無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由大量的具有通信和計算能力的傳感單元構成的智能測控網(wǎng)絡(luò )系統，它綜合了傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及分布式信息處理技術(shù)等，是新興的交叉研究領(lǐng)域，具有重要的研究?jì)r(jià)值和廣闊的應用前景，成為當今信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

在軍事應用中，大量的傳感器節點(diǎn)通過(guò)人工布設、火炮發(fā)射、飛行器空投等方式布放至監控區域，以自組織的方式構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，并采集聲音、震動(dòng)、磁、溫度、濕度等各種環(huán)境信息或監測對象的信息，實(shí)現感應、檢測、定位、監視和警戒等多方面的應用，提高戰場(chǎng)信息的感知、傳輸和處理能力。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )預示著(zhù)為戰場(chǎng)帶來(lái)新的電子眼和電子耳，將成為網(wǎng)絡(luò )中心戰和現代電子信息戰的重要組成部分。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )概述

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是將大量具有通信與計算能力的微小傳感器節點(diǎn)，通過(guò)人工布設、空投、火炮投射等方法部署在預定的監控區域，構成的“智能”自治測控網(wǎng)絡(luò )系統。使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息，并傳送到觀(guān)察者。感知對象、傳感器網(wǎng)絡(luò )和觀(guān)察者構成了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的三個(gè)要素。

一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構包括傳感器節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)和管理節點(diǎn)。大量傳感器節點(diǎn)隨機布設在監測區域內，通過(guò)自組織的方式構成網(wǎng)絡(luò )。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與傳統的無(wú)線(xiàn)ad-hoc網(wǎng)絡(luò )雖然有很多相似之處和共同特點(diǎn)，但二者之間也存在一些本質(zhì)的區別。無(wú)線(xiàn)ad-hoc網(wǎng)絡(luò )的目的是通過(guò)動(dòng)態(tài)路由和移動(dòng)管理技術(shù)，為用戶(hù)提供高質(zhì)量的數據傳輸服務(wù)，本質(zhì)上是一種數據網(wǎng)，節點(diǎn)的計算和通訊能力較強，并有持續的能量供給。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )以監控物理世界為主要目標，是一種測控網(wǎng)絡(luò )，節點(diǎn)的計算和通訊能力較弱，能量供給嚴重受限。歸納起來(lái)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有如下特點(diǎn)：規模大、密度高；無(wú)中心、自組織；網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)性強；節點(diǎn)資源受限；多跳路由；以數據為中心。

系統整體方案設計

本文針對戰場(chǎng)偵察監控的應用需求，基于MSP430F149單片機和無(wú)線(xiàn)射頻芯片nRF905，設計了一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統主要由普通傳感器節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)和上位機監控平臺組成。普通傳感器節點(diǎn)散布在觀(guān)察區域內，負責采集和觀(guān)察對象相關(guān)的數據，并將協(xié)同處理后的數據傳送到匯聚節點(diǎn)。匯聚節點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò )中的數據在上位機監控平臺上進(jìn)行處理和顯示。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計的好壞直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的質(zhì)量，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)主要由數據處理單元、無(wú)線(xiàn)通訊單元、傳感器單元、電源單元組成，如圖1所示。

針對野外條件下的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)監測和突發(fā)事件處理的應用需求，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在設計上，重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：①低功耗、低成本、小體積；②穩定性；③擴展性和靈活性。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)由處理器/射頻通訊板和傳感器板組成。處理器/射頻通訊板采用了超低功耗的MSP430F149單片機和具有多種工作模式的無(wú)線(xiàn)射頻芯片nRF905，傳感器板采用了聲音、加速度和磁性三種傳感器，用于實(shí)現對環(huán)境數據的采集和目標信息的探測，同時(shí)通過(guò)蜂鳴器、麥克風(fēng)以及音頻信號的接收放大和解碼電路實(shí)現節點(diǎn)間的測距。系統采用兩節5號電池供電。匯聚節點(diǎn)采用與普通傳感器節點(diǎn)相同的結構設計。

系統硬件設計

微處理器選型

MSP430系列單片機是美國TI公司推出的16位超低功耗、高性能類(lèi)型的混合信號控制器，專(zhuān)為超低功耗應用精心設計。其在1.8V~3.6V電壓下工作，適合于電池供電使用。高度靈活的時(shí)鐘系統、多種操作模式可大幅降低功耗，顯著(zhù)地延長(cháng)電池的使用壽命。同時(shí)，該產(chǎn)品將大量的外圍模塊整合在片內，適合于設計片上系統；有豐富的系列型號器件可供選擇，給設計者帶來(lái)很大的靈活性。MSP430單片機的這些特性，非常適合應用在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統中。

