基于MSP430F1611的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

本文在簡(jiǎn)要介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從實(shí)際應(yīng)用考慮，設(shè)計(jì)了一種基于MSP430F1611的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，詳細(xì)介紹了節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案。 

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu) 

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要保障。在不同應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成不盡相同，但都由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理模塊(微處理器、存儲(chǔ)器)、數(shù)據(jù)傳輸模塊(無(wú)線收發(fā)器)和電源模塊(電池、DC／DC能量轉(zhuǎn)換器)四部分組成[2]。被監(jiān)測(cè)物理信號(hào)的形式?jīng)Q定傳感器的類(lèi)型，處理器通常選用嵌入式CPU，數(shù)據(jù)傳輸模塊主要由低功耗短距離的射頻收發(fā)器組成。因?yàn)樾枰M(jìn)行復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度與管理，需要一個(gè)微型化的操作系統(tǒng)，UCBerkely為此專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了TinyOS操作系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成如圖1所示。



2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 

    為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、光等多種物理信息的精確采集，并將采集信息進(jìn)行采樣、數(shù)模轉(zhuǎn)換，以及根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行相應(yīng)的處理，把處理后的信息通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)傳送回PC機(jī)進(jìn)行處理；同時(shí)為了滿(mǎn)足節(jié)點(diǎn)壽命和工作性能的要求，綜合考慮能耗、傳輸距離、數(shù)據(jù)速率、安全性和通用性等因素，本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)選用如下設(shè)計(jì)方案。 

    數(shù)據(jù)采集模塊選用了Sensirion公司的數(shù)字溫濕度傳感器SHT71以及光傳感器S1087和S1087-01；數(shù)據(jù)處理模塊選用了TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F1611；無(wú)線通信模塊選用了RFM公司低功耗、短距離的433.92MHz單頻點(diǎn)RF收發(fā)芯片TR3000；電源模塊采用CR2032紐扣電池為整個(gè)節(jié)點(diǎn)供電。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)如圖2所示。




2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

        節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集部分可以根據(jù)實(shí)際需要和被監(jiān)測(cè)信號(hào)的物理特征選擇合適的傳感器，如：溫度、濕度、光強(qiáng)、壓力、振動(dòng)等，本節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)可以對(duì)外界溫度、濕度、可見(jiàn)光、紅外光信號(hào)進(jìn)行精確采集。 

2.1.1溫濕度數(shù)據(jù)的采集 

    本節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)采用了Sensirion公司的數(shù)字溫濕度傳感器SHT71[3]。它是一款將溫／濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理器、A／D轉(zhuǎn)換器和總線接口全部集成于一個(gè)芯片上的單片全校準(zhǔn)數(shù)字輸出傳感器，可以直接提供溫度在-40℃～120℃范圍內(nèi)且分辨率為14bit以及濕度在O～100％RH范圍內(nèi)且分辨率為12bit的數(shù)字輸出。 

    SHT71采用串行時(shí)鐘輸入線SCK與單片機(jī)保持通信同步，串行數(shù)據(jù)線DATA收發(fā)通信協(xié)議命令和數(shù)據(jù)。其控制流程如下：程序開(kāi)始用一組"啟動(dòng)傳輸"時(shí)序表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?當(dāng)SCK時(shí)鐘為高電平時(shí)，DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)DATA翻轉(zhuǎn)為高電平)；然后發(fā)送一組測(cè)量命令('00000011'表示溫度，'00000101'表示相對(duì)濕度)后釋放DATA線，等待SHT71下拉DATA值低電平，表示測(cè)量結(jié)束，同時(shí)輸出采集數(shù)據(jù)到MSP430F16ll，讀取測(cè)量數(shù)據(jù)后可以通過(guò)下式計(jì)算出相對(duì)濕度和溫度值。 

溫度計(jì)算公式為：溫度=d1+d2XSOT 

相對(duì)溫度值如下： 

                    

