基于MSP430的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計

引言
　　
傳感測試技術(shù)正朝著(zhù)多功能化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò )化、無(wú)線(xiàn)化的方向發(fā)展。自組織無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Self Organizing Wireless Sensor Networks)作為新興技術(shù)，是目前國外研究的熱點(diǎn)，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和災難拯救等領(lǐng)域展現出廣闊的應用前景。早在 2003年美國自然科學(xué)基金委員會(huì )已經(jīng)斥巨資來(lái)支持這方面的研究，并且出現了一些致力于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的公司，其中Crossbow公司已推出了Mica 系列傳感器網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品。國內很多大學(xué)現已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域的研究，但大部分工作仍處在自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議性能仿真和硬件節點(diǎn)小規模實(shí)驗設計階段。本文就國防科技大學(xué)傳感器教研室開(kāi)展可應用于環(huán)境監測方面無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計與實(shí)現進(jìn)行介紹。 

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )模型（如圖1所示）是不同于傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的無(wú)基礎設施網(wǎng)，通過(guò)在監測區域內隨意布撒大量傳感器節點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)節點(diǎn)），由各節點(diǎn)自行協(xié)調并迅速組建通信網(wǎng)絡(luò )，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進(jìn)行工作任務(wù)劃分以獲取監視區域信息。網(wǎng)絡(luò )的自組織特性體現在當節點(diǎn)失效或新節點(diǎn)加入時(shí)網(wǎng)絡(luò )能夠自適應重新組建，以調整全局的探測精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，即網(wǎng)絡(luò )中的各節點(diǎn)除具備數據采集功能外兼有數據轉發(fā)實(shí)現多跳的路由功能。 



圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )模型

1.1 節點(diǎn)組成

典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)由數據采集、處理、傳輸和電源4個(gè)主要部分組成。傳感探測單元由傳感器進(jìn)行監測區域內待測對象的信息采集；微控制單元實(shí)現數據的分析、處理和存儲等功能；無(wú)線(xiàn)傳輸單元負責低功耗短距離節點(diǎn)間通信；供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節點(diǎn)的長(cháng)壽命和微型化。具體節點(diǎn)設計如圖2和圖3所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)結構

（1） 無(wú)線(xiàn)傳輸單元
　　
無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊選用挪威Nordic公司推出的nRF401芯片。nRF401是工作在ISM頻段433.92 MHz/434.33 MHz的單片無(wú)線(xiàn)收/發(fā)一體芯片，是包括了高頻發(fā)射/接收、PLL合成、FSK調制/解調和雙頻道切換等單元的高集成度無(wú)線(xiàn)數傳產(chǎn)品。 其最高傳輸速率可達20 Kb/s， 接收靈敏度為-105 dBm，最大發(fā)射功率為10 dBm，較其他類(lèi)別射頻收發(fā)芯片外圍電路設計簡(jiǎn)單。 設計中工作頻率鎖定在434.33 MHz，微控制單元僅須提供四根口線(xiàn)： 收發(fā)狀態(tài)切換TXEN、待機與工作狀態(tài)切換PWRUP和數據通信接口線(xiàn)DIN/DOUT。射頻信號輸出設計采用環(huán)形差分輸出天線(xiàn)。


圖3無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)實(shí)物圖片

（2） 微控制單元 
　　
TI公司MSP430系列單片機是一種具有集成度高、功能豐富、功耗極低等技術(shù)特點(diǎn)的16位單片機。超低功耗的混合信號控制器、豐富的片內外設、節能考慮的多種工作模式和對C語(yǔ)言程序設計的支持,使得MSP430系列單片機非常適合于應用在嵌入式系統中。設計中選用帶有Flash存儲器可進(jìn)行在線(xiàn)編程的MSP430x13x、MSP430x14x系列單片機；外圍模塊有看門(mén)狗、定時(shí)器A/B、同步/異步串行通信接口、10/12位A/D以及6個(gè)8位并行端口等多種組合形式。其實(shí)現功能如下： 

操作無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，為nRF401提供工作狀態(tài)控制線(xiàn)和兩條單向串行傳輸數據線(xiàn)； 

實(shí)現傳感器的數據采集——加速度、溫度、聲音和感光強度探測； 

本地數據處理——剔除冗余數據，以減少網(wǎng)絡(luò )傳輸的負載和對無(wú)線(xiàn)傳輸數據的封裝與驗證； 

應答遠控中心查詢(xún)，完成數據的轉發(fā)與存儲； 

區域內節點(diǎn)的路由維護功能； 

節點(diǎn)電源管理，合理地設置待機狀態(tài)，以節省能量消耗，延長(cháng)節點(diǎn)使用壽命。

（3） 傳感探測單元
　　
根據實(shí)際需要選擇合適傳感器對監測區域內溫度、濕度、振動(dòng)、聲音和光線(xiàn)等物理信號進(jìn)行測試。實(shí)驗設計選用了兩種外圍電路簡(jiǎn)單的數字式傳感器、光敏器件和駐極體話(huà)筒，分別對振動(dòng)、溫度、光強和聲音進(jìn)行探測。 

AD公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器。其采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅編碼微機械傳感器，集成精密的信號處理電路，可測靜態(tài)及動(dòng)態(tài)加速度，輸出為周期的占空比調制（DCM）循環(huán)數字信號。測試范圍為-2～+2 g，測試帶寬為0.01 Hz～5 kHz（外置單電容可調），60 Hz帶寬下分辨率為5 mg。該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監測、車(chē)輛安全和電池供電設備的運動(dòng)狀態(tài)測試等領(lǐng)域。 

Maxim公司的DS18B20是一線(xiàn)式數字溫度傳感器。測量結果可選用9～12位串行數據輸出，測量范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃測量準確度為