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，每個傳感器節(jié)點(diǎn)都具有無線通信功能，各個測點(diǎn)的傳感器單元，對此處的參數(shù)進(jìn)行測量，并組成一個無線網(wǎng)絡(luò)，將測量數(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，非常適合用于對布線困難的區(qū)域、人員不能到達(dá)的區(qū)域和一些對臨時(shí)場合的狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，如大型建筑的健康狀態(tài)監(jiān)測、空間探索、災(zāi)害預(yù)測、獲取敵方戰(zhàn)場信息等，也因此成為國際上的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。

針對環(huán)境及結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測，我們設(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)、一個無線接收功能的網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)及一臺計(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 個數(shù)控振蕩器（DCO）和2 個晶體振蕩器；
（2）看門狗定時(shí)器Watchdog Timer，可用作通用定時(shí)器；
（3）帶有3 個捕捉／比較寄存器的16 位定時(shí)器Timer_A；
（4）帶有7 個捕捉／比較寄存器的16 位定時(shí)器Timer_B；
（5）2 個具有中斷功能的8 位并行端口：P1 與P2；
（6）4 個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)可使整個電路變得異常簡化，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、簡潔的內(nèi)核指令、較高的處理速度（8M 晶體驅(qū)動，指令周期125ns）、大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器使之具有強(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，它是一個物理層RF收發(fā)器，工作在2.4GHz，包含一個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)，有兩個問題需要注意：第一個是當(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。否則一方面會消耗電能，另一方面射頻模塊將一直發(fā)送一個單頻載波信號，干擾周圍節(jié)點(diǎn)的工作； 第二個是無線發(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 

信號采集部分是由若干個傳感器組成。加速度傳感器采用ADXL210，可測量雙軸向加速度，輸出循環(huán)數(shù)字信號，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)字信號的循環(huán)輸出周期；測量范圍為 10g。MSP430F149的定時(shí)器Timer_A有三個捕獲器，可以選擇兩個用于對ADXL210L輸出的兩路循環(huán)數(shù)字信號進(jìn)行測量，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AD7416；低功耗掉電方式(典型2mA)；400ms更新速率； 55~+125℃溫度測量范圍。

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)行測試。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)都有一個固定的節(jié)點(diǎn)號，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)。整個網(wǎng)絡(luò)時(shí)序由主站統(tǒng)一控制，保證了不會出現(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，如最簡單的對等拓展、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。

由振動傳感器采集并發(fā)送到主機(jī)的振蕩信號如圖6。
圖6 傳感器節(jié)點(diǎn)上振動傳感器傳到主機(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)的過程中還會對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步完善。