無(wú)線(xiàn)通訊單元設計

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9V~3.6V，工作于433/868/915MHz三個(gè)ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué)）頻道，頻道之間的轉換時(shí)間小于650μs。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，不需外加聲表面濾波器。Shock Burst工作模式，能自動(dòng)處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗）；通過(guò)SPI串口與微控制器通訊。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)，電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，內建空閑模式與關(guān)機模式，易于實(shí)現節能。這些特點(diǎn)使得nRF905非常適合在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中應用。

nRF905有兩種工作模式和兩種節能模式。兩種工作模式分別是Shock Burst TM接收模式和Shock Burst TM發(fā)送模式；兩種節能模式分別是關(guān)機模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個(gè)引腳決定。

nRF905工作于Shock Burst TM模式時(shí)，nRF905能夠提供高速的數據傳輸而不需要昂貴的高速MCU來(lái)進(jìn)行數據處理，與射頻數據包有關(guān)的高速信號處理都在nRF905片內進(jìn)行，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數據發(fā)射速率。nRF905提供給應用的微控制器一個(gè)SPI接口，數據速率由微控制器自己設定。在Shock Burst TM接收模式下，當一個(gè)包含正確地址和數據的數據包被接收到后，地址匹配(AM)和數據準備好(DR)兩引腳通知微控制器，微控制器就會(huì )對接收到的數據包進(jìn)行處理，處理完數據會(huì )根據相應的條件進(jìn)入各種工作模式。在Shock Burst TM發(fā)送模式，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生字頭和CRC校驗碼，當發(fā)送過(guò)程完成后，數據準備好引腳通知微處理器數據發(fā)射完畢，微處理器就可以根據情況讓系統工作在各種模式下。由以上分析可知，nRF905的Shock Burst TM收發(fā)模式有利于節約存儲器和微控制器資源。

nRF905的節能模式包括關(guān)機模式和空閑模式。在關(guān)機模式，nRF905的工作電流最小，一般為2.5μA。進(jìn)入關(guān)機模式后，nRF905保持配置字中的內容，但不會(huì )接收或發(fā)送任何數據?？臻e模式有利于減小工作電流，其從空閑模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動(dòng)時(shí)間也比較短。在空閑模式下，nRF905內部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)，工作電流跟外部晶體振蕩器的頻率有關(guān)。

選取nRF905作為傳感器節點(diǎn)的射頻通訊芯片，天線(xiàn)使用50Ω的單鞭天線(xiàn)。如圖2所示，TXEN、TRX_CE、PWR_UP是MSP430F149單片機輸出信號，用來(lái)配置nRF905的各種工作模式。SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_SCK和SPI_SCN是MSP430F149單片機與nRF905的通訊信號線(xiàn)。CD、AM和DR分別代表載波偵聽(tīng)、地址匹配和數據準備好，是nRF905返回給MSP430F149單片機的信號線(xiàn)。

傳感器單元設計

（1）聲音傳感器

聲音的監測采用Panasonic的全方位電容麥克風(fēng)WM-62A，它除了被用于普通的聲音記錄以外，還同蜂鳴器、麥克風(fēng)、音頻信號的接收放大和解碼電路，一起被用于聲音定位。聲音傳感器模塊的接口電路如圖3所示。蜂鳴器采用簡(jiǎn)單的固定頻率的共鳴器，用于產(chǎn)生固定頻率（如4KHz）的測距聲波。麥克風(fēng)接收到的聲音信號兩次經(jīng)過(guò)運算放大器MAX4466實(shí)現兩級放大，輸出信號送到單片機的模數轉換端口，同時(shí)該輸出經(jīng)過(guò)有源濾波器MAX4164連接到音調偵測器LMC567，可以實(shí)現聲調解碼，當蜂鳴器所發(fā)出的固定頻率的音調出現，音調偵測器LMC567就會(huì )輸出一個(gè)數字高低電平給單片機的中斷端口。

通過(guò)這一電路，能夠實(shí)現傳感器節點(diǎn)間的測距，采用基于聲波和電磁波的到達時(shí)間差測距的方法實(shí)現節點(diǎn)間測距，通過(guò)測量節點(diǎn)所廣播的聲波和電磁波到達同一節點(diǎn)的時(shí)間差，進(jìn)而基于信號傳播速度來(lái)確定節點(diǎn)間的距離。某一節點(diǎn)激勵蜂鳴器發(fā)聲，且同時(shí)廣播電磁信號，當周?chē)哪硞€(gè)節點(diǎn)接收到電磁波信號后，定時(shí)器開(kāi)始工作，當該節點(diǎn)接收到測距聲波時(shí)定時(shí)器停止工作。由于電磁波的傳播速度很快，定時(shí)器測量的時(shí)間可以近似認為是聲波在兩節點(diǎn)間傳播的時(shí)間，進(jìn)而可計算出兩節點(diǎn)間的距離。然后通過(guò)一定的定位算法，可以實(shí)現傳感器節點(diǎn)的自身定位。

