作者：陸忠實，沈軍，羅護，胡博

引言

隨著傳感器技術、嵌入式計算技術、無線網絡通信技術、分布式信息處理技術以及微機電技術的不斷發展，出現了一種新型的網絡技術無線傳感器網絡技術。無線傳感器網絡能夠通過集成在網絡節點上的各類微型傳感器協作地實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息，通過嵌入式系統對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網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絡節點硬件系統的設計。

1 聲傳感器網絡結構

如圖1所示，聲傳感器網絡結構通常包括聲傳感器節點、匯聚節點和后臺監控設備等。

聲傳感器節點主要負責網絡的形成、數據的采集，并將數據通過多跳傳輸到匯聚節點。匯聚節點是無線傳感器網絡的中心節點，負責網絡的發起、拓撲的形成與維護、網絡數據的匯集與處理，以及與后臺監控設備的通信與信息交互。后臺監控設備負責數據的處理、網絡拓撲的控制、網絡的監護。為了感知監測區域內的聲音信息，可以通過人工布撒的方式把一定數量的聲傳感器節點部署在監測區域內，聲傳感器節點之間或者聲傳感器節點與匯聚節點之間就能夠自動形成一個自組織、多跳的網絡。聲傳感器節點周期性或者觸發式地采集聲音數據并與周圍的節點進行數據交換，將數據及時地通過自適應的路由，多跳中繼后傳輸給匯聚節點；匯聚節點將匯集的數據通過北斗通信模塊轉發給后臺監控設備，實現監測區域內聲音信息的上傳。

2 聲傳感器節點硬件系統

聲傳感器節點由主控芯片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。其硬件系統框圖如圖2所示。系統以低功耗為設計目標，所以硬件設計上均采用了同類產品中功耗最低或者較低的產品，以保證系統長時間的監測工作。

聲傳感器節點硬件系統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據采集和傳送協議的正常運行，方便程序的設計與實現；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公司生產的無線射頻芯片CC1100來實現。 CC1100是一款真正的低成本、低功耗、單片的UHF無線收發器；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，其數據傳輸率最高可達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：數據的自動組包與拆包、獨立的發送／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

由于各個節點需要獲取自身的位置和精確的時間，因此每個節點需安裝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點工作所需的能量，本節點可通過4節干電池或 USB端口供電。由于4節干電池和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點所需的電壓。此電源模塊設計采用的是AMS1117_3．3電壓調節器，它的作用是把4節干電池和USB端口提供的 5 V電壓調節到所需的3．3 V。其電路設計如圖7所示。

3 實驗結果

節點硬件系統上移植了TinyOS操作系統，基于操作系統進行各個模塊的消息驅動程序開發，最后進行路由算法的移植。使用2個節點（1個終端節點和1個匯聚節點）進行組網實驗，測試節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絡節點硬件系統有助于擴展不同類型的傳感器；此外，該系統還具有成本低、體積小、功耗低等特點，非常適應未來多樣化環境監測任務的需要。

責任編輯：gt