基于MSP430F1611的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計

本文在簡(jiǎn)要介紹無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)體系結構的基礎上，從實(shí)際應用考慮，設計了一種基于MSP430F1611的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，詳細介紹了節點(diǎn)的硬件設計方案。 

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的體系結構 

    無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )的基本單元，節點(diǎn)的穩定運行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )可靠性的重要保障。在不同應用中，傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的組成不盡相同，但都由數據采集模塊(傳感器、A／D轉換器)、數據處理模塊(微處理器、存儲器)、數據傳輸模塊(無(wú)線(xiàn)收發(fā)器)和電源模塊(電池、DC／DC能量轉換器)四部分組成[2]。被監測物理信號的形式?jīng)Q定傳感器的類(lèi)型，處理器通常選用嵌入式CPU，數據傳輸模塊主要由低功耗短距離的射頻收發(fā)器組成。因為需要進(jìn)行復雜的任務(wù)調度與管理，需要一個(gè)微型化的操作系統，UCBerkely為此專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了TinyOS操作系統。傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的組成如圖1所示。



2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件設計 

    為了實(shí)現對溫度、濕度、光等多種物理信息的精確采集，并將采集信息進(jìn)行采樣、數模轉換，以及根據應用需求進(jìn)行相應的處理，把處理后的信息通過(guò)多跳轉發(fā)傳送回PC機進(jìn)行處理；同時(shí)為了滿(mǎn)足節點(diǎn)壽命和工作性能的要求，綜合考慮能耗、傳輸距離、數據速率、安全性和通用性等因素，本文所設計的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件平臺選用如下設計方案。 

    數據采集模塊選用了Sensirion公司的數字溫濕度傳感器SHT71以及光傳感器S1087和S1087-01；數據處理模塊選用了TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F1611；無(wú)線(xiàn)通信模塊選用了RFM公司低功耗、短距離的433.92MHz單頻點(diǎn)RF收發(fā)芯片TR3000；電源模塊采用CR2032紐扣電池為整個(gè)節點(diǎn)供電。傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件平臺如圖2所示。




2.1 數據采集模塊

        節點(diǎn)的數據采集部分可以根據實(shí)際需要和被監測信號的物理特征選擇合適的傳感器，如：溫度、濕度、光強、壓力、振動(dòng)等，本節點(diǎn)的設計可以對外界溫度、濕度、可見(jiàn)光、紅外光信號進(jìn)行精確采集。 

2.1.1溫濕度數據的采集 

    本節點(diǎn)的設計采用了Sensirion公司的數字溫濕度傳感器SHT71[3]。它是一款將溫／濕度傳感器、信號放大調理器、A／D轉換器和總線(xiàn)接口全部集成于一個(gè)芯片上的單片全校準數字輸出傳感器，可以直接提供溫度在-40℃～120℃范圍內且分辨率為14bit以及濕度在O～100％RH范圍內且分辨率為12bit的數字輸出。 

    SHT71采用串行時(shí)鐘輸入線(xiàn)SCK與單片機保持通信同步，串行數據線(xiàn)DATA收發(fā)通信協(xié)議命令和數據。其控制流程如下：程序開(kāi)始用一組"啟動(dòng)傳輸"時(shí)序表示數據傳輸的初始化(當SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA翻轉為低電平，緊接著(zhù)SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉為高電平)；然后發(fā)送一組測量命令('00000011'表示溫度，'00000101'表示相對濕度)后釋放DATA線(xiàn)，等待SHT71下拉DATA值低電平，表示測量結束，同時(shí)輸出采集數據到MSP430F16ll，讀取測量數據后可以通過(guò)下式計算出相對濕度和溫度值。 

溫度計算公式為：溫度=d1+d2XSOT 

相對溫度值如下： 

                    

相對濕度計算公式為：Rlinear=c1+c2xSORH+c3xS0RH2 

相對濕度值如下：


2.1.2 可見(jiàn)光與紅外光數據的采集 

    本節點(diǎn)的設計除了能夠對外界環(huán)境中的溫濕度數據進(jìn)行精確采集外，還可以通過(guò)光傳感器S1087和S1087-0l[4]來(lái)采集可見(jiàn)光數據和紅外光數據。該光傳感器是一種陶瓷包裝的光電測量計，它的測量輸出為標準電流信號，陶瓷封裝可用于光密封，因此背光和側光不能到達測量活動(dòng)區，從而可以得到可靠的可見(jiàn)光和紅外光范圍的光信號測量。 