（2）加速度傳感器

ADXL202AE是廉價(jià)、低功耗的兩軸加速度傳感器，量程范圍為-2g到+2g。它可用來(lái)測量動(dòng)態(tài)加速度，也可用來(lái)測量靜態(tài)加速度。它具有較高的靈敏度(12.5%/g)，即使用低速計數器來(lái)對它輸出的PWM信號進(jìn)行解碼，也可以得到較高的分辨率。加速度傳感器模塊的接口電路如圖4所示。ADXL202AE芯片的集成度較高，其輸出形式一種是直接的模擬電壓信號，一種是數字信號。利用ADXL202AE雙軸加速度傳感器可以測量地震動(dòng)加速度，從而實(shí)現對目標的探測。

（3）磁性傳感器

磁性傳感器可以測量環(huán)境磁場(chǎng)強度，能夠探測到帶磁性的目標。美國Honeywell公司的低功耗二維磁阻傳感器HMC1052具有超低功耗，供電電壓低于1.8V；靈敏度達1mV/V/Oe，檢測磁場(chǎng)范圍達±60e；位于芯片上的置位/復位帶，減少了溫度漂移影響，也減少了大磁場(chǎng)存在引起的信號輸出損失；廣泛應用于羅盤(pán)、導航系統、高度參考、交通檢測、醫療設備、位置檢測等領(lǐng)域。

磁性傳感器模塊的接口電路如圖5所示。傳感器HMC1052測得的場(chǎng)強以差分信號的形式輸出，分別經(jīng)LMV358的兩個(gè)放大器進(jìn)行信號放大，放大后的信號送到單片機的ADC端口進(jìn)行數據采集。

電源管理單元設計

電能是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )珍貴的資源，它決定著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的壽命。節點(diǎn)的電源管理非常重要。本設計采用集成的模擬開(kāi)關(guān)芯片來(lái)實(shí)現電源控制，MAX4678是4路模擬開(kāi)關(guān)，通過(guò)節點(diǎn)平臺的I/O引腳來(lái)控制內部模擬開(kāi)關(guān)是否給后級的傳感器模塊供電；通過(guò)使沒(méi)有用到的傳感器不上電，以達到在無(wú)數據采集任務(wù)時(shí)及時(shí)關(guān)閉電源、節省電能的目的。電源管理單元電路如圖6所示。

其他外圍電路設計

串口電路

匯聚節點(diǎn)通過(guò)串口電路與上位機進(jìn)行通訊。由于節點(diǎn)上的單片機輸入、輸出電平是TTL電平，而上位機配置的是RS-232標準串行接口，兩者的電氣規范不一致，因此需解決它們之間電平匹配問(wèn)題。串口通訊電路如圖7所示，由MAX3232完成串口電平的轉換。

復位電路

復位操作有上電自動(dòng)復位和按鍵手動(dòng)復位兩種方式。上電自動(dòng)復位是通過(guò)外部復位電路的電容充電來(lái)實(shí)現的。圖8為傳感器節點(diǎn)的復位電路，它是上電自動(dòng)復位和按鍵手動(dòng)復位的結合。

撥碼開(kāi)關(guān)電路

撥碼開(kāi)關(guān)接在單片機的中斷端口上，可以模擬節點(diǎn)周?chē)沫h(huán)境突變，將傳感器節點(diǎn)從低功耗模式喚醒到工作模式。撥碼開(kāi)關(guān)電路如圖9所示，當撥碼開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電源VCC通過(guò)電阻R和撥碼開(kāi)關(guān)與地線(xiàn)形成回路，這時(shí)的P1.0~P1.3相當于地線(xiàn)短接，電壓為0；當撥碼開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電源VCC通過(guò)電阻和單片機的P1端口形成回路，此時(shí)的P1.0~P1.3電壓相當于電阻兩端的電壓。

插槽接口電路

傳感器節點(diǎn)由處理器/射頻通訊板和傳感器板組成，兩板通過(guò)插槽連接，如圖10所示。

系統軟件設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)（普通傳感器節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)）遵循休眠、喚醒、正常工作的工作模式。系統在完成初始化后，進(jìn)入低功耗休眠模式，等待被中斷喚醒且執行中斷程序，中斷執行完畢后，系統回到中斷前的狀態(tài)，繼續執行低功耗模式。節點(diǎn)的主程序流程如圖11所示。上位機處理軟件采用Visual Basic(VB)編寫(xiě)。VB支持面向對象的程序設計，具有結構化的事件驅動(dòng)編程模式。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的上位機處理軟件利用VB的MSComm控件來(lái)實(shí)現串口通訊，再加上VB中的其他常用控件，實(shí)現對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的分析、顯示和操作。

結束語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是實(shí)現實(shí)時(shí)監測和突發(fā)事件處理的有效方法。本文首先對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了概述，提出了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統的整體方案，然后從硬件部分和軟件部分兩個(gè)方面分別進(jìn)行設計。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統選擇了低功耗的MSP430F149單片機和具有多種工作模式的無(wú)線(xiàn)射頻芯片nRF905，采用了聲音、加速度、磁性三種傳感器，用于實(shí)現對環(huán)境數據的采集和目標信息的探測；還完成了電源管路單元設計和其他外圍電路設計。該網(wǎng)絡(luò )系統具有能耗低、體積小、成本低等特點(diǎn)。