一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的開(kāi)發(fā)

引言 

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統中，每個(gè)傳感器節點(diǎn)都具有無(wú)線(xiàn)通信功能，各個(gè)測點(diǎn)的傳感器單元，對此處的參數進(jìn)行測量，并組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，將測量數據通過(guò)該網(wǎng)絡(luò )以無(wú)線(xiàn)方式傳送到監控中心。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統與傳統的有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )相比，具有耗資小、安裝方便、維護和更新費用低等優(yōu)勢，非常適合用于對布線(xiàn)困難的區域、人員不能到達的區域和一些對臨時(shí)場(chǎng)合的狀況進(jìn)行遠程監測，如大型建筑的健康狀態(tài)監測、空間探索、災害預測、獲取敵方戰場(chǎng)信息等，也因此成為國際上的前沿熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

針對環(huán)境及結構狀態(tài)監測，我們設計了一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )由若干傳感器節點(diǎn)、一個(gè)無(wú)線(xiàn)接收功能的網(wǎng)絡(luò )控制節點(diǎn)及一臺計算機構成。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)分布于需要監測的區域內，執行數據采集、處理和無(wú)線(xiàn)通信等工作，網(wǎng)絡(luò )控制節點(diǎn)接收各傳感器的數據并以有線(xiàn)的方式將數據傳送給計算機。結構如圖1所示。 
 


傳感器節點(diǎn)的硬件設計

總體結構

傳感器節點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )的基本單元，由下列部件組成：微功耗微處理器、微功耗短距離射頻收發(fā)器、采集部分（各種傳感器）組成。節點(diǎn)結構示意圖如圖2所示。



微處理器

微處理器采用TI公司的MSP430的F149單片機。TI 公司的MSP430 系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作；其控制器具有強大的處理能力和豐富的片內外設；帶FLASH 存儲器的單片機還可以方便高效地進(jìn)行在線(xiàn)仿真和編程。MSP430家族分為MSP430X1XX、MSP430X3XX、MSP430X4XX 三個(gè)系列。MSP430F149是MSP430X1XX 系列中的功能最強的單片機。

MSP430F149 包含的組件為：
（1）基礎時(shí)鐘模塊，包括1 個(gè)數控振蕩器（DCO）和2 個(gè)晶體振蕩器；
（2）看門(mén)狗定時(shí)器Watchdog Timer，可用作通用定時(shí)器；
（3）帶有3 個(gè)捕捉／比較寄存器的16 位定時(shí)器Timer_A；
（4）帶有7 個(gè)捕捉／比較寄存器的16 位定時(shí)器Timer_B；
（5）2 個(gè)具有中斷功能的8 位并行端口：P1 與P2；
（6）4 個(gè)8 位并行端口：P3、P4、P5 與P6；
（7）模擬比較器COMPARATOR_A；
（8）12 位A/D 轉換器；
（9）2 通道串行通信接口（軟件選擇UART/SPI 模式）；
（10）1 個(gè)硬件乘法器；
（11）60 KB＋256字節FLASH，2 KB RAM。

MSP430F149 豐富的片內外設可使整個(gè)電路變得異常簡(jiǎn)化，減少了節點(diǎn)的功耗和體積。

MSP430 系列單片機最顯著(zhù)的特點(diǎn)就是它的超低功耗，在1.8～3.6V 電壓、1MHz 的時(shí)鐘條件下運行，耗電電流在0.1～400mA 之間，RAM 在節電模式耗電為0.1mA，等待模式下僅為0.7mA。能耗是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的瓶頸，節點(diǎn)必須依靠電池供電，所以CPU 采用MSP430F149 是最佳的選擇。MSP430F149 采用16 位RISC 結構，其豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的內核指令、較高的處理速度（8M 晶體驅動(dòng)，指令周期125ns）、大量的寄存器以及片內數據存儲器使之具有強大的處理能力。另外，MSP430F149 的運行環(huán)境溫度范圍為 40～+85℃，可以適應各種惡劣的環(huán)境。

射頻模塊

射頻模塊是節點(diǎn)中重要的組成部分，采用RFWaves 公司生產(chǎn)的短距離RF收發(fā)器芯片組RFW102，它是一個(gè)物理層RF收發(fā)器，工作在2.4GHz，包含一個(gè)印在印制板上的天線(xiàn)，無(wú)需外部天線(xiàn)。RFW102采用DSSS直接序列擴頻技術(shù)；工作電壓很寬2.7～3.6V，適合不同的電池供電；功耗低：待機電流僅1 A，喚醒時(shí)間20 s。模塊提供一個(gè)擴頻脈沖管作通信用，速率達到1Mbps。該產(chǎn)品成本比藍牙低，通信距離可達20米（室內），80米（室外）。

射頻模塊與微處理器的連接采用與RFW102配套的產(chǎn)品RFW-D100。該產(chǎn)品主要用來(lái)為發(fā)射機和MCU(微處理單元) 提供通用接口。它可為MCU和RFW-102 提供透明的并行同步接口和存儲器接口， 以及適合執行無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的其它性能。同時(shí)， 也可以將輸入數據轉換成適合MAC運行的8比特字段。此外， RFW-D100 還具有特別設計的節能結構和多種工作模式，而且功耗也很低。采用RFW-D100接口芯片，很大程度上減小了設計難度，縮短了設計周期。射頻模塊與微處理器的接口示意圖如圖3。



