開(kāi)放式的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)平臺設計

摘要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種應用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )。不同的應用背景需求不同的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。硬件的相關(guān)性太強不利于向其他平臺移植。為解決該問(wèn)題，利用硬件的模塊化的設計思想，我們設計了一種開(kāi)放的可擴展的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)平臺。該平臺以MSP430F5438微處理器作為主控芯片，以CC2420作為射頻控制芯片。實(shí)驗證明該平臺具有低功耗、開(kāi)放式以及可擴展等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；開(kāi)放性；節點(diǎn)平臺；MSP430F5438；CC2420

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless sensor network，WSN)是一種全新的信息獲取平臺，由大量廉價(jià)的靜止的或移動(dòng)的傳感器模塊以自組網(wǎng)絡(luò )和多跳的方式構成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域內監測對象的信息，并報告給用戶(hù)。WSN在軍事、農業(yè)、環(huán)境監測、醫療衛生、工業(yè)、智能交通、建筑物監測、空間探索等領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景和巨大的應用價(jià)值，被認為是未來(lái)改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來(lái)4大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。
傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、微機電技術(shù)以及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷進(jìn)步推動(dòng)了低功耗、多功能WSN的飛速發(fā)展。WSN的研究人員設計了很多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件平臺，其大致分為兩類(lèi)：專(zhuān)用平臺和通用平臺。孫鵬等設計了一款基于Si1000的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)用于監測糧食的儲備環(huán)境；韋然設計了一款基于MSP430F1611的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)用于溫濕度檢測；郭燕紅設計了一款基于MSP430F149的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)用于對樓宇空調的智能監控；王新忠等設計了一款基于A(yíng)tmega128L的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)用于丘陵葡萄園環(huán)境信息和土壤墑情的無(wú)線(xiàn)監測。上述節點(diǎn)數據采集模塊固定只能針對具體的工作要求完成具體的任務(wù)，屬于專(zhuān)用節點(diǎn)。張偉等設計了一款基于A(yíng)RM7的開(kāi)放式的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )平臺；周應賓設計了一款基于A(yíng)RM處理器S3C2410的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )平臺。上述節點(diǎn)具有可擴展性而且具有較強的數據處理功能，屬于通用節點(diǎn)。上述節點(diǎn)平臺可以應用于不同的任務(wù)背景，但是ARM處理器相對于普通低速的單片機如，MSP430往往需要更多的能耗，這將大大縮減此類(lèi)平臺的生命周期。能耗問(wèn)題是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)重要的限制因素，如何高效使用能量來(lái)最大化延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò )所面臨的重要挑戰。這里我們設計了一款基于MSP4305438微處理器的開(kāi)放式的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。相對于一般的專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)我們的節點(diǎn)具有很好的開(kāi)放性和可擴展性，可以根據實(shí)際應用背景實(shí)現不同的功能。此外，相對于A(yíng)RM處理器為主控芯片的節點(diǎn)我們的節點(diǎn)具有更低的能耗。

1 系統總體設計
我們的系統在低功耗的基礎上要求其具備開(kāi)放性和可擴展性。為了實(shí)現這一目的我們在該系統的硬件設計時(shí)采用模塊化設計思想。一般的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)包括以下四個(gè)模塊：電源模塊、數據采集模塊、處理器以及存儲模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊。當一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的主控芯片給定后，根據不同的應用背景無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的差異性主要體現在數據采集模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊。數據采集模塊決定了其完成什么功能、無(wú)線(xiàn)通信模塊決定其使用哪種通信協(xié)議。
MSP430F5438微處理器具有豐富的外設，它具有多達10個(gè)8位I＼O口。我們可以預留多個(gè)I＼O口作為傳感器模塊接口、無(wú)線(xiàn)通信模塊接口以及通用接口。最后我們將數據采集模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊單獨設計最后通過(guò)接插件(插針和穿焊空)和處理器模塊預留的接口連接。這樣我們在針對不同的應用背景就可以方便地使用不同的傳感器模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊而不用再去設計處理器模塊甚至電源模塊。系統框圖如圖1所示。

2 硬件設計
節點(diǎn)主要包括6個(gè)模塊：電源模塊、JTAG模塊、傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊以及串口通信模塊。
2．1 電源及JTAG模塊
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)體積微小，通常以能量十分有限的電池供電。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通常分布在環(huán)境復雜甚至人不能到達的地方，而且分布范圍廣數量多，所以通過(guò)更換電池或充電的方式來(lái)補充能源是不可能的。由于成本和技術(shù)的限制，利用太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電來(lái)補充能量的方法目前也很難得到應用。如何高效的使用能量來(lái)最大化延長(cháng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的生命周期是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )所面臨的首要挑戰，這也是我們在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的軟硬件設計過(guò)程中應該重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
選用TI公司的MSP430F5438作為主控芯片，并利用JTAG仿真器通過(guò)JTAG接口將程序寫(xiě)入flash。JTFAG接口是一個(gè)雙向串行端口，可以控制MSP430的運行、刷新Flash以及讀寫(xiě)寄存器等等。MSP430單片機內部集成了遵循邊界掃描故障診斷的電路。這樣僅需要一個(gè)接口，就可以連接電腦進(jìn)行程序下載和調試了。這樣的好處是：傳統的仿真器是特殊設計的CPU，價(jià)格較貴，增加了開(kāi)發(fā)學(xué)習的成本。而TI公司給出了JTAG仿真器的電路設計，使用者可以自己制作，單片機自帶仿真接口，所以能夠降低用戶(hù)的開(kāi)發(fā)成本。由于可以通過(guò)JTAG口訪(fǎng)問(wèn)MCU內部程序存儲器，在發(fā)布產(chǎn)品時(shí)要將JTAG口切斷，否則產(chǎn)品可能會(huì )被別人仿制，從而造成損失。MSP430單片機的JTAG端口設計有一個(gè)熔絲。熔斷熔絲后就無(wú)法再通過(guò)仿真器進(jìn)行調試，而這種熔斷是不可逆轉的物理毀壞，所以能夠有效地保護用戶(hù)的程序不被盜用。