無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的具有通信和計算能力的傳感單元構(gòu)成的智能測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它綜合了傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)及分布式信息處理技術(shù)等，是新興的交叉研究領(lǐng)域，具有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景，成為當今信息領(lǐng)域的研究熱點。

在軍事應(yīng)用中，大量的傳感器節(jié)點通過人工布設(shè)、火炮發(fā)射、飛行器空投等方式布放至監(jiān)控區(qū)域，以自組織的方式構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并采集聲音、震動、磁、溫度、濕度等各種環(huán)境信息或監(jiān)測對象的信息，實現(xiàn)感應(yīng)、檢測、定位、監(jiān)視和警戒等多方面的應(yīng)用，提高戰(zhàn)場信息的感知、傳輸和處理能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)預(yù)示著為戰(zhàn)場帶來新的電子眼和電子耳，將成為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)和現(xiàn)代電子信息戰(zhàn)的重要組成部分。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是將大量具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點，通過人工布設(shè)、空投、火炮投射等方法部署在預(yù)定的監(jiān)控區(qū)域，構(gòu)成的“智能”自治測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并傳送到觀察者。感知對象、傳感器網(wǎng)絡(luò)和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。

一個典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機布設(shè)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線ad-hoc網(wǎng)絡(luò)雖然有很多相似之處和共同特點，但二者之間也存在一些本質(zhì)的區(qū)別。無線ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的目的是通過動態(tài)路由和移動管理技術(shù)，為用戶提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，本質(zhì)上是一種數(shù)據(jù)網(wǎng)，節(jié)點的計算和通訊能力較強，并有持續(xù)的能量供給。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以監(jiān)控物理世界為主要目標，是一種測控網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點的計算和通訊能力較弱，能量供給嚴重受限。歸納起來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：規(guī)模大、密度高；無中心、自組織；網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性強；節(jié)點資源受限；多跳路由；以數(shù)據(jù)為中心。

系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本文針對戰(zhàn)場偵察監(jiān)控的應(yīng)用需求，基于MSP430F149單片機和無線射頻芯片nRF905，設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由普通傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和上位機監(jiān)控平臺組成。普通傳感器節(jié)點散布在觀察區(qū)域內(nèi)，負責采集和觀察對象相關(guān)的數(shù)據(jù)，并將協(xié)同處理后的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)在上位機監(jiān)控平臺上進行處理和顯示。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計的好壞直接影響到整個網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由數(shù)據(jù)處理單元、無線通訊單元、傳感器單元、電源單元組成，如圖1所示。

針對野外條件下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)測和突發(fā)事件處理的應(yīng)用需求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在設(shè)計上，重點考慮以下幾個方面：①低功耗、低成本、小體積；②穩(wěn)定性；③擴展性和靈活性。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由處理器/射頻通訊板和傳感器板組成。處理器/射頻通訊板采用了超低功耗的MSP430F149單片機和具有多種工作模式的無線射頻芯片nRF905，傳感器板采用了聲音、加速度和磁性三種傳感器，用于實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和目標信息的探測，同時通過蜂鳴器、麥克風以及音頻信號的接收放大和解碼電路實現(xiàn)節(jié)點間的測距。系統(tǒng)采用兩節(jié)5號電池供電。匯聚節(jié)點采用與普通傳感器節(jié)點相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

微處理器選型

MSP430系列單片機是美國TI公司推出的16位超低功耗、高性能類型的混合信號控制器，專為超低功耗應(yīng)用精心設(shè)計。其在1.8V~3.6V電壓下工作，適合于電池供電使用。高度靈活的時鐘系統(tǒng)、多種操作模式可大幅降低功耗，顯著地延長電池的使用壽命。同時，該產(chǎn)品將大量的外圍模塊整合在片內(nèi)，適合于設(shè)計片上系統(tǒng)；有豐富的系列型號器件可供選擇，給設(shè)計者帶來很大的靈活性。MSP430單片機的這些特性，非常適合應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。

