmel 公司32位ARM RISC處理器Ar91SAM7S系列中的一員。它片內集成了256KB的Flash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，方便程序的設計與實現(xiàn)；豐富的外設包括串口、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為活動模式。

　　因此，AT91SAM7S256完全能夠滿足無線傳感器網(wǎng)絡的設計要求。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1．8～3．6 V；工作頻段靈活，可以設定在315／433／868／915 MHz的ISM和RSD頻段，其數(shù)據(jù)傳輸率最高可達500 kb／s；輸出功率多級可調，可以選擇多種調試方式。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麥克風陣列進行測量。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構成的前置放大電路后進行電壓值A／D采樣。處理器的A／D采樣頻率可達20CkHz，可捕獲到較寬范圍的聲音信號。

　　本設計中放大元件采用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精確的時間，因此每個節(jié)點需安裝GPS或者北斗模塊。可采用Atmel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精確的差分衛(wèi)星定位。GPS模塊的支持電壓為2．7～3．3 V，功率小于100 mW／H。GPS模塊由變頻器模塊(ATR0600)、信號相關模塊(ATR0610)、微處理器模塊(ATR0620)組成。圖6為GPS模塊結構框圖。

　　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整至節(jié)點所需的電壓。此電源模塊設計采用的是AMS1117_3．3電壓調節(jié)器，它的作用是把4節(jié)干電池和USB端口提供的 5 V電壓調節(jié)到所需的3．3 V。其電路設計如圖7所示。

　　3 實驗結果

　　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)進行各個模塊的消息驅動程序開發(fā)，最后進行路由算法的移植。使用2個節(jié)點(1個終端節(jié)點和1個匯聚節(jié)點)進行組網(wǎng)實驗，測試節(jié)點對鼓掌聲音信號的靈敏度。采集的聲音波形如圖8所示。

　　結 語

　　由于采用了模塊化的設計方法，本文設計的聲傳感器網(wǎng)絡節(jié)點硬件系統(tǒng)有助于擴展不同類型的傳感器；此外，該系統(tǒng)還具有成本低、體積小、功耗低等特點，非常適應未來多樣化環(huán)境監(jiān)測任務的需要。