基于環(huán)境信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

摘要：針對海岸、海洋環(huán)境遠程實時監(jiān)測的需求，設(shè)計了由超低功耗MCU芯片MSP430F1611、無線收發(fā)器芯片CC2420及各種傳感器接入電路構(gòu)成的具有多種環(huán)境參數(shù)采集功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。該節(jié)點系統(tǒng)利用所搭載的各種傳感囂采集環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度等數(shù)據(jù)，通過相鄰節(jié)點間的無線通信，以多跳傳輸?shù)姆绞?，將測量數(shù)據(jù)上傳給上位監(jiān)控機，可實現(xiàn)對海岸、海洋現(xiàn)場環(huán)境信息的遠距離實時監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境信息監(jiān)測；節(jié)點；微控制器；協(xié)議棧

隨著微電子技術(shù)，通信技術(shù)的迅速發(fā)展，將傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合的智能傳感器以其比較高的精度、良好的可靠性、功能的多樣性等優(yōu)勢在過程控制以及信號監(jiān)測中越來越多地得到人們的關(guān)注，已成為當(dāng)今國內(nèi)外研究的一大熱點。本文設(shè)計了一種用于對環(huán)境信息進行實時監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)進行準(zhǔn)確的測量并可靠傳輸，充分體現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化、無線化的優(yōu)點。
該節(jié)點的設(shè)計以MSP430F1611超低功耗單片機為核心，配置新式的微型低功耗傳感器，可實時地對所測的環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度等參數(shù)進行測量處理。采用5號電池供電，信息的無線傳輸可避免遠距離布線的繁瑣，具有較好的布設(shè)靈活性，適用于惡劣環(huán)境下一定區(qū)域的環(huán)境信息測量。

1 硬件節(jié)點設(shè)計
根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理機制，把節(jié)點分成傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點3種類型。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能，因此節(jié)點主要由微處理模塊和無線通信模塊組成。而傳感器節(jié)點主要是通過傳感器采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)(溫度、濕度、光感度等)，然后進行A／D轉(zhuǎn)換，經(jīng)處理器處理后由射頻模塊發(fā)送到相鄰節(jié)點，同時該節(jié)點也要執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，即把相鄰節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點或離匯聚節(jié)點更近的節(jié)點。整個硬件系統(tǒng)主要劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無線傳輸和供電4個模塊，硬件節(jié)點結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)由傳感器對周圍環(huán)境參數(shù)信息進行采集；數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲功能；無線傳輸模塊負(fù)責(zé)低功耗短距離節(jié)點間的通信；供電模塊選取體積小、容量高的電池，以確保節(jié)點的微型化和長壽命。

1．1 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊是應(yīng)用傳感器件采集環(huán)境的溫度、濕度、光照強度等參數(shù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過A／D轉(zhuǎn)換送給單片機進行處理。
1．1．1 溫濕度傳感器
溫度、濕度的測量采用Sensirion公司生產(chǎn)的，具有I2C總線接口的溫濕度集成于一體的數(shù)字式傳感器SHTll。SHTll為具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器，可用來測量相對濕度、溫度等參數(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換等特點。

微處理器與SHTll的連接如圖2所示，只需用2條I／O口線分別作為數(shù)據(jù)線DATA和時鐘線SCK，并在DATA端接入1只上拉電阻，同時在VDD及GND端接入1只去耦電容，通過相應(yīng)的軟件設(shè)計，即可完成數(shù)據(jù)采集與傳輸。