一種無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的開發(fā)

引言 

無線傳感器網(wǎng)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(shù)進行測量，并組成一個無線網(wǎng)絡，將測量數(shù)據(jù)通過該網(wǎng)絡以無線方式傳送到監(jiān)控中心。無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有線傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡，該網(wǎng)絡由若干傳感器節(jié)點、一個無線接收功能的網(wǎng)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(nèi)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和無線通信等工作，網(wǎng)絡控制節(jié)點接收各傳感器的數(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(wǎng)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(nèi)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(shù)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(nèi)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(wǎng)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(nèi)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(nèi)數(shù)據(jù)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(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(chǎn)品成本比藍牙低，通信距離可達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(shù)據(jù)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(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(shù)據(jù)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(shù)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(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(shù)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(jīng)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(wǎng)絡，使用RFWaves 公司的CSMA協(xié)議進行測試。網(wǎng)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(shù)據(jù)發(fā)送完畢，又進入待機狀態(tài)。整個網(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)(略)



結束語

此次傳感器網(wǎng)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(wǎng)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。