一種無線傳感器網絡節(jié)點的開發(fā)

引言

無線傳感器網絡系統(tǒng)中，每個傳感器節(jié)點都具有無線通信功能，各個測點的傳感器單元，對此處的參數進行測量，并組成一個無線網絡，將測量數據通過該網絡以無線方式傳送到監(jiān)控中心。無線傳感器網絡系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線傳感器網絡相比，具有耗資小、安裝方便、維護和更新費用低等優(yōu)勢，非常適合用于對布線困難的區(qū)域、人員不能到達的區(qū)域和一些對臨時場合的狀況進行遠程監(jiān)測，如大型建筑的健康狀態(tài)監(jiān)測、空間探索、災害預測、獲取敵方戰(zhàn)場信息等，也因此成為國際上的前沿熱點研究領域。

針對環(huán)境及結構狀態(tài)監(jiān)測，我們設計了一種無線傳感器網絡，該網絡由若干傳感器節(jié)點、一個無線接收功能的網絡控制節(jié)點及一臺計算機構成。無線傳感器節(jié)點分布于需要監(jiān)測的區(qū)域內，執(zhí)行數據采集、處理和無線通信等工作，網絡控制節(jié)點接收各傳感器的數據并以有線的方式將數據傳送給計算機。結構如圖1所示。

傳感器節(jié)點的硬件設計

總體結構

傳感器節(jié)點是網絡的基本單元，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)點結構示意圖如圖2所示。

微處理器

微處理器采用ti公司的msp430的f149單片機。ti 公司的msp430 系列單片機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；其控制器具有強大的處理能力和豐富的片內外設；帶flash 存儲器的單片機還可以方便高效地進行在線仿真和編程。msp430家族分為msp430x1xx、msp430x3xx、msp430x4xx 三個系列。msp430f149是

msp430x1xx 系列中的功能最強的單片機。

msp430f149 包含的組件為：

（1）基礎時鐘模塊，包括1 個數控振蕩器（dco）和2 個晶體振蕩器；

（2）看門狗定時器watchdog timer，可用作通用定時器；

（3）帶有3 個捕捉／比較寄存器的16 位定時器timer_a；

（4）帶有7 個捕捉／比較寄存器的16 位定時器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 豐富的片內外設可使整個電路變得異常簡化，減少了節(jié)點的功耗和體積。

msp430 系列單片機最顯著的特點就是它的超低功耗，在1.8～3.6v 電壓、1mhz 的時鐘條件下運行，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絡的瓶頸，節(jié)點必須依靠電池供電，所以cpu 采用msp430f149 是最佳的選擇。msp430f149 采用16 位risc 結構，其豐富的尋址方式、簡潔的內核指令、較高的處理速度（8m 晶體驅動，指令周期125ns）、大量的寄存器以及片內數據存儲器使之具有強大的處理能力。另外，msp430f149 的運行環(huán)境溫度范圍為 40～+85℃，可以適應各種惡劣的環(huán)境。

射頻模塊

射頻模塊是節(jié)點中重要的組成部分，采用rfwaves 公司生產的短距離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直接序列擴頻技術；工作電壓很寬2.7～3.6v，適合不同的電池供電；功耗低：待機電流僅1 a，喚醒時間20 s。模塊提供一個擴頻脈沖管作通信用，速率達到1mbps。該產品成本比藍牙低，通信距離可達20米（室內），80米（室外）。

射頻模塊與微處理器的連接采用與rfw102配套的產品rfw-d100。該產品主要用來為發(fā)射機和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， 也可以將輸入數據轉換成適合mac運行的8比特字段。此外， rfw-d100 還具有特別設計的節(jié)能結構和多種工作模式，而且功耗也很低。采用rfw-d100接口芯片，很大程度上減小了設計難度，縮短了設計周期。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，有兩個問題需要注意：第一個是當發(fā)送完成后，一定要將發(fā)送使能引腳和發(fā)送數據引腳置為低電平。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)點的工作； 第二個是無線發(fā)送模塊從待機狀態(tài)轉變?yōu)榘l(fā)送狀態(tài)，之間有大約20 s的延時。在此期間，輸入發(fā)送模塊的數據不能被正確發(fā)送，所以在準備發(fā)送之前，應提前將發(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)數字信號，可與單片機直接接口，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；只須調節(jié)外接電阻就可方便地調整數字信號的循環(huán)輸出周期；測量范圍為 10g。msp430f149的定時器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)數字信號進行測量，實現(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位溫度數字轉換器；漏極開路超溫掉電輸出，可以實現(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)點采用電池供電，由于電池的能量有限，而且節(jié)點可能工作在不易到達的區(qū)域，電池不便經常更換。所以在進行設計的時候，節(jié)能是需要優(yōu)先考慮的問題。首先，單片機應以最快的速度執(zhí)行任務，一旦有可能就進入節(jié)能模式。在節(jié)能模式中，通過管理電路，將除單片機以外的器件的供電切斷。進入節(jié)能模式后，如果監(jiān)控中心需要訪問該節(jié)點，則通過射頻收發(fā)模塊喚醒該節(jié)點的單片機。

實驗

用此節(jié)點組成了一個如圖5所示的單跳網絡，使用rfwaves 公司的csma協(xié)議進行測試。網絡中的每個節(jié)點都有一個固定的節(jié)點號，其中與計算機連接的無線接口模塊作為主站，傳感器節(jié)點作為從站，可以被主站尋址。傳感器節(jié)點開機后進入待機狀態(tài)，當收到主站的尋址請求時觸發(fā)中斷，將自己的信息發(fā)送出去。數據發(fā)送完畢，又進入待機狀態(tài)。整個網絡時序由主站統(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，并支持多種網絡拓展，如最簡單的對等拓展、或有大量節(jié)點的星型拓展。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)和確認技術則可確保收發(fā)數據的可靠性。載波監(jiān)聽和rssi 技術可支持與其它發(fā)射機的優(yōu)化共存， 同時可避免沖突和減少干擾。

由振動傳感器采集并發(fā)送到主機的振蕩信號如圖6。

圖6 傳感器節(jié)點上振動傳感器傳到主機的數據(略)

結束語

此次傳感器網絡系統(tǒng)中傳感器節(jié)點以低功耗單片機msp430f149為核心，采用射頻模塊rfw102芯片組進行通信，傳感器選用專用集成電路。節(jié)點使用電池供電，軟硬件設計方面都最大程度上做到節(jié)約電能，以延長節(jié)點使用壽命。實驗表明此系統(tǒng)穩(wěn)定性好，通信效率高。

節(jié)點設計完成后，下一步要做的工作是基于此節(jié)點進行多跳傳感器網絡協(xié)議的設計研究，設計實現(xiàn)的過程中還會對節(jié)點進行進一步完善。