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【摘要】无线传感器模块是物联网技术的底层节点基础，无线传感器模块主要完成数据采集工作，间歇式工作，一般采用电池供电，必须具有非常低的功耗。本文通过一个数据采集无线传感器模块的设计实例，针对其低功耗的要求，详细说明了其硬件设计中采用的技术。
【关键词】无线；传感器；低功耗；嵌入式
1.引言
无线传感器网络是一种新的网络技术，该技术集信息采集、传输、处理于一体，在物联网飞速发展的情况下，无线传感器网络具有非常广泛的应用前景。无线传感器模块即网络节点，是网络的核心部件，无线传感器模块一般完成数据采集工作，间歇工作，采用电池供电，因此无线传感器模块的功耗大小将是重要的设计问题。本文以一个实际的无线传感器模块为例，说明了在模块硬件电路设计中采用的一些技术。
2.系统设计
2.1 系统功能需求
在温度大棚中，需要采集多种作物生成的外界要素，无线传感器模块的设计目的是实现一种用于采集温室大棚中，温湿度等参数的无线节点。该节点应包括以下功能：
采集土壤温度、空气温度、室外气温、灌溉水温等多种温度数据。
采集土壤湿度、空气湿度、室外湿度。
采集二氧化碳浓度。
采集光照度。
采集土壤PH值。
模块基于锂离子充电电池供电，可充电，充电一次可连续工作1个月以上。
无线数据传输距离大于100米。
2.2 系统结构
系统结构的设计框图如图1所示。系统由MCU单元、射频收发单元、传感器单元、电源电压变换单元、充电单元组成。所有单元均采用低功耗元件。对于耗电较多的单元，如MCU和射频收发单元均采用具有休眠功能的元件。无线传感器模块的MCU采用STC公司的STC11L04芯片，射频收发单元采用TI公司的CC1101芯片。系统平时处于休眠状态，主机发出唤醒命令时，系统被唤醒，完成采集和数据发送工作，然后又进入休眠状态。大大降低了系统的功耗。系统软件采用C51设计，基于RTOS结构。
3.硬件电路设计
3.1 电源电压变换
系统基于锂离子充电电池供电，锂电池的工作电压范围为3.6-4.2V，而MCU、无线模块、传感器的工作电压均为3.3V，因此应对锂电池电压进入变换，通过稳压芯片，转换为3.3V电压，供系统使用。转换芯片采用MAX1759，该芯片具有工作电压范围宽、外部电路连接简单、工作效率高的特点，比较适用于电压转换。电路图如图2所示。
3.2 充电电路
系统选用容量为3000mAH的锂电池，当电池电能耗尽时，可进行充电操作。充电电路输入5V电源，主控芯片选用CN3052A，这是一款常用的500mA单节锂电池充电芯片，该芯片使用恒压恒流方式充电，具有使能、芯片/电池温度保护、充电指示灯等功能。电路如图3所示。
图中D3为充电指示灯，电阻R17可控制充电电流，使用了5.6K的电阻。计算公式如下：
Ich=1800V/5600=322mA
对于3000mAH的锂电池，充满约需12小时。
3.3 MCU电路
微控制器芯片选用STC公司的STC11L04，该芯片工作电压3.3V，具有掉电休眠模式，掉电时耗电小于0.1μA。MCU电路发图4所示。图中，D1为工作指示，正常工作时，每秒闪烁1次；电池电量不足时，每秒闪烁2次；故障时，每秒闪烁3次。
3.4 电池电压检测
锂离子充电电池对于过放电非常敏感，系统设置了电池电压检测电路，对锂离子充电电池的端电压进行检测，以控制系统是否继续工作。该信息也可传回上位机。检测电路如图5所示。电路基于精密比较器LM258，组成2个回滞比较器，分别用于电池低压和耗尽的检测。在系统处于休眠状态时，比较器电路停止工作。
3.5 无线收发模块
无线收发模块采用TI公司的CC1101芯片，电路如图6所示。CC1101与MCU之间通过SPI总线连接，MCU对CC1101的初始化设置、命令发送、数据收发都在SPI总线上进行。CC1101的GDO0引脚连接到MCU的外中断INT1，当CC1101状态变化或是被唤醒时，向MCU发出中断请求，MCU运行程序完成相应的操作。
3.6 温度传感器
为简化电路，系统采用单总线温度传感器DS18B20来完成温度检测。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃。在单根总线上可连接多达8个芯片，大大简化了电路连接。MCU芯片第9脚DQ1即用于连接DS18B20。
4.结语
物联网技术是我国在嵌入式技术领域的新热点，无线传感器模块的低功耗问题是其能得到广泛应用的关键问题。文中设计的无线传感器模块，具有结构简单、成本低廉、技术成熟、功耗低的特点。文章所介绍的实现无线传感器模块的的设计方法，对设计无线传感器模块的开发人员，具有实际的参考价值。
参考文献
[1]郝毫毫.基于无线传感器网络的大棚环境参数采集系统[J].电子设计工程,2012,20(1):70-73.
[2]张永梅,杨冲,马礼等.一种低功耗的无线传感器网络节点设计方法[J].计算机工程,2012,38(3):71-73.
[3]郑国华,俆志保,邱云兰.一种低功耗无线传感器节点设计[J].福建电脑,2012,2:39-41.
[4]居锦武.基于嵌入式实时操作系统RTX51的软件系统设计[J].四川理工学院学报,2012,25(1):74-76.
[5]王兰英,居锦武.单片机C51与汇编语言混合调用的实现[J].四川理工学院学院学报,2008,21(3):57-59.
[6]居锦武,王兰英.一种单片机在线仿真方法的实现[J].四川理工学院学院学报.2008,21(2):51-53.
