由MSP430和CC1100構成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

2.3 數據采集單元

　　節點(diǎn)的數據采集單元可以根據實(shí)際需要和被監測物理信號特征選擇合適的傳感器，如光照、壓力、振動(dòng)、溫度、濕度、土壤鹽堿度等。

　　本文數據采集單元采用了Sensirion公司的數字式溫濕度傳感器DHT90。DHT90集成了溫度／濕度傳感器、信號放大調理器、A／D轉換器和總線(xiàn)接口，能夠進(jìn)行全校準數字輸出，可以直接提供溫度在-40℃～120℃范圍內、分辨率為14位、濕度在0～100％RH范圍內且分辨率為12位的數字輸出。

2.4 時(shí)間控制單元

　　時(shí)間控制單元用于設置、記錄數據采集的時(shí)間，以便后臺用戶(hù)能夠依靠采集時(shí)間對數據進(jìn)行處理。本文選用Maxim公司的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1337作為時(shí)間控制單元。DS1337可以工作在1.8～5.5 V，并且具有很低的功耗，在休眠模式下僅需要15 μA。

2.5電源供應單元

　　本文采用兩節7號堿性南孚電池為整個(gè)節點(diǎn)供電。為了能夠及時(shí)獲取節點(diǎn)電池的電量狀況，并根據電池的剩余電量狀況和放電特性來(lái)調整節點(diǎn)的通信狀態(tài)，本文利用MSP430F1611芯片內部集成的ADC12模塊測量電源正極電平值，并通過(guò)將所測電平值與參考電平進(jìn)行比較，得到轉換數據NADC，最后電源的電壓Vin可以由下式得出：

　　式中：VR+為參考電壓正極，VR-為參考電壓負極，Vin為ADC12轉換得到的電壓值，NADC為單片機轉換寄存器值。

2.6 串口通信單元

　　網(wǎng)絡(luò )中只有Sink節點(diǎn)才包含串口通信單元，終端節點(diǎn)無(wú)需串口通信單元。Sink節點(diǎn)的處理單元MSP430F1611通過(guò)串口通信單元與后臺監控主機通信。Sink節點(diǎn)通過(guò)串口通信模塊可以將自身收集的全網(wǎng)信息數據傳送給后臺監控主機，研究人員根據監控軟件對收集數據的智能處理結果向傳感器網(wǎng)絡(luò )發(fā)布數據和命令。

3 協(xié)議軟件設計

3.1 拓撲結構

　　制定網(wǎng)絡(luò )協(xié)議首先要確定的是網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構。本文所設計的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議采用簇-樹(shù)(cluster-tree)拓撲。簇-樹(shù)拓撲是由網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(coordinator)展開(kāi)生成樹(shù)狀的拓撲結構，適合于節點(diǎn)靜止或者移動(dòng)較少的場(chǎng)合；不需要存儲路由表，具有路由算法復雜度低、無(wú)初始延時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 通信協(xié)議棧

　　無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的設計目的是使具體的通信機制與上層的應用分離，為傳感器節點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò )通信的功能。為了降低網(wǎng)絡(luò )設計的復雜性，采用分層設計，參考OSI模型，將整個(gè)協(xié)議分為4層：物理層，提供簡(jiǎn)單但健壯的信號調制和無(wú)線(xiàn)收發(fā)技術(shù)；MAC層，負責數據成幀、幀檢測、媒體訪(fǎng)問(wèn)和差錯控制；網(wǎng)絡(luò )層，主要負責路由生成和路由選擇；應用層，包括一系列基于監測任務(wù)的應用層軟件。

　　整個(gè)系統協(xié)議設計包括Sink節點(diǎn)協(xié)議設計和終端節點(diǎn)協(xié)議設計。由于篇幅有限，本文僅介紹終端節點(diǎn)的軟件協(xié)議和系統主程序。

　　終端節點(diǎn)在初始化成功后進(jìn)入信道掃描偵聽(tīng)狀態(tài)，當偵聽(tīng)到有鄰居節點(diǎn)活動(dòng)時(shí)便向鄰居節點(diǎn)請求時(shí)標幀；節點(diǎn)依據接收到的時(shí)標幀同步自己的時(shí)鐘，節點(diǎn)時(shí)鐘同步后進(jìn)入接入狀態(tài)，接人成功后節點(diǎn)進(jìn)入業(yè)務(wù)狀態(tài)。處于業(yè)務(wù)狀態(tài)的節點(diǎn)，執行后臺和Sink節點(diǎn)發(fā)布的命令，進(jìn)行數據的傳感采集與傳輸，以及對鄰節點(diǎn)數據的中繼轉發(fā)。節點(diǎn)為了實(shí)現低功耗，必須在業(yè)務(wù)狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間進(jìn)行輪換。

4 系統節能問(wèn)題

　　在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )系統的設計中，節約能量一直是考慮的重中之重。系統的節能，一靠硬件系統本身的低功耗，二靠軟件協(xié)議的低功耗。在硬件方面，本文節點(diǎn)選擇的都是低功耗的芯片，布板也充分考慮了低功耗要求；在軟件方面，除了采用休眠機制以外，還采用了基于電池能量模型的路由協(xié)議，使得節點(diǎn)能夠根據電池能量特性來(lái)工作，從而延長(cháng)了電池的使用壽命。

結 語(yǔ)

　　本文主要介紹了一種基于MSP430F1611單片機和CC1100無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，能夠實(shí)現精確采集環(huán)境溫濕度信息的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計和軟件設計方案。在實(shí)際組網(wǎng)測試中，筆者構建了19個(gè)終端節點(diǎn)和1個(gè)Sink節點(diǎn)的演示系統，節點(diǎn)每休眠兩個(gè)小時(shí)醒來(lái)一次，節點(diǎn)醒來(lái)之后采集數據并發(fā)送給觀(guān)察者。實(shí)驗表明，采用這種方式構建的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統數據采集及時(shí)準確，而且能以極低的功耗進(jìn)行工作。
參考文獻:

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