使用射頻模塊時(shí)，有兩個(gè)問(wèn)題需要注意：第一個(gè)是當發(fā)送完成后，一定要將發(fā)送使能引腳和發(fā)送數據引腳置為低電平。否則一方面會(huì )消耗電能，另一方面射頻模塊將一直發(fā)送一個(gè)單頻載波信號，干擾周?chē)濣c(diǎn)的工作； 第二個(gè)是無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊從待機狀態(tài)轉變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，之間有大約20 s的延時(shí)。在此期間，輸入發(fā)送模塊的數據不能被正確發(fā)送，所以在準備發(fā)送之前，應提前將發(fā)送使能置為高電平。

傳感器 

信號采集部分是由若干個(gè)傳感器組成。加速度傳感器采用ADXL210，可測量雙軸向加速度，輸出循環(huán)數字信號，可與單片機直接接口，無(wú)須放大A/D電路；功耗低于0.6mA，單電源供電范圍為＋3~＋5.25V；只須調節外接電阻就可方便地調整數字信號的循環(huán)輸出周期；測量范圍為 10g。MSP430F149的定時(shí)器Timer_A有三個(gè)捕獲器，可以選擇兩個(gè)用于對ADXL210L輸出的兩路循環(huán)數字信號進(jìn)行測量，實(shí)現與加速度傳感器方便的接口，ADXL210與微處理器接口示意圖如圖4。



溫度傳感器采用AD7416，10位溫度數字轉換器；漏極開(kāi)路超溫掉電輸出，可以實(shí)現“線(xiàn)與”；I2C兼容的串行接口；可選的串行總線(xiàn)地址，允許在單一總線(xiàn)上連接多達8個(gè)AD7416；低功耗掉電方式(典型2mA)；400ms更新速率； 55~+125℃溫度測量范圍。

節點(diǎn)采用電池供電，由于電池的能量有限，而且節點(diǎn)可能工作在不易到達的區域，電池不便經(jīng)常更換。所以在進(jìn)行設計的時(shí)候，節能是需要優(yōu)先考慮的問(wèn)題。首先，單片機應以最快的速度執行任務(wù)，一旦有可能就進(jìn)入節能模式。在節能模式中，通過(guò)管理電路，將除單片機以外的器件的供電切斷。進(jìn)入節能模式后，如果監控中心需要訪(fǎng)問(wèn)該節點(diǎn)，則通過(guò)射頻收發(fā)模塊喚醒該節點(diǎn)的單片機。 

實(shí)驗

用此節點(diǎn)組成了一個(gè)如圖5所示的單跳網(wǎng)絡(luò )，使用RFWaves 公司的CSMA協(xié)議進(jìn)行測試。網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)固定的節點(diǎn)號，其中與計算機連接的無(wú)線(xiàn)接口模塊作為主站，傳感器節點(diǎn)作為從站，可以被主站尋址。傳感器節點(diǎn)開(kāi)機后進(jìn)入待機狀態(tài)，當收到主站的尋址請求時(shí)觸發(fā)中斷，將自己的信息發(fā)送出去。數據發(fā)送完畢，又進(jìn)入待機狀態(tài)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )時(shí)序由主站統一控制，保證了不會(huì )出現訪(fǎng)問(wèn)沖突。


RFWaves 公司的CSMA 協(xié)議是專(zhuān)為RFW102 芯片組和RFW- D100 連接管理器而開(kāi)發(fā)的。此協(xié)議安裝容易，并支持多種網(wǎng)絡(luò )拓展，如最簡(jiǎn)單的對等拓展、或有大量節點(diǎn)的星型拓展。它能有效管理RFW102 和RFW- D100 的功率消耗, 因而具有最低的平均功耗，而使用重發(fā)和確認技術(shù)則可確保收發(fā)數據的可靠性。載波監聽(tīng)和RSSI 技術(shù)可支持與其它發(fā)射機的優(yōu)化共存， 同時(shí)可避免沖突和減少干擾。

由振動(dòng)傳感器采集并發(fā)送到主機的振蕩信號如圖6。
圖6 傳感器節點(diǎn)上振動(dòng)傳感器傳到主機的數據(略)



結束語(yǔ)

此次傳感器網(wǎng)絡(luò )系統中傳感器節點(diǎn)以低功耗單片機MSP430F149為核心，采用射頻模塊RFW102芯片組進(jìn)行通信，傳感器選用專(zhuān)用集成電路。節點(diǎn)使用電池供電，軟硬件設計方面都最大程度上做到節約電能，以延長(cháng)節點(diǎn)使用壽命。實(shí)驗表明此系統穩定性好，通信效率高。
節點(diǎn)設計完成后，下一步要做的工作是基于此節點(diǎn)進(jìn)行多跳傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的設計研究，設計實(shí)現的過(guò)程中還會(huì )對節點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步完善。