    從傳感器輸出的是標準電流信號，由于A(yíng)／D轉換基準為電壓，所以ADCl2轉換的是電壓。因此采集電路通過(guò)100kΩ負載電阻將傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號后送入MSP430F1611的片內ADCl2模塊進(jìn)行轉換，ADCl2轉換輸出的最大值為4095。 

    在進(jìn)行光強值計算時(shí)，通過(guò)讀取處理器轉換存儲寄存器值可以得到轉換結果，由(1)式計算出電壓Vin，進(jìn)而得到電流值。再根據S1087／S1087-01的輸出特性曲線(xiàn)得到光強值。圖3給出了實(shí)際光信號與傳感器輸出電流信號的關(guān)系曲線(xiàn)。



其中：VR+為參考電源正端，VR-為參考電源負端，Vin為ADCl2轉換得到的電壓值，NADC為處理器轉換存儲寄存器值。 

   模擬量采集部分具有一定的通用性，只要連接不同類(lèi)型的傳感器就可以采集不同信號源的數據。



 2.2 數據處理模塊 

    數據處理模塊是傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的核心部分，一方面接收來(lái)自傳感器的測量數據，按要求對數據進(jìn)行處理和計算等，交給通信模塊發(fā)送；另一方面讀取通信模塊送入的數據信息，對硬件平臺其它模塊的操作進(jìn)行控制。 

    本節點(diǎn)選用TI公司的16位超低功耗單片機MSP430F161l[5]。該單片機電源采用1.8V～3.6V的低電壓，RAM數據保持方式下耗電僅為0.1μA，可以在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作。其中48KB Flash存儲器可以支持在線(xiàn)編程和仿真，并具有較強的處理能力和豐富的片內外設，具體如下： 

    看門(mén)狗可以在程序失控時(shí)迅速復位；16位定時(shí)器(Timer_A和Timer_B)具有捕獲／比較功能；大量的捕獲／比較寄存器可以用于事件計數、時(shí)序發(fā)生等；多功能串口(USART)可以實(shí)現異步、同步和I2C串行通信，可以方便地實(shí)現多機通信的應用；具有較多的I／O端口，最多達6x8條I／O口線(xiàn)，Pl、P2端口還可以接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12位A／D轉換器有較高的轉換速率，最高可達200kbps，能夠滿(mǎn)足大多數數據采集的應用。 

    單片機的接口電路非常簡(jiǎn)單，通過(guò)片內的A／D通道實(shí)現模擬量的采集。通過(guò)片內的A／D轉換部分不僅可以降低系統設計的復雜性，而且還可以提高系統的可靠性，避免接口的復雜性，同時(shí)還可以減小PCB板的面積；設計中采用一般I／O口實(shí)現數字量的采集電路接口；其中串口通信通過(guò)單片機內的UART。 

    實(shí)現；在單片機的時(shí)鐘設計上，考慮到通信速率的要求，MSP430F1611單片機采用一個(gè)4MHz的時(shí)鐘信號，該系統的時(shí)鐘部分均采用晶體振蕩器實(shí)現；考慮到電源的輸入紋波對單片機的影響，在電源的管腳增加一個(gè)O.1μF的電容來(lái)實(shí)現濾波，以減小輸入端受到的干擾。 

    在網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)需要處理的信息和數據大致可分為四類(lèi)：管理控制信息、網(wǎng)內組網(wǎng)交互信息、需轉發(fā)的數據和采集的數據。它們在節點(diǎn)中的處理流程如圖4所示。


2.3 無(wú)線(xiàn)通信模塊

       基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )所要求的數據傳輸速率不高及傳輸距離相對節點(diǎn)能耗控制要求嚴格的特點(diǎn)，綜合研究比較了幾類(lèi)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，選用RFM公司的TR3000[7]來(lái)完成通信模塊的設計。它是RFM公司推出的一款433.92MHz單頻點(diǎn)無(wú)線(xiàn)RF收發(fā)器，TR3000工作穩定，尺寸小，功耗低，在采用ASK調制方式時(shí)最高通信速率可達115.2kbps。在通信速率較低的情況下，通信距離可達100米，是短距離無(wú)線(xiàn)數據傳輸的理想選擇。