相對(duì)濕度計(jì)算公式為：Rlinear=c1+c2xSORH+c3xS0RH2 

相對(duì)濕度值如下：


2.1.2 可見(jiàn)光與紅外光數(shù)據(jù)的采集 

    本節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)除了能夠?qū)ν饨绛h(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行精確采集外，還可以通過(guò)光傳感器S1087和S1087-0l[4]來(lái)采集可見(jiàn)光數(shù)據(jù)和紅外光數(shù)據(jù)。該光傳感器是一種陶瓷包裝的光電測(cè)量計(jì)，它的測(cè)量輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，陶瓷封裝可用于光密封，因此背光和側(cè)光不能到達(dá)測(cè)量活動(dòng)區(qū)，從而可以得到可靠的可見(jiàn)光和紅外光范圍的光信號(hào)測(cè)量。 

    從傳感器輸出的是標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，由于A／D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)為電壓，所以ADCl2轉(zhuǎn)換的是電壓。因此采集電路通過(guò)100kΩ負(fù)載電阻將傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后送入MSP430F1611的片內(nèi)ADCl2模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，ADCl2轉(zhuǎn)換輸出的最大值為4095。 

    在進(jìn)行光強(qiáng)值計(jì)算時(shí)，通過(guò)讀取處理器轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)寄存器值可以得到轉(zhuǎn)換結(jié)果，由(1)式計(jì)算出電壓Vin，進(jìn)而得到電流值。再根據(jù)S1087／S1087-01的輸出特性曲線得到光強(qiáng)值。圖3給出了實(shí)際光信號(hào)與傳感器輸出電流信號(hào)的關(guān)系曲線。



其中：VR+為參考電源正端，VR-為參考電源負(fù)端，Vin為ADCl2轉(zhuǎn)換得到的電壓值，NADC為處理器轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)寄存器值。 

   模擬量采集部分具有一定的通用性，只要連接不同類(lèi)型的傳感器就可以采集不同信號(hào)源的數(shù)據(jù)。



 2.2 數(shù)據(jù)處理模塊 

    數(shù)據(jù)處理模塊是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心部分，一方面接收來(lái)自傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，按要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算等，交給通信模塊發(fā)送；另一方面讀取通信模塊送入的數(shù)據(jù)信息，對(duì)硬件平臺(tái)其它模塊的操作進(jìn)行控制。 

    本節(jié)點(diǎn)選用TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F161l[5]。該單片機(jī)電源采用1.8V～3.6V的低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅為0.1μA，可以在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作。其中48KB Flash存儲(chǔ)器可以支持在線編程和仿真，并具有較強(qiáng)的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)，具體如下： 

    看門(mén)狗可以在程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；16位定時(shí)器(Timer_A和Timer_B)具有捕獲／比較功能；大量的捕獲／比較寄存器可以用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生等；多功能串口(USART)可以實(shí)現(xiàn)異步、同步和I2C串行通信，可以方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信的應(yīng)用；具有較多的I／O端口，最多達(dá)6x8條I／O口線，Pl、P2端口還可以接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12位A／D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá)200kbps，能夠滿(mǎn)足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用。 

    單片機(jī)的接口電路非常簡(jiǎn)單，通過(guò)片內(nèi)的A／D通道實(shí)現(xiàn)模擬量的采集。通過(guò)片內(nèi)的A／D轉(zhuǎn)換部分不僅可以降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，而且還可以提高系統(tǒng)的可靠性，避免接口的復(fù)雜性，同時(shí)還可以減小PCB板的面積；設(shè)計(jì)中采用一般I／O口實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的采集電路接口；其中串口通信通過(guò)單片機(jī)內(nèi)的UART。 

    實(shí)現(xiàn)；在單片機(jī)的時(shí)鐘設(shè)計(jì)上，考慮到通信速率的要求，MSP430F1611單片機(jī)采用一個(gè)4MHz的時(shí)鐘信號(hào)，該系統(tǒng)的時(shí)鐘部分均采用晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)；考慮到電源的輸入紋波對(duì)單片機(jī)的影響，在電源的管腳增加一個(gè)O.1μF的電容來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。 

    在網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)需要處理的信息和數(shù)據(jù)大致可分為四類(lèi)：管理控制信息、網(wǎng)內(nèi)組網(wǎng)交互信息、需轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)和采集的數(shù)據(jù)。它們?cè)诠?jié)點(diǎn)中的處理流程如圖4所示。


