无线传感嚣网络的嵌入式网关硬件设计

为了提高无线收发系统的效率，保证传输距离，射频电路天线的选取也至关重要，其中包括射频天线形状、输出方向、天线长度、天线材料等一系列因素。射频电路常用差动天线、不平衡天线。典型的差动天线(如双极天线)，不需要巴伦(balun)匹配可直接接人。其他短距离通信的天线有单极天线、螺旋天线和环状天线。螺旋天线可以看作是单极天线和环状天线的混合，但是优化起来比单极天线困难。环状天线易于集成到印刷电路板(PCB)中，但是由于发射阻抗非常低，难于匹配，且匹配效果不好，因此设计中选用单极天线。
单端单极天线要求在差分输出和天线之间有巴伦匹配。巴伦匹配可以采用传输线形式，也可以采用离散元器件形式，两种形式都等效于在天线连接处匹配了50 Ω的负载。传输线形式较离散元器件形式，不仅改善了误差向量幅度性能，而且灵敏度和谐波抑制也得到改善，所以设计中采用了传输线形式。CC2430无线收发PCB布线图如图6所示。

在PCB布线方面，λ／2巴伦匹配的传输线确保射频信号在正确的频段，同时要远离有耗材料(比如电池)，靠近射频芯片以减少两者之间的射频损耗。另外，还要避免数字信号对其的干扰。因此，传输线各方向上要留有一定的避让空间，该距离与工作频率成反比。避让空间没有固定公式，根据物理形状、材料的射频损耗等确定。对于芯片，避让空间的最小半径在λ／100左右；对于较大的有源损耗体(如AA电池)，最小半径在λ／10左右(λ为无线通信频率的波长)。采用的巴伦匹配传输线的避让空间如图6所示。经匹配后的网关与节点能在150～200 m的范围内自由通信，传输效果令人满意。
3．4 存储单元
微处理器自带128 KB Flash不能满足操作系统的移植存储的代码量，以及传感器节点每天采集的数据量(64个节点一天大约4．3K)，故必须进行存储器的扩展。结合考虑微处理器外设接口和数据存储读写速度，选择2 Mb的非易失性铁电随机存储器FM25H20。其硬件原理图如图7所示。

FM25H20具有无限的读写次数，掉电数据多达10年保持时间，写数据无延时，快速SPI串行协议，高达40 Mbps的总线速度，完善的软、硬件写保护，极低的静态工作电流(5μA)，非常适合本嵌入式网关设计的需要。
3．5 电源模块
无线传感器网络节点一般工作在无人值守的环境下，所以选择能源非常重要；另外，自然界的能源补充也至关重要。设计中采用太阳能电池板实现整个系统的能源供给。比较当今常用电池性能，分析计算设计节点各模块的功耗，选择额定电压为3．7 V、容量为1 Ah的高能量密度电池锂离子电池(Lithium Ion battery)。与同样大小的镍镉电池、镍氢电池相比，电量储备最大、重量最轻、寿命最长、充电时间最短、无记忆效应，是目前性能最好的电池。双组电源轮流供电(一用一备)，利用无线收发模块A／D采样、自动监测控制电池电压，根据设计的电池上下限值自动开启太阳能电池板对其自动充电，始终做到整个节点电源供给稳定。

结 语
本文针对无线传感器网络特点，对WSN网关进行了研究，并给出了详细的硬件实现方案。关键模块是：基于SIM1300C模块的GPRS接口实现无线网络到有线网络的数据传输；基于CC2430芯片的RF收发电路。通过研究，较好地解决了WSN数据从采集地到监控中心的双向传输问题，从逻辑上将物理世界与信息世界更加紧密地融合于一体；在低功耗、高速度、低噪声、低成本方面取得了较为满意的结果，为开发和构造无线传感器网络开拓了新的应用领域。