微電子和無線通信技術的飛速發展，使得低功耗、低成本、體積微小的傳感器網絡的研制成為可能^[1]。這種網絡的節點被放置在目標區域中，自組網絡，采集數據，通過無線通信設備將數據經多跳傳送到基站，由Internet或其他有線網絡傳到用戶終端。傳感器網絡的應用非常廣泛，可用于環境檢測、軍事探測、醫療保健等各個部門^[3]。它的應用將對人們的生活方式產生深遠的影響，該技術被美國《商業周刊》評為未來四大高技術產業之一。
　　本文介紹了一種無線傳感器開發系統的設計方法，包括節點和開發板。節點具有功耗低" title="功耗低">功耗低、通用性好的特點，帶有多種傳感器，可以感知溫度、濕度和光等，并帶有擴展口。開發板用于配置節點和下載程序。開發板具有友好的上位機" title="上位機">上位機用戶界面，并支持多種編譯系統生成的不同目標文件格式。
1 節點的硬件設計
　　傳感器節點的硬件結構主要由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和電源模塊組成^[4]。傳感器節點一般采用電池供電，由于節點放置在危險或不易到達的區域，更換電池幾乎是不可能，因此節能成為設計的關鍵技術，此外，還要控制成本和體積。設計的節點硬件框圖如圖1所示。

1.1 微處理器模塊
　　微處理器選用ATMEL公司的ATMELGA128L。該芯片功耗低，且有多種睡眠模式；多個中斷源，53個IO口，可以連接多個傳感器擴展口；內帶8路10位A/D轉換器，可以將傳感器送來的模擬信號轉換為數據信號；雙向I²C串行總線接口；主/從SPI串行接口；可編程串行通信接口；JTAG和SPI在線編程方式等。該芯片的豐富資源可以滿足節點數據處理和傳輸的要求，尤其是六種不同的睡眠模式，特別適合有能量限制的應用。

　　存儲器存放待處理或接收的數據，選用Microchip公司的25AA1024。該芯片的存儲量為1 024KB，功耗低，讀寫方式為SPI，占用IO口少。節點索引號產生器選用MAXIM公司的DS2411，用來產生48位隨機數，作為節點的惟一標識號^[1]。
1.2 射頻模塊
　　射頻芯片的選取直接影響節點的功耗，因為節點消耗能量的近2/3都用于無線收發^[5]。選用的射頻芯片為NORDIC公司的nRF24L01。該芯片功耗低，在相同工作模式下，比Chipcon 公司的CC2420芯片節省近1/3的能量；工作于2.4G～2.5GHz ISM頻段；支持高速跳頻；體積很?。煌鈬骷?，配置簡單，且使用兩層PCB板，節省成本。nRF24L01配置框圖如圖2所示。
　　nRF24L01與微處理器相連只需6根信號線，其中4根是SPI信號線，與ATMELGA128L的SPI口相連；其余一根為片選，另一根用于中斷請求。
　　射頻電路要取得好的RF性能，PCB設計必須合理。 nRF24L01的供電電源必須經過良好的濾波，并且與數字電路分開；避免長距離走線；在射頻信號輸出部分，根據發送功率設置濾波網絡，以實現阻抗匹配，使到達天線的信號最強。要防止高頻信號泄漏，否則會對發射信號造成很大干擾。由于天線要散播電磁能量，需選用Q值較小的器件。制作PCB板時，在器件周圍覆銅，以提高抗干擾性能。
1.3 傳感器模塊和擴展口
　　板上設有一光敏電阻感應光信號，由于是模擬信號，需接入ATMELGA128L的AD引腳進行AD轉換后才可處理。板上還裝有一數字型溫濕度傳感芯片SHT15,可感知溫度和濕度，精確度較高，且功耗低，采用I²C讀寫，占有IO口很少。
　　為了讓節點具有更廣泛的應用，節點板上接有擴展口，其中有I²C口、AD口和中斷口等，用來連接其他傳感器。
1.4 電源模塊和電能消耗
　　節點有兩種供電方式，在實驗室調試和測試時通過開發板供電，在外界環境中工作時，用2個AA電池供電。為了防止2個電源之間的干擾，在板上加有一個手動開關。
　　因為電能的消耗決定了傳感器節點的使用壽命，在節點的軟、硬件設計時，必須充分考慮能源的有效性。節點在各種運行模式下，必須關閉不必要的模塊以節省能量。
　　當通信采用節點定時關閉和打開的協議且關閉與打開的時間比為1：99時^[6]，使用2節1 000毫安時(mA-hr)的AA電池供電，節點耗能如表1所示。

