基于MSP430F149與Si4432的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用領(lǐng)域非常廣。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)一般通過(guò)電池供電， 硬件結構簡(jiǎn)單， 通信帶寬小， 點(diǎn)到點(diǎn)的通信距離短， 所以工作時(shí)間有限及通信距離短成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)主要瓶頸。如果要求工作時(shí)間長(cháng)同時(shí)通信距離遠， 就必須在軟硬件上同時(shí)做處理。因此本設計在硬件上采用集成度高、功耗超低的MSP430F149 作為控制芯片， 以功能強大、外圍電路簡(jiǎn)單、功耗低的Si4432 作為無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，并通過(guò)電源管理芯片TPS61200 充分利用電池的能量( 只要電池電壓在0.2 V～5 V 范圍內整個(gè)系統即可正常工作) 。在軟件上， 所有節點(diǎn)之間都具有自組織能力， 通過(guò)轉發(fā)、多跳等方式進(jìn)行通信; 通信可覆蓋范圍廣。采用等待喚醒方式即休眠模式下經(jīng)喚醒進(jìn)入工作模式， 完畢后再進(jìn)入休眠模式的工作方式， 大大降低了能量的消耗; 充分考慮其工作壞境的惡劣性， 采用E2PROM 存儲技術(shù)及看門(mén)狗技術(shù)，系統把所有有用信息保存在E2PROM中， 當系統因外界干擾使程序進(jìn)入非正常工作時(shí)， 看門(mén)狗使系統復位， 然后從E2PROM 中讀取有用信息繼續工作， 增強了系統的抗干擾能力。

　　1 系統總體方案

　　系統由基站節點(diǎn)、傳感器節點(diǎn)和上位機組成。節點(diǎn)硬件主要包括7 部分： 處理器(MSP430F149 ) 、Si4432 射頻收發(fā)模塊、電源管理模塊、串口通信模塊、JITAG 下載模塊、傳感器接口模塊和E2PROM 存儲模塊?；竟濣c(diǎn)沒(méi)有傳感器模塊， 傳感器節點(diǎn)沒(méi)有串口通信模塊?；竟濣c(diǎn)由上位機USB 接口供電。傳感器節點(diǎn)使用2 節5號電池供電。采用TPS61200 作為電源管理器， 只要電池電壓在0.2 V～5 V 范圍內， 系統即可以正常工作， 大大地延長(cháng)了電池的使用時(shí)間。為了調試方便， 在節點(diǎn)上增加了撥碼開(kāi)關(guān)和LED 信號指示燈。整個(gè)系統軟件由上位機處理軟件、基站節點(diǎn)軟件、傳感器節點(diǎn)軟件三部分組成。在傳感器節點(diǎn)軟件設計上充分考慮了低功耗節能問(wèn)題， 因為它的能量主要消耗于無(wú)線(xiàn)射頻模塊， 因此在組網(wǎng)時(shí)盡量使Si4432 的輸出能量設定為最小， 且在沒(méi)有收發(fā)信息時(shí)工作在睡眠模式， 即等待喚醒模式。

