由MSP430和CC1100構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.3 數(shù)據(jù)采集單元

　　節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集單元可以根據(jù)實(shí)際需要和被監(jiān)測物理信號特征選擇合適的傳感器，如光照、壓力、振動、溫度、濕度、土壤鹽堿度等。

　　本文數(shù)據(jù)采集單元采用了Sensirion公司的數(shù)字式溫濕度傳感器DHT90。DHT90集成了溫度／濕度傳感器、信號放大調(diào)理器、A／D轉(zhuǎn)換器和總線接口，能夠進(jìn)行全校準(zhǔn)數(shù)字輸出，可以直接提供溫度在-40℃～120℃范圍內(nèi)、分辨率為14位、濕度在0～100％RH范圍內(nèi)且分辨率為12位的數(shù)字輸出。

2.4 時間控制單元

　　時間控制單元用于設(shè)置、記錄數(shù)據(jù)采集的時間，以便后臺用戶能夠依靠采集時間對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文選用Maxim公司的串行實(shí)時時鐘芯片DS1337作為時間控制單元。DS1337可以工作在1.8～5.5 V，并且具有很低的功耗，在休眠模式下僅需要15 μA。

2.5電源供應(yīng)單元

　　本文采用兩節(jié)7號堿性南孚電池為整個節(jié)點(diǎn)供電。為了能夠及時獲取節(jié)點(diǎn)電池的電量狀況，并根據(jù)電池的剩余電量狀況和放電特性來調(diào)整節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)，本文利用MSP430F1611芯片內(nèi)部集成的ADC12模塊測量電源正極電平值，并通過將所測電平值與參考電平進(jìn)行比較，得到轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)NADC，最后電源的電壓Vin可以由下式得出：

　　式中：VR+為參考電壓正極，VR-為參考電壓負(fù)極，Vin為ADC12轉(zhuǎn)換得到的電壓值，NADC為單片機(jī)轉(zhuǎn)換寄存器值。

2.6 串口通信單元

　　網(wǎng)絡(luò)中只有Sink節(jié)點(diǎn)才包含串口通信單元，終端節(jié)點(diǎn)無需串口通信單元。Sink節(jié)點(diǎn)的處理單元MSP430F1611通過串口通信單元與后臺監(jiān)控主機(jī)通信。Sink節(jié)點(diǎn)通過串口通信模塊可以將自身收集的全網(wǎng)信息數(shù)據(jù)傳送給后臺監(jiān)控主機(jī)，研究人員根據(jù)監(jiān)控軟件對收集數(shù)據(jù)的智能處理結(jié)果向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)布數(shù)據(jù)和命令。

3 協(xié)議軟件設(shè)計(jì)

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　制定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議首先要確定的是網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用簇-樹(cluster-tree)拓?fù)洹４?樹拓?fù)涫怯删W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(coordinator)展開生成樹狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適合于節(jié)點(diǎn)靜止或者移動較少的場合；不需要存儲路由表，具有路由算法復(fù)雜度低、無初始延時等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 通信協(xié)議棧

　　無線通信協(xié)議的設(shè)計(jì)目的是使具體的通信機(jī)制與上層的應(yīng)用分離，為傳感器節(jié)點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)通信的功能。為了降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，采用分層設(shè)計(jì)，參考OSI模型，將整個協(xié)議分為4層：物理層，提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；MAC層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；網(wǎng)絡(luò)層，主要負(fù)責(zé)路由生成和路由選擇；應(yīng)用層，包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件。

　　整個系統(tǒng)協(xié)議設(shè)計(jì)包括Sink節(jié)點(diǎn)協(xié)議設(shè)計(jì)和終端節(jié)點(diǎn)協(xié)議設(shè)計(jì)。由于篇幅有限，本文僅介紹終端節(jié)點(diǎn)的軟件協(xié)議和系統(tǒng)主程序。

　　終端節(jié)點(diǎn)在初始化成功后進(jìn)入信道掃描偵聽狀態(tài)，當(dāng)偵聽到有鄰居節(jié)點(diǎn)活動時便向鄰居節(jié)點(diǎn)請求時標(biāo)幀；節(jié)點(diǎn)依據(jù)接收到的時標(biāo)幀同步自己的時鐘，節(jié)點(diǎn)時鐘同步后進(jìn)入接入狀態(tài)，接人成功后節(jié)點(diǎn)進(jìn)入業(yè)務(wù)狀態(tài)。處于業(yè)務(wù)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行后臺和Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)布的命令，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳感采集與傳輸，以及對鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點(diǎn)為了實(shí)現(xiàn)低功耗，必須在業(yè)務(wù)狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間進(jìn)行輪換。

4 系統(tǒng)節(jié)能問題

　　在整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，節(jié)約能量一直是考慮的重中之重。系統(tǒng)的節(jié)能，一靠硬件系統(tǒng)本身的低功耗，二靠軟件協(xié)議的低功耗。在硬件方面，本文節(jié)點(diǎn)選擇的都是低功耗的芯片，布板也充分考慮了低功耗要求；在軟件方面，除了采用休眠機(jī)制以外，還采用了基于電池能量模型的路由協(xié)議，使得節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)電池能量特性來工作，從而延長了電池的使用壽命。

結(jié) 語

　　本文主要介紹了一種基于MSP430F1611單片機(jī)和CC1100無線收發(fā)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)精確采集環(huán)境溫濕度信息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際組網(wǎng)測試中，筆者構(gòu)建了19個終端節(jié)點(diǎn)和1個Sink節(jié)點(diǎn)的演示系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)每休眠兩個小時醒來一次，節(jié)點(diǎn)醒來之后采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給觀察者。實(shí)驗(yàn)表明，采用這種方式構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時準(zhǔn)確，而且能以極低的功耗進(jìn)行工作。
參考文獻(xiàn):

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