无线传感网络节点通常由4个子系统构成，其系统框图如图l所示。
2.1计算子系统
计算子系统通常是由一个微处理器和相应的通信协议、数据采集等程序组成。为了降低节点的功耗，要求微处理器以一种突发式的发送方案将采集到的数据发送出去，以便尽快转入低功耗模式，延长能量子系统的工作时问。
设计选用了Atmel公司推出的ATmega16型单片机。ATmega16是一款基于AVRRISC结构的高级Flash型8位CMOS单片机，其数据吞吐量高达1MI/s/MHz，能有效缓解系统在功耗和处理速度之间的矛盾。同时，ATmega16集成了丰富的片上资源：16KB的可编程Flash、512字节EEPROM、lKBSRAM，满足了绝大多数应用程序的开发要求，其内部Flash可重复擦写次数在10000次以上，极大地方便了产品开发和软件修改：8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC可以外接多个不同种类的传感器件：支持6种睡眠模式，其中掉电模式和省电模式的耗电仅为lμA～2.5μA，可有效降低节点功耗;3个灵活的定时器/计数器（T/C）除具有常见的定时计数功能外，还具有输入脉冲捕捉、脉冲宽度调制输出功能：高度灵活的可编程串行US-ART可以完成与其他串行设备的通信。
2.2通信子系统
通信子系统由一个无线收发器组成，用于节点之间的通信。当无线收发器处于空闲状态时，应将其关闭，以便降低节点功耗。
设计采用了常见的315无线收发模块作为长距离无线收发器（因收发频率为315MHz而得名）。315无线发射模块电路原理图如图2所示，它是由声表谐振器（SAW）和高频三极管组成的三点式振荡电路。TXD输入引脚通过三极管Q2控制高频振荡器。当TXD为高电平时，02导通，高频振荡器起振;当TXD为低电平时，Q2截止，高频振荡器停振。将ATmegal6的OC0引脚与TXD连接，即可完成OC0输出数据的OOK调制发射。
315无线超再生式接收电路由选频电路、高频放大电路、超再生检波电路和低频放大电路组成。它具有电路简单、灵敏度高等优点。发送调制信号经过选频电路选频后，送人超再生检波电路解调．再由低频放大电路放大后由输出引脚输出高电平。若无信号收到，则输出低电平。由超再生检波电路的特性可知，超再生式接收模块在没有收到信号的几毫秒后输出大量白噪声，直到再次接收到信号。
315无线收发模块的最大传输距离可以达到700m～800m。它在星形混合传感网络设计中可作为远距离传输节点，可以直接同汇聚节点通信，避免了短距离无线传感节点同汇聚节点多跳式的通信方式。延长了传感器网络的寿命。同时它还具有成本低廉、接口简单、抗干扰能力强等优点，因而广泛应用在报警器、遥控器、工业数据采集系统中。图3是315无线收发模块与ATmega16的接口示意图。
2.3能量子系统
能量子系统通常是由电池组成。它在很大程度上决定了无线传感节点的寿命。降低无线传感节点的功耗是无线传感网络设计成功的一个关键因素。
3基带脉冲带编码方案
315超再生式接收模块在没有收到信号的几毫秒后将产生白噪声，这一特性决定了基带脉冲编码方案不能采用非归零编码，否则在连续发送0的情况下，接收模块将输出白噪声。本文采用了一种类曼彻斯特编码。用占空比为50％的完整方波表示信息符号和特殊控制符号。以不同的方波周期区分信息位中的0和l，以及其他符号位。基带方波如图4所示，各符号的周期如表l所示。
当信号到达时，接收数据帧的第一位会受到接收模块产生的白噪声影响，为了消除白噪声，需在数据帧前加入一定数量的前导码。前导码的数量同无线传输环境和315模块元件参数有关。一般来说，十几个前导码就可以达到较好的接收效果。前导码后紧跟的起始位表示接收数据序列的开始。
以发送十六进制数0xAA（二进制10101010）为例，其数据帧结构如图5所示。
无线传感网络广泛应用于军事侦察、环境监测、目标定位等领域。一般来说，无线传感网络节点的设计要求具有功耗低、成本低、寿命长等特点。本文以ATmega16AVR单片机为核心元件，以常见的315射频模块作为无线收发模块设计了一种无线传感网络节点。该系统充分利用了ATmega16单片机丰富的片上资源和315模块较好的抗干扰特性，并可在达到设计要求的前提下，有效地降低硬件成本，具有较高的实用价值。
4软件设计
无线传感节点采用了AVRX嵌入式操作系统。AVRX是一款源码公开的、专门针对AVR系列单片机的嵌入式操作系统。虽然AVRX很难移植到其他微处理器上，但其自身占用程序空间小（包含所有功能的版本仅占用l000字节），消耗SRAM少，有利于应用程序的开发。因此，设计中放弃了可移植性好，但自身对SRAM消耗大的μCOS-Ⅱ嵌入式操作系统。
4.1发射子模块的软件设计
要将数据发送出去，首先要将数据符号和控制符号转变为可变脉宽的方波。其方法有三种：
（1）将PB3引脚作为通用输出引脚，利用AvrXDelay产生与脉宽相对应的延时，控制OC0产生可变脉宽的方波。这种方法的缺点是不能产生脉宽足够精确的方波，这是由于RTOS任务调度开销的不同所产生的。
（2）将PB3引脚作为通用输出引脚，利用编写的延时50μs的子程序实现。在延时子程序里关闭全局中断IE，停止AVRX的任务调度和ATmega16对中断的响应。这种方法可以产生脉宽精确的方波，但系统在发射数据期间不能处理其他事件，降低了系统的灵活性。
（3）利用T/C0的CTC模式产生脉冲，这时PB3引脚作为比较匹配输出引脚OC0。当T/C0工作在CTC模式下时，设置TCCR0中的COM01:0=l，则每当计数器的数值TCNTO=OCR0时，TCNT0清零，比较匹配中断标志置位，同时输出引脚OC0的逻辑电平自动翻转。在比较匹配中断中修改OCR0的数值，就可以产生脉宽精确的方波。这种方法利用硬件计数器产生延时，具有延时精确，占用系统资源少的优点。因此在设计中采用第三种方法。图6所示为T/C0中断服务子程序的流程图。
4.2接收子模块的软件设计
315超再生接收模块在没有信号时会产生白噪声，不断地引发ICP中断，增加了系统的开销。设计中，接收模块没有一直处于工作状态，而是采取了休眠-监听-接收（如果有数据）-休眠的工作方式，以降低系统开销。图7是捕获中断服务子程序的状态转换图。
5结束语
试验利用接入网络的PC机产生周围环境数据，通过有线网络和无线传感节点发送/接收数据。结果表明，采用ATmega16单片机和无线315通信模块设计的无线网络传感节点具有功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等优点，是组建无线传感网络的一种较好的解决方案。