基金项目：自贡市科技局项目（10N19）。
作者简介：居锦武（1976—），男，上海人，硕士，副教授，主要研究方向：计算机体系结构，嵌入式计算机。
【关键词】无线；传感器；低功耗；嵌入式
1.引言
无线传感器网络是一种新的网络技术，该技术集信息采集、传输、处理于一体，在物联网飞速发展的情况下，无线传感器网络具有非常广泛的应用前景。无线传感器模块即网络节点，是网络的核心部件，无线传感器模块一般完成数据采集工作，间歇工作，采用电池供电，因此无线传感器模块的功耗大小将是重要的设计问题。本文以一个实际的无线传感器模块为例，说明了在模块硬件电路设计中采用的一些技术。
2.系统设计
2.1 系统功能需求
在温度大棚中，需要采集多种作物生成的外界要素，无线传感器模块的设计目的是实现一种用于采集温室大棚中，温湿度等参数的无线节点。该节点应包括以下功能：
采集土壤温度、空气温度、室外气温、灌溉水温等多种温度数据。
采集土壤湿度、空气湿度、室外湿度。
采集二氧化碳浓度。
采集光照度。
采集土壤PH值。
模块基于锂离子充电电池供电，可充电，充电一次可连续工作1个月以上。
无线数据传输距离大于100米。
2.2 系统结构
系统结构的设计框图如图1所示。系统由MCU单元、射频收发单元、传感器单元、电源电压变换单元、充电单元组成。所有单元均采用低功耗元件。对于耗电较多的单元，如MCU和射频收发单元均采用具有休眠功能的元件。无线传感器模块的MCU采用STC公司的STC11L04芯片，射频收发单元采用TI公司的CC1101芯片。系统平时处于休眠状态，主机发出唤醒命令时，系统被唤醒，完成采集和数据发送工作，然后又进入休眠状态。大大降低了系统的功耗。系统软件采用C51设计，基于RTOS结构。
3.硬件电路设计
3.1 电源电压变换
系统基于锂离子充电电池供电，锂电池的工作电压范围为3.6-4.2V，而MCU、无线模块、传感器的工作电压均为3.3V，因此应对锂电池电压进入变换，通过稳压芯片，转换为3.3V电压，供系统使用。转换芯片采用MAX1759，该芯片具有工作电压范围宽、外部电路连接简单、工作效率高的特点，比较适用于电压转换。电路图如图2所示。
3.2 充电电路
系统选用容量为3000mAH的锂电池，当电池电能耗尽时，可进行充电操作。充电电路输入5V电源，主控芯片选用CN3052A，这是一款常用的500mA单节锂电池充电芯片，该芯片使用恒压恒流方式充电，具有使能、芯片/电池温度保护、充电指示灯等功能。电路如图3所示。
图中D3为充电指示灯，电阻R17可控制充电电流，使用了5.6K的电阻。计算公式如下：
Ich=1800V/5600=322mA
对于3000mAH的锂电池，充满约需12小时。
3.3 MCU电路
微控制器芯片选用STC公司的STC11L04，该芯片工作电压3.3V，具有掉电休眠模式，掉电时耗电小于0.1μA。MCU电路发图4所示。图中，D1为工作指示，正常工作时，每秒闪烁1次；电池电量不足时，每秒闪烁2次；故障时，每秒闪烁3次。
3.4 电池电压检测
锂离子充电电池对于过放电非常敏感，系统设置了电池电压检测电路，对锂离子充电电池的端电压进行检测，以控制系统是否继续工作。该信息也可传回上位机。检测电路如图5所示。电路基于精密比较器LM258，组成2个回滞比较器，分别用于电池低压和耗尽的检测。在系统处于休眠状态时，比较器电路停止工作。
3.5 无线收发模块
无线收发模块采用TI公司的CC1101芯片，电路如图6所示。CC1101与MCU之间通过SPI总线连接，MCU对CC1101的初始化设置、命令发送、数据收发都在SPI总线上进行。CC1101的GDO0引脚连接到MCU的外中断INT1，当CC1101状态变化或是被唤醒时，向MCU发出中断请求，MCU运行程序完成相应的操作。
3.6 温度传感器
为简化电路，系统采用单总线温度传感器DS18B20来完成温度检测。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃。在单根总线上可连接多达8个芯片，大大简化了电路连接。MCU芯片第9脚DQ1即用于连接DS18B20。
4.结语
物联网技术是我国在嵌入式技术领域的新热点，无线传感器模块的低功耗问题是其能得到广泛应用的关键问题。文中设计的无线传感器模块，具有结构简单、成本低廉、技术成熟、功耗低的特点。文章所介绍的实现无线传感器模块的的设计方法，对设计无线传感器模块的开发人员，具有实际的参考价值。
参考文献
[1]郝毫毫.基于无线传感器网络的大棚环境参数采集系统[J].电子设计工程,2012,20(1):70-73.
[2]张永梅,杨冲,马礼等.一种低功耗的无线传感器网络节点设计方法[J].计算机工程,2012,38(3):71-73.
[3]郑国华,俆志保,邱云兰.一种低功耗无线传感器节点设计[J].福建电脑,2012,2:39-41.
[4]居锦武.基于嵌入式实时操作系统RTX51的软件系统设计[J].四川理工学院学报,2012,25(1):74-76.
[5]王兰英,居锦武.单片机C51与汇编语言混合调用的实现[J].四川理工学院学院学报,2008,21(3):57-59.
[6]居锦武,王兰英.一种单片机在线仿真方法的实现[J].四川理工学院学院学报.2008,21(2):51-53.
基金项目：自贡市科技局项目（10N19）。
作者简介：居锦武（1976—），男，上海人，硕士，副教授，主要研究方向：计算机体系结构，嵌入式计算机。