　　在上述工作模式下，如果用2節1 000mA－hr的AA電池供電，則節點壽命為12.55個月。此值是在最大發送功率情況下計算的。當發送功率和收發速率變小時，耗能更少，傳感器的壽命會更長。
2 開發板的硬件設計
　　開發板的硬件系統框圖如圖3所示。

　　節點CPU的JTAG口接在開發板上。如果使用JTAG口下載和調試程序，則需要JTAG下載器。為此，設計了另一種下載方式，即串行下載。CPU通過USB口接收上位機的代碼，然后通過SPI口下載到節點CPU的FLASH。CPU為中心控制模塊，接收上位機的各種命令并進行相應處理。CPU芯片選用ATMEL公司的ATMELGA16L，該芯片帶有可編程UART口和工作于主機/從機模式的SPI口。
　　USB轉換芯片實現上位機端的USB數據與下位機" title="下位機">下位機端的UART數據之間的轉換。選用芯片為FT232BM。由于編程板CPU、ATMELGA128都要通過USB口與上位機通信，為了防止不同輸入輸出信號間的干擾，設計時用了兩個帶有使能控制的BUFFER來控制不同CPU串口通信的通斷。
　　為了更方便地配置傳感器節點，在板上集成了一塊E²PROM。目標代碼可以先存儲在E²PROM中。當需要向節點下載時，通過按鈕激發外部中斷即可將E²PROM的代碼通過SPI口寫入節點CPU。操作方便簡單，擺脫了上位機的限制。
　　節點連接器是17針的節點與開發板和擴展傳感器之間的接口，除了編程口和串口，還有連接傳感器的擴展口，包括I²C口、中斷口和AD口等。
　　節點CPU SPI編程共需4根信號線，其中3根SPI通信線與開發板CPU的SPI口相連，節點CPU的RESET信號由開發板CPU的IO口控制即可。
3 開發板軟件設計
3.1 上位機程序設計
　　用C++Builder 6.0編寫上位機程序，制作了用戶操作界面，并將不同編譯系統生成的多種目標文件格式轉換成上、下位機約定的文件格式，傳送給下位機。
　　為提高向ATMELGA128L的FLASH和E²PROM寫代碼的效率和便于從E²PROM向FLASH寫代碼，上位機傳送給下位機的代碼采用圖4所示的格式。

　　圖4中，地址指該段代碼要寫入FLASH的初始地址，包括2字節的頁地址和1字節的頁內地址；序列號表示該段代碼是全部代碼中的第幾段；長度指該段代碼的字節數，不包括地址和序列號。每一地址段代碼都采用表2的格式。

　　上位機程序支持的目標文件格式有：TinyOS、AVR GCC和IAR生成的Intel hex文件。Intel hex是Intel公司提出的一種文件標準，是最常用的目標文件格式之一^[2]。上位機程序還支持TI(德州儀器)公司提出的msp430-txt格式，該格式及說明如表2所示。
　　上位機程序將不同編譯系統生成的不同格式的目標文件轉換成圖4所示的格式，再發給下位機。上位機操作界面提供了各種命令按鈕，用戶點擊命令按鈕后，上位機即按制定的該命令模式處理協議發送命令和數據。在傳送文件時，為確保數據傳送不出差錯，采用了停止－等待傳輸協議。上位機發送約定長度的數據后停止發送，等接收到下位機發來的確認標志后再開始發送。上位機總程序框圖如圖5所示。

3.2 下位機程序設計
　　下位機接收上位機的命令，完成讀寫FLASH、E²PROM、鎖定位、熔絲位和USB口使用權的切換等功能。由于實現的功能較多，采用了模塊化、自下向上的結構化設計方法。首先按照ATMELGA128L數據手冊提供的SPI編程算法，用C語言實現了讀寫FLASH、鎖定位和熔絲位等模塊。
　　程序設計的一個難點是將接收的上位機發送的文件寫入FLASH或E²PROM，因為涉及到接收數據和寫FLASH或E²PROM的交互。解決方法是采用停止－等待傳輸協議進行數據傳送。下位機開辟約定數量的緩沖區，利用中斷接收上位機數據至緩沖區滿，處理完緩沖區數據后發送確認標志，上位機收到確認后再開始下一次發送。
　　按制定的協議寫ATMELGA128L的FLASH的流程圖如圖6所示。