無線通訊單元設(shè)計

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9V~3.6V，工作于433/868/915MHz三個ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650μs。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表面濾波器。Shock Burst工作模式，能自動處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗）；通過SPI串口與微控制器通訊。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時，電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機模式，易于實現(xiàn)節(jié)能。這些特點使得nRF905非常適合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是Shock Burst TM接收模式和Shock Burst TM發(fā)送模式；兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個引腳決定。

nRF905工作于Shock Burst TM模式時，nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而不需要昂貴的高速MCU來進行數(shù)據(jù)處理，與射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號處理都在nRF905片內(nèi)進行，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。nRF905提供給應(yīng)用的微控制器一個SPI接口，數(shù)據(jù)速率由微控制器自己設(shè)定。在Shock Burst TM接收模式下，當一個包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準備好(DR)兩引腳通知微控制器，微控制器就會對接收到的數(shù)據(jù)包進行處理，處理完數(shù)據(jù)會根據(jù)相應(yīng)的條件進入各種工作模式。在Shock Burst TM發(fā)送模式，nRF905自動產(chǎn)生字頭和CRC校驗碼，當發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢，微處理器就可以根據(jù)情況讓系統(tǒng)工作在各種模式下。由以上分析可知，nRF905的Shock Burst TM收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲器和微控制器資源。

nRF905的節(jié)能模式包括關(guān)機模式和空閑模式。在關(guān)機模式，nRF905的工作電流最小，一般為2.5μA。進入關(guān)機模式后，nRF905保持配置字中的內(nèi)容，但不會接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)?？臻e模式有利于減小工作電流，其從空閑模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動時間也比較短。在空閑模式下，nRF905內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)，工作電流跟外部晶體振蕩器的頻率有關(guān)。

選取nRF905作為傳感器節(jié)點的射頻通訊芯片，天線使用50Ω的單鞭天線。如圖2所示，TXEN、TRX_CE、PWR_UP是MSP430F149單片機輸出信號，用來配置nRF905的各種工作模式。SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_SCK和SPI_SCN是MSP430F149單片機與nRF905的通訊信號線。CD、AM和DR分別代表載波偵聽、地址匹配和數(shù)據(jù)準備好，是nRF905返回給MSP430F149單片機的信號線。

傳感器單元設(shè)計

（1）聲音傳感器

聲音的監(jiān)測采用Panasonic的全方位電容麥克風WM-62A，它除了被用于普通的聲音記錄以外，還同蜂鳴器、麥克風、音頻信號的接收放大和解碼電路，一起被用于聲音定位。聲音傳感器模塊的接口電路如圖3所示。蜂鳴器采用簡單的固定頻率的共鳴器，用于產(chǎn)生固定頻率（如4KHz）的測距聲波。麥克風接收到的聲音信號兩次經(jīng)過運算放大器MAX4466實現(xiàn)兩級放大，輸出信號送到單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，同時該輸出經(jīng)過有源濾波器MAX4164連接到音調(diào)偵測器LMC567，可以實現(xiàn)聲調(diào)解碼，當蜂鳴器所發(fā)出的固定頻率的音調(diào)出現(xiàn)，音調(diào)偵測器LMC567就會輸出一個數(shù)字高低電平給單片機的中斷端口。

通過這一電路，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器節(jié)點間的測距，采用基于聲波和電磁波的到達時間差測距的方法實現(xiàn)節(jié)點間測距，通過測量節(jié)點所廣播的聲波和電磁波到達同一節(jié)點的時間差，進而基于信號傳播速度來確定節(jié)點間的距離。某一節(jié)點激勵蜂鳴器發(fā)聲，且同時廣播電磁信號，當周圍的某個節(jié)點接收到電磁波信號后，定時器開始工作，當該節(jié)點接收到測距聲波時定時器停止工作。由于電磁波的傳播速度很快，定時器測量的時間可以近似認為是聲波在兩節(jié)點間傳播的時間，進而可計算出兩節(jié)點間的距離。然后通過一定的定位算法，可以實現(xiàn)傳感器節(jié)點的自身定位。

（2）加速度傳感器

ADXL202AE是廉價、低功耗的兩軸加速度傳感器，量程范圍為-2g到+2g。它可用來測量動態(tài)加速度，也可用來測量靜態(tài)加速度。它具有較高的靈敏度(12.5%/g)，即使用低速計數(shù)器來對它輸出的PWM信號進行解碼，也可以得到較高的分辨率。加速度傳感器模塊的接口電路如圖4所示。ADXL202AE芯片的集成度較高，其輸出形式一種是直接的模擬電壓信號，一種是數(shù)字信號。利用ADXL202AE雙軸加速度傳感器可以測量地震動加速度，從而實現(xiàn)對目標的探測。