       TR3000可以很容易地與MSP430超低功耗微處理器相連接并通過(guò)軟件對TR3000進(jìn)行控制，使其處于不同的工作模式?？刂乒苣_CNTRL0和CNTRL1的狀態(tài)與工作模式的對應關(guān)系為：00一休眠模式；01一OOK發(fā)送模式；10-ASK發(fā)送模式；11一接收模式。TR3000電路原理圖如圖5所示。




 2.4 串口通信模塊 

    該節點(diǎn)的串口通信模塊主要負責PC 機與傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間的通信。在網(wǎng)絡(luò )中只有網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)(Sink節點(diǎn))中含有串口通信模塊。Sink節點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )中所特有的，主要向下級節點(diǎn)發(fā)送查詢(xún)命令，同時(shí)散布在外界環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)將采集到的信息通過(guò)多跳轉發(fā)送回Sink節點(diǎn)并通過(guò)串口送至PC機進(jìn)行處理。 

    MSP430F161l具有片內UART，因此實(shí)現串口通信相當容易。由于單片機與上位機進(jìn)行通信的接口電平不同，因此需要進(jìn)行接口電平轉換，串口通信電路的設計采用MAX3221實(shí)現單片機的TTL電平與PC機的RS232接口電平的轉換。 

2.5 電源模塊  

    在節點(diǎn)的設計中采用CR2032紐扣電池為整個(gè)節點(diǎn)供電，CR2032在大于2.8V的條件下能提供大約200mAh的能量。 

    為了及時(shí)了解節點(diǎn)的能量存儲和消耗狀況，并根據節點(diǎn)能量狀態(tài)來(lái)調整節點(diǎn)的通信策略[6]，本文將來(lái)自電源正極的電平值輸入到MSP430F1611的ADCl2模塊內，與參考電平進(jìn)行比較，通過(guò)讀取處理器轉換存儲寄存器值可以得到轉換結果，同樣由公式(1)可以計算出電壓Vin，從而掌握電源電壓的變化情況。 

3 節能策略的設計 

    在整個(gè)硬件平臺的設計中，節能一直是本文考慮的一個(gè)重要因素，它決定著(zhù)傳感器網(wǎng)絡(luò )的壽命。節點(diǎn)節能的最主要方式是休眠機制。當節點(diǎn)目前沒(méi)有傳感任務(wù)并且不需要為其他節點(diǎn)轉發(fā)數據時(shí)關(guān)閉節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信模塊、數據采集模塊等以節省能量。 

    這樣，一個(gè)傳感任務(wù)發(fā)生時(shí)，只有與之相鄰的區域內的傳感器節點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，才能形成一個(gè)活動(dòng)區域?；顒?dòng)區域隨著(zhù)數據向Sink節點(diǎn)傳送而移動(dòng)，這樣原先活動(dòng)的節點(diǎn)在離開(kāi)活動(dòng)區域后可以轉入休眠模式從而節省能量。另外，由于處理器系統中有一種活動(dòng)模式和五種低功耗模式，所以通過(guò)指令控制處理器時(shí)鐘的打開(kāi)與關(guān)閉(即采用不同的工作模式)，實(shí)現對總體功耗的控制來(lái)達到節能的目的。 

    在采用各種節能策略之后，整個(gè)硬件平臺的整體能耗如表1所示。

本文主要介紹了以MSP430F1611單片機為核心，實(shí)現對外界環(huán)境中溫度、濕度及光信號進(jìn)行精確采集的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件設計方案。在實(shí)際的組網(wǎng)測試中，筆者將其應用于黃河地區生態(tài)環(huán)境監測，構建了15個(gè)節點(diǎn)和1個(gè)Sink節點(diǎn)的小型網(wǎng)絡(luò )，一般情況下節點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，當有中斷請求時(shí)激活節點(diǎn)工作，采用中斷方式接收和發(fā)送數據，將采集到的數據傳輸給主機。實(shí)驗表明，采用這種方式建立的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有穩定可靠的性能，能以及低的電能消耗進(jìn)行工作，使功耗達到最低，從而滿(mǎn)足設計要求。