一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的開發(fā)

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都具有無線通信功能，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的傳感器單元，對(duì)此處的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并組成一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，將測(cè)量數(shù)據(jù)通過該網(wǎng)絡(luò)以無線方式傳送到監(jiān)控中心。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，具有耗資小、安裝方便、維護(hù)和更新費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，非常適合用于對(duì)布線困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域和一些對(duì)臨時(shí)場(chǎng)合的狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，如大型建筑的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)、空間探索、災(zāi)害預(yù)測(cè)、獲取敵方戰(zhàn)場(chǎng)信息等，也因此成為國(guó)際上的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。

針對(duì)環(huán)境及結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由若干傳感器節(jié)點(diǎn)、一個(gè)無線接收功能的網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)及一臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成。無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布于需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域內(nèi)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和無線通信等工作，網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)接收各傳感器的數(shù)據(jù)并以有線的方式將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)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(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)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(jī)。ti 公司的msp430 系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)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(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)；帶flash 存儲(chǔ)器的單片機(jī)還可以方便高效地進(jìn)行在線仿真和編程。msp430家族分為msp430x1xx、msp430x3xx、msp430x4xx 三個(gè)系列。msp430f149是

msp430x1xx 系列中的功能最強(qiáng)的單片機(jī)。

msp430f149 包含的組件為：

（1）基礎(chǔ)時(shí)鐘模塊，包括1 個(gè)數(shù)控振蕩器（dco）和2 個(gè)晶體振蕩器；

（2）看門狗定時(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(zhuǎn)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(jié)flash，2 kb ram。

msp430f149 豐富的片內(nèi)外設(shè)可使整個(gè)電路變得異常簡(jiǎn)化，減少了節(jié)點(diǎn)的功耗和體積。

msp430 系列單片機(jī)最顯著的特點(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(yùn)行，耗電電流在0.1～400ma 之間，ram 在節(jié)電模式耗電為0.1ma，等待模式下僅為0.7ma。能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，節(jié)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(jié)構(gòu)，其豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的內(nèi)核指令、較高的處理速度（8m 晶體驅(qū)動(dòng)，指令周期125ns）、大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使之具有強(qiáng)大的處理能力。另外，msp430f149 的運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為 40～+85℃，可以適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。

射頻模塊

射頻模塊是節(jié)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，無需外部天線。rfw102采用dsss直接序列擴(kuò)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(jī)電流僅1 a，喚醒時(shí)間20 s。模塊提供一個(gè)擴(kuò)頻脈沖管作通信用，速率達(dá)到1mbps。該產(chǎn)品成本比藍(lán)牙低，通信距離可達(dá)20米（室內(nèi)），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)品主要用來為發(fā)射機(jī)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(chǔ)器接口， 以及適合執(zhí)行無線通信協(xié)議的其它性能。同時(shí)， 也可以將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合mac運(yùn)行的8比特字段。此外， rfw-d100 還具有特別設(shè)計(jì)的節(jié)能結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)難度，縮短了設(shè)計(jì)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)問題需要注意：第一個(gè)是當(dāng)發(fā)送完成后，一定要將發(fā)送使能引腳和發(fā)送數(shù)據(jù)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(hào)，干擾周圍節(jié)點(diǎn)的工作； 第二個(gè)是無線發(fā)送模塊從待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)不能被正確發(fā)送，所以在準(zhǔn)備發(fā)送之前，應(yīng)提前將發(fā)送使能置為高電平。

傳感器

信號(hào)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(cè)量雙軸向加速度，輸出循環(huán)數(shù)字信號(hào)，可與單片機(jī)直接接口，無須放大a/d電路；功耗低于0.6ma，單電源供電范圍為＋3~＋5.25v；只須調(diào)節(jié)外接電阻就可方便地調(diào)整數(shù)字信號(hào)的循環(huán)輸出周期；測(cè)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(duì)adxl210l輸出的兩路循環(huán)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)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(shù)字轉(zhuǎn)換器；漏極開路超溫掉電輸出，可以實(shí)現(xiàn)“線與”；i2c兼容的串行接口；可選的串行總線地址，允許在單一總線上連接多達(dá)8個(gè)ad7416；低功耗掉電方式(典型2ma)；400ms更新速率； 55~+125℃溫度測(cè)量范圍。

節(jié)點(diǎn)采用電池供電，由于電池的能量有限，而且節(jié)點(diǎn)可能工作在不易到達(dá)的區(qū)域，電池不便經(jīng)常更換。所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，節(jié)能是需要優(yōu)先考慮的問題。首先，單片機(jī)應(yīng)以最快的速度執(zhí)行任務(wù)，一旦有可能就進(jìn)入節(jié)能模式。在節(jié)能模式中，通過管理電路，將除單片機(jī)以外的器件的供電切斷。進(jìn)入節(jié)能模式后，如果監(jiān)控中心需要訪問該節(jié)點(diǎn)，則通過射頻收發(fā)模塊喚醒該節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)。

實(shí)驗(yàn)

用此節(jié)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(cè)試。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)固定的節(jié)點(diǎn)號(hào)，其中與計(jì)算機(jī)連接的無線接口模塊作為主站，傳感器節(jié)點(diǎn)作為從站，可以被主站尋址。傳感器節(jié)點(diǎn)開機(jī)后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)收到主站的尋址請(qǐng)求時(shí)觸發(fā)中斷，將自己的信息發(fā)送出去。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，又進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序由主站統(tǒng)一控制，保證了不會(huì)出現(xiàn)訪問沖突。

rfwaves 公司的csma 協(xié)議是專為rfw102 芯片組和rfw- d100 連接管理器而開發(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(duì)等拓展、或有大量節(jié)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(rèn)技術(shù)則可確保收發(fā)數(shù)據(jù)的可靠性。載波監(jiān)聽和rssi 技術(shù)可支持與其它發(fā)射機(jī)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(jī)的振蕩信號(hào)如圖6。

圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)上振動(dòng)傳感器傳到主機(jī)的數(shù)據(jù)(略)

結(jié)束語

此次傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)以低功耗單片機(jī)msp430f149為核心，采用射頻模塊rfw102芯片組進(jìn)行通信，傳感器選用專用集成電路。節(jié)點(diǎn)使用電池供電，軟硬件設(shè)計(jì)方面都最大程度上做到節(jié)約電能，以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用壽命。實(shí)驗(yàn)表明此系統(tǒng)穩(wěn)定性好，通信效率高。

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)完成后，下一步要做的工作是基于此節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程中還會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步完善。