無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計與實現(xiàn)

摘要 設計了一種具有質(zhì)量輕、體積小、低成本、低能耗的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。該節(jié)點由MSP430單片機、CC2420射頻收發(fā)器、FT232BM轉(zhuǎn)換芯片、SHT11溫度濕度傳感器、外圍芯片、電源電路以及JTAG調(diào)試接口組成。通過JTAG調(diào)試，以及安裝TinyOS操作系統(tǒng)，節(jié)點較好地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、無線傳輸以及無線網(wǎng)絡功能。
關鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡；無線傳感器節(jié)點；MSP430；CC2420；SHT11，TinyOS

無線傳感器網(wǎng)絡是信息技術發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合傳感器、嵌入式、現(xiàn)代網(wǎng)絡以及無線通信、分布式信息處理等多種綜合性的技術。傳感器網(wǎng)絡能夠廣泛用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復雜機械控制、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領域。文中設計了一種無線傳感器節(jié)點，硬件設計基于Moteiv方案，采用超低功耗單片機MSP430F1611作為數(shù)據(jù)處理芯片，以CC2420無線射頻芯片作為收發(fā)芯片，并擁有JTAG以及其他擴展接口。通過硬件測試以及軟件調(diào)試該節(jié)點符合設計指標。

1 系統(tǒng)概述
無線傳感器網(wǎng)絡由大量無線傳感器節(jié)點組成，每個節(jié)點由傳感器采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理芯片負責接收和處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過無線射頻芯片進行數(shù)據(jù)的無線傳輸與接收以及無線組網(wǎng)功能。USB接口可以作為電源以及編程接口，一線硅序列號可作為節(jié)點的唯一標識，F(xiàn)la sh芯片用于存儲數(shù)據(jù)，JTAG口用于調(diào)試與編程。

2 硬件設計
節(jié)點主要由6部分組成：電源單元、無線射頻模塊、傳感器模塊、USB通信模塊和微處理器。
2．1 電源單元
傳感器節(jié)點體積微小，通常攜帶能量有限的電池。能量供應模塊在無線傳感器節(jié)點中至關重要，為傳感器節(jié)點各部分提供能量。需要長時間數(shù)據(jù)采集的傳感器有的需要太陽能等方式來維持節(jié)點的正常運轉(zhuǎn)。節(jié)點的各部分也需要精心設計。節(jié)點微處理器的工作電壓為1．8～3．6 V，無線射頻芯片工作電壓為2．1～3．6 V，F(xiàn)lash供電電壓為2．7～3．6 V，USB轉(zhuǎn)換芯片由USB供電。因此電源可以選用3 V紐扣電池供電，有效減少了節(jié)點的大小。另外USB也可以作為供電源，同時作為編程電源，電源單元如圖2所示。LC濾波單元對交流電具有較好的濾波效果，同時又不會降低直流輸出電壓。低壓差的穩(wěn)壓器ADP3339保證了電源較好的穩(wěn)壓性。

2．2 無線射頻模塊
節(jié)點中的無線收發(fā)機，采用Chipcon公司推出的一款兼容2．4GHz IEEE 802．15．4的無線收發(fā)芯片CC2420。它基于Chipeon公司的Smart RF03技術，使用0．18μm CMOS工藝生產(chǎn)，具有較高的集成度。該芯片體積小、功耗低，具有完全集成的壓控振蕩器，只需天線、16 MHz晶體等少量外圍電路就能在2．4GHz頻段上工作。CC2420采用O—QPSK調(diào)制方式；超低電流消耗，接收靈敏度可達到-94dBm，抗鄰道干擾能力強，其選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802．15．4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳輸速率高達250 kbit·s-1，可實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。

圖3中無線射頻模塊的外圍電路采用CC2420手冊提供的典型應用電路的器件數(shù)值，這樣保證了芯片能工作在正常狀態(tài)。另外為達到最優(yōu)性能，必須使用電源去耦，去耦電容和電源過濾的設置和大小對于在應用中獲得最優(yōu)性能起著關鍵作用，TI提供一個緊湊的參考設計，必須嚴格按照該設計進行。同時增加數(shù)字、模擬電源采用電容濾波。CC2420需要一個16 MHz的參考時鐘用于傳輸速率為250 kbit·s-1的數(shù)據(jù)收發(fā)，參考時鐘可以來自外部時鐘源，也可以由內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生，這里采用內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生的方式。天線阻抗匹配至關重要，為獲得較好的發(fā)射功率，在原有基礎上對部分電容、電感進行了適當?shù)恼{(diào)整。CC2420與微控制器的通信通過4線SPI總線實現(xiàn)(SI、SO、SCLK、CSn)，通過控制FIFO和FIFOP管腳接口狀態(tài)可以使芯片工作在發(fā)射或接收模式，另外CCA用于空閑信道評估，SFD用于控制時鐘或定時信息的輸入。