（3）磁性傳感器

磁性傳感器可以測量環(huán)境磁場強度，能夠探測到帶磁性的目標。美國Honeywell公司的低功耗二維磁阻傳感器HMC1052具有超低功耗，供電電壓低于1.8V；靈敏度達1mV/V/Oe，檢測磁場范圍達±60e；位于芯片上的置位/復(fù)位帶，減少了溫度漂移影響，也減少了大磁場存在引起的信號輸出損失；廣泛應(yīng)用于羅盤、導(dǎo)航系統(tǒng)、高度參考、交通檢測、醫(yī)療設(shè)備、位置檢測等領(lǐng)域。

磁性傳感器模塊的接口電路如圖5所示。傳感器HMC1052測得的場強以差分信號的形式輸出，分別經(jīng)LMV358的兩個放大器進行信號放大，放大后的信號送到單片機的ADC端口進行數(shù)據(jù)采集。

電源管理單元設(shè)計

電能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)珍貴的資源，它決定著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。節(jié)點的電源管理非常重要。本設(shè)計采用集成的模擬開關(guān)芯片來實現(xiàn)電源控制，MAX4678是4路模擬開關(guān)，通過節(jié)點平臺的I/O引腳來控制內(nèi)部模擬開關(guān)是否給后級的傳感器模塊供電；通過使沒有用到的傳感器不上電，以達到在無數(shù)據(jù)采集任務(wù)時及時關(guān)閉電源、節(jié)省電能的目的。電源管理單元電路如圖6所示。

其他外圍電路設(shè)計

串口電路

匯聚節(jié)點通過串口電路與上位機進行通訊。由于節(jié)點上的單片機輸入、輸出電平是TTL電平，而上位機配置的是RS-232標準串行接口，兩者的電氣規(guī)范不一致，因此需解決它們之間電平匹配問題。串口通訊電路如圖7所示，由MAX3232完成串口電平的轉(zhuǎn)換。

復(fù)位電路

復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。圖8為傳感器節(jié)點的復(fù)位電路，它是上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位的結(jié)合。

撥碼開關(guān)電路

撥碼開關(guān)接在單片機的中斷端口上，可以模擬節(jié)點周圍的環(huán)境突變，將傳感器節(jié)點從低功耗模式喚醒到工作模式。撥碼開關(guān)電路如圖9所示，當撥碼開關(guān)接通時，電源VCC通過電阻R和撥碼開關(guān)與地線形成回路，這時的P1.0~P1.3相當于地線短接，電壓為0；當撥碼開關(guān)斷開，電源VCC通過電阻和單片機的P1端口形成回路，此時的P1.0~P1.3電壓相當于電阻兩端的電壓。

插槽接口電路

傳感器節(jié)點由處理器/射頻通訊板和傳感器板組成，兩板通過插槽連接，如圖10所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（普通傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點）遵循休眠、喚醒、正常工作的工作模式。系統(tǒng)在完成初始化后，進入低功耗休眠模式，等待被中斷喚醒且執(zhí)行中斷程序，中斷執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)回到中斷前的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行低功耗模式。節(jié)點的主程序流程如圖11所示。上位機處理軟件采用Visual Basic(VB)編寫。VB支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計，具有結(jié)構(gòu)化的事件驅(qū)動編程模式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的上位機處理軟件利用VB的MSComm控件來實現(xiàn)串口通訊，再加上VB中的其他常用控件，實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析、顯示和操作。

結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)實時監(jiān)測和突發(fā)事件處理的有效方法。本文首先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了概述，提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體方案，然后從硬件部分和軟件部分兩個方面分別進行設(shè)計。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)選擇了低功耗的MSP430F149單片機和具有多種工作模式的無線射頻芯片nRF905，采用了聲音、加速度、磁性三種傳感器，用于實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和目標信息的探測；還完成了電源管路單元設(shè)計和其他外圍電路設(shè)計。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有能耗低、體積小、成本低等特點。