2.3 無(wú)線通信模塊

       基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所要求的數(shù)據(jù)傳輸速率不高及傳輸距離相對(duì)節(jié)點(diǎn)能耗控制要求嚴(yán)格的特點(diǎn)，綜合研究比較了幾類(lèi)無(wú)線收發(fā)芯片，選用RFM公司的TR3000[7]來(lái)完成通信模塊的設(shè)計(jì)。它是RFM公司推出的一款433.92MHz單頻點(diǎn)無(wú)線RF收發(fā)器，TR3000工作穩(wěn)定，尺寸小，功耗低，在采用ASK調(diào)制方式時(shí)最高通信速率可達(dá)115.2kbps。在通信速率較低的情況下，通信距離可達(dá)100米，是短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。

       TR3000可以很容易地與MSP430超低功耗微處理器相連接并通過(guò)軟件對(duì)TR3000進(jìn)行控制，使其處于不同的工作模式?？刂乒苣_CNTRL0和CNTRL1的狀態(tài)與工作模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：00一休眠模式；01一OOK發(fā)送模式；10-ASK發(fā)送模式；11一接收模式。TR3000電路原理圖如圖5所示。




 2.4 串口通信模塊 

    該節(jié)點(diǎn)的串口通信模塊主要負(fù)責(zé)PC 機(jī)與傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信。在網(wǎng)絡(luò)中只有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(Sink節(jié)點(diǎn))中含有串口通信模塊。Sink節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中所特有的，主要向下級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢(xún)命令，同時(shí)散布在外界環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將采集到的信息通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)送回Sink節(jié)點(diǎn)并通過(guò)串口送至PC機(jī)進(jìn)行處理。 

    MSP430F161l具有片內(nèi)UART，因此實(shí)現(xiàn)串口通信相當(dāng)容易。由于單片機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信的接口電平不同，因此需要進(jìn)行接口電平轉(zhuǎn)換，串口通信電路的設(shè)計(jì)采用MAX3221實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的TTL電平與PC機(jī)的RS232接口電平的轉(zhuǎn)換。 

2.5 電源模塊  

    在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中采用CR2032紐扣電池為整個(gè)節(jié)點(diǎn)供電，CR2032在大于2.8V的條件下能提供大約200mAh的能量。 

    為了及時(shí)了解節(jié)點(diǎn)的能量存儲(chǔ)和消耗狀況，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)能量狀態(tài)來(lái)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的通信策略[6]，本文將來(lái)自電源正極的電平值輸入到MSP430F1611的ADCl2模塊內(nèi)，與參考電平進(jìn)行比較，通過(guò)讀取處理器轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)寄存器值可以得到轉(zhuǎn)換結(jié)果，同樣由公式(1)可以計(jì)算出電壓Vin，從而掌握電源電壓的變化情況。 

3 節(jié)能策略的設(shè)計(jì) 

    在整個(gè)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，節(jié)能一直是本文考慮的一個(gè)重要因素，它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。節(jié)點(diǎn)節(jié)能的最主要方式是休眠機(jī)制。當(dāng)節(jié)點(diǎn)目前沒(méi)有傳感任務(wù)并且不需要為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等以節(jié)省能量。 

    這樣，一個(gè)傳感任務(wù)發(fā)生時(shí)，只有與之相鄰的區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，才能形成一個(gè)活動(dòng)區(qū)域。活動(dòng)區(qū)域隨著數(shù)據(jù)向Sink節(jié)點(diǎn)傳送而移動(dòng)，這樣原先活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)在離開(kāi)活動(dòng)區(qū)域后可以轉(zhuǎn)入休眠模式從而節(jié)省能量。另外，由于處理器系統(tǒng)中有一種活動(dòng)模式和五種低功耗模式，所以通過(guò)指令控制處理器時(shí)鐘的打開(kāi)與關(guān)閉(即采用不同的工作模式)，實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。 

    在采用各種節(jié)能策略之后，整個(gè)硬件平臺(tái)的整體能耗如表1所示。

本文主要介紹了以MSP430F1611單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境中溫度、濕度及光信號(hào)進(jìn)行精確采集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案。在實(shí)際的組網(wǎng)測(cè)試中，筆者將其應(yīng)用于黃河地區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，構(gòu)建了15個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)的小型網(wǎng)絡(luò)，一般情況下節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有中斷請(qǐng)求時(shí)激活節(jié)點(diǎn)工作，采用中斷方式接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，采用這種方式建立的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有穩(wěn)定可靠的性能，能以及低的電能消耗進(jìn)行工作，使功耗達(dá)到最低，從而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。