　　2 自組織協(xié)議設計

　　在協(xié)議中， 通過(guò)定義數據包的格式和關(guān)鍵字來(lái)實(shí)現節點(diǎn)的自組織。

　　2.1 協(xié)議格式

　　自組織協(xié)議格式如圖1 所示。

　　
圖1 自組織協(xié)議格式

　　其中，Pre 表示前導碼， 這些字符雜波不容易產(chǎn)生， 通過(guò)測試和試驗發(fā)現， 噪聲中不容易產(chǎn)生0x55 和0xAA 等非常有規律的信號， 因此前導碼采用0x55AA。Sync( 同步字)在前導碼之后， 本系統設定的同步字為2 B， 同步字內容為0x2DD4 ， 接收端在檢測到同步字后才開(kāi)始接收數據。Key 表示關(guān)鍵字， 高6 位用來(lái)表示目標地址的級別， 接收節點(diǎn)會(huì )根據高6 位決定數據的去向( 比本級節點(diǎn)大則向下級節點(diǎn)傳， 若小則反之， 如果相等則判斷目標地址是否為本節點(diǎn)地址， 是則直接向目標表地址發(fā)送， 否則向上級發(fā)送節點(diǎn)回復重發(fā)應答) ; 低2 位用來(lái)區分各種情況下的數據( 命令信號、組網(wǎng)信息、采集信息、廣播信息) ; 接收節點(diǎn)會(huì )根據這些關(guān)鍵字低2 位分別進(jìn)入不同的數據處理單元。From 表示源地址， 是發(fā)送數據的節點(diǎn)地址;Mid 表示接收信息的中轉節點(diǎn)地址;Fina 表示數據的目標地址; 除廣播信息外， 每個(gè)信息都有唯一的源地址和目標地址;Data 表示有效數據， 這些數據隨著(zhù)關(guān)鍵字(Key) 的不同而采用不同的格式， 可攜帶不同的信息;Che 表示檢驗位， 說(shuō)明采用何種校驗方式( 校驗和還是CRC 校驗) ， 可避免接收錯誤的數據包;Flag 表示數據包的結束標志位。Si4432 內部集成有調制/解調、編碼/解碼等功能， 從而Pre 、Sync 和Che 都是硬件自動(dòng)加上去的， 用戶(hù)只需設定數據包的組成結構和部分結構的具體內容(如前導碼和同步字)。

　　2.2 自組織算法

　　網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)基站和若干個(gè)傳感器節點(diǎn)組成， 基站上電初始化后就馬上進(jìn)入低功耗狀態(tài)(Si4432 射頻模塊處于睡眠狀態(tài)) ; 傳感器節點(diǎn)隨機地部署在需要采集信息的區域內， 上電初始化后開(kāi)始組網(wǎng)。首先發(fā)送請求基站分配級別的命令， 若收到基站應答則定義為一級并把自身信息( 包括地址、級別等) 發(fā)給基站; 反之若發(fā)送次數達到設定值， 則向周?chē)濣c(diǎn)發(fā)送廣播信號， 通過(guò)周?chē)濣c(diǎn)應答信息整理得出自身的網(wǎng)絡(luò )級別， 并向周?chē)濣c(diǎn)及基站發(fā)送自身信息。如果還是未能分配到級別則延時(shí)等待其他節點(diǎn)分配好級別后重新請求入網(wǎng)。每個(gè)入網(wǎng)的傳感器節點(diǎn)都保存有周?chē)濣c(diǎn)( 上級、同級、下級節點(diǎn)) 信息( 級別及對應的地址) ， 最后就形成了網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。

　　自組織算法流程圖如圖2 所示。

　　
圖2 自組織算法流程圖

　　3 節點(diǎn)硬件設計

　　傳感器節點(diǎn)要求低功耗、體積小， 因此選用的芯片都是集成度高、功耗低、體積小的芯片， 其他器件基本上采用貼片封裝。節點(diǎn)硬件框圖如圖3 所示。

　　本設計中MCU 采用TI 公司生產(chǎn)的一種混合信號處理器MSP430F149 ， 內部資源豐富， 具有兩個(gè)16 位定時(shí)器、一個(gè)14 路的12 bit 的模數轉換器、6 組I/O、一個(gè)看門(mén)狗、兩路USART 通信端口等; 因此節點(diǎn)的外部電路非常簡(jiǎn)單， 并且還具有功耗超低的突出特點(diǎn)， 當工作頻率為1 MHz、電壓為2.2 V 時(shí)全速工作電流僅為280 μA， 待機狀態(tài)下電流低至1.6 μA。它的工作電壓范圍為1.8 V～3.6 V， 非常適合應用于電池供電的節能系統中。

　　Si4432 芯片是Silicon Labs 公司推出的一款高集成度、低功耗、寬頻帶EZRadioPRO 系列無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。其工作電壓1.8 V～3.6 V，可工作頻率范圍為240 MHz～930 MHz;內部集成分集式天線(xiàn)、功率放大器、喚醒定時(shí)器、數字調制解調器、64 B 的發(fā)送和接收數據FIFO， 以及可配置的GPIO 等[4]。Si4432 在使用時(shí)所需的外部元件很少，1個(gè)30 MHz 的晶振、幾個(gè)電容和電感就可組成一個(gè)高可靠性的收發(fā)系統， 設計簡(jiǎn)單， 且成本低。預留了大量外接傳感器接口， 外接傳感器的信號能以中斷方式喚醒節點(diǎn)。