開放式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺設(shè)計

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。不同的應(yīng)用背景需求不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。硬件的相關(guān)性太強(qiáng)不利于向其他平臺移植。為解決該問題，利用硬件的模塊化的設(shè)計思想，我們設(shè)計了一種開放的可擴(kuò)展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺。該平臺以MSP430F5438微處理器作為主控芯片，以CC2420作為射頻控制芯片。實(shí)驗(yàn)證明該平臺具有低功耗、開放式以及可擴(kuò)展等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；開放性；節(jié)點(diǎn)平臺；MSP430F5438；CC2420

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless sensor network，WSN)是一種全新的信息獲取平臺，由大量廉價的靜止的或移動的傳感器模塊以自組網(wǎng)絡(luò)和多跳的方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象的信息，并報告給用戶。WSN在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、智能交通、建筑物監(jiān)測、空間探索等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價值，被認(rèn)為是未來改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來4大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。
傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)以及無線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步推動了低功耗、多功能WSN的飛速發(fā)展。WSN的研究人員設(shè)計了很多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，其大致分為兩類：專用平臺和通用平臺。孫鵬等設(shè)計了一款基于Si1000的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于監(jiān)測糧食的儲備環(huán)境；韋然設(shè)計了一款基于MSP430F1611的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于溫濕度檢測；郭燕紅設(shè)計了一款基于MSP430F149的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于對樓宇空調(diào)的智能監(jiān)控；王新忠等設(shè)計了一款基于Atmega128L的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于丘陵葡萄園環(huán)境信息和土壤墑情的無線監(jiān)測。上述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊固定只能針對具體的工作要求完成具體的任務(wù)，屬于專用節(jié)點(diǎn)。張偉等設(shè)計了一款基于ARM7的開放式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺；周應(yīng)賓設(shè)計了一款基于ARM處理器S3C2410的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺。上述節(jié)點(diǎn)具有可擴(kuò)展性而且具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，屬于通用節(jié)點(diǎn)。上述節(jié)點(diǎn)平臺可以應(yīng)用于不同的任務(wù)背景，但是ARM處理器相對于普通低速的單片機(jī)如，MSP430往往需要更多的能耗，這將大大縮減此類平臺的生命周期。能耗問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要的限制因素，如何高效使用能量來最大化延長網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的重要挑戰(zhàn)。這里我們設(shè)計了一款基于MSP4305438微處理器的開放式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。相對于一般的專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)我們的節(jié)點(diǎn)具有很好的開放性和可擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用背景實(shí)現(xiàn)不同的功能。此外，相對于ARM處理器為主控芯片的節(jié)點(diǎn)我們的節(jié)點(diǎn)具有更低的能耗。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
我們的系統(tǒng)在低功耗的基礎(chǔ)上要求其具備開放性和可擴(kuò)展性。為了實(shí)現(xiàn)這一目的我們在該系統(tǒng)的硬件設(shè)計時采用模塊化設(shè)計思想。一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括以下四個模塊：電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、處理器以及存儲模塊和無線通信模塊。當(dāng)一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主控芯片給定后，根據(jù)不同的應(yīng)用背景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的差異性主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信模塊。數(shù)據(jù)采集模塊決定了其完成什么功能、無線通信模塊決定其使用哪種通信協(xié)議。
MSP430F5438微處理器具有豐富的外設(shè)，它具有多達(dá)10個8位I＼O口。我們可以預(yù)留多個I＼O口作為傳感器模塊接口、無線通信模塊接口以及通用接口。最后我們將數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信模塊單獨(dú)設(shè)計最后通過接插件(插針和穿焊空)和處理器模塊預(yù)留的接口連接。這樣我們在針對不同的應(yīng)用背景就可以方便地使用不同的傳感器模塊和無線通信模塊而不用再去設(shè)計處理器模塊甚至電源模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計
節(jié)點(diǎn)主要包括6個模塊：電源模塊、JTAG模塊、傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊以及串口通信模塊。
2．1 電源及JTAG模塊
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積微小，通常以能量十分有限的電池供電。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常分布在環(huán)境復(fù)雜甚至人不能到達(dá)的地方，而且分布范圍廣數(shù)量多，所以通過更換電池或充電的方式來補(bǔ)充能源是不可能的。由于成本和技術(shù)的限制，利用太陽能和風(fēng)能發(fā)電來補(bǔ)充能量的方法目前也很難得到應(yīng)用。如何高效的使用能量來最大化延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的首要挑戰(zhàn)，這也是我們在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計過程中應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題。
選用TI公司的MSP430F5438作為主控芯片，并利用JTAG仿真器通過JTAG接口將程序?qū)懭雈lash。JTFAG接口是一個雙向串行端口，可以控制MSP430的運(yùn)行、刷新Flash以及讀寫寄存器等等。MSP430單片機(jī)內(nèi)部集成了遵循邊界掃描故障診斷的電路。這樣僅需要一個接口，就可以連接電腦進(jìn)行程序下載和調(diào)試了。這樣的好處是：傳統(tǒng)的仿真器是特殊設(shè)計的CPU，價格較貴，增加了開發(fā)學(xué)習(xí)的成本。而TI公司給出了JTAG仿真器的電路設(shè)計，使用者可以自己制作，單片機(jī)自帶仿真接口，所以能夠降低用戶的開發(fā)成本。由于可以通過JTAG口訪問MCU內(nèi)部程序存儲器，在發(fā)布產(chǎn)品時要將JTAG口切斷，否則產(chǎn)品可能會被別人仿制，從而造成損失。MSP430單片機(jī)的JTAG端口設(shè)計有一個熔絲。熔斷熔絲后就無法再通過仿真器進(jìn)行調(diào)試，而這種熔斷是不可逆轉(zhuǎn)的物理毀壞，所以能夠有效地保護(hù)用戶的程序不被盜用。