無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的具有通信和計(jì)算能力的傳感單元構(gòu)成的智能測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它綜合了傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)及分布式信息處理技術(shù)等，是新興的交叉研究領(lǐng)域，具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)今信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

在軍事應(yīng)用中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)人工布設(shè)、火炮發(fā)射、飛行器空投等方式布放至監(jiān)控區(qū)域，以自組織的方式構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并采集聲音、震動(dòng)、磁、溫度、濕度等各種環(huán)境信息或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)、檢測(cè)、定位、監(jiān)視和警戒等多方面的應(yīng)用，提高戰(zhàn)場(chǎng)信息的感知、傳輸和處理能力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)預(yù)示著為戰(zhàn)場(chǎng)帶來(lái)新的電子眼和電子耳，將成為網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)和現(xiàn)代電子信息戰(zhàn)的重要組成部分。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是將大量具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)人工布設(shè)、空投、火炮投射等方法部署在預(yù)定的監(jiān)控區(qū)域，構(gòu)成的“智能”自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并傳送到觀察者。感知對(duì)象、傳感器網(wǎng)絡(luò)和觀察者構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。

一個(gè)典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無(wú)線ad-hoc網(wǎng)絡(luò)雖然有很多相似之處和共同特點(diǎn)，但二者之間也存在一些本質(zhì)的區(qū)別。無(wú)線ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的目的是通過(guò)動(dòng)態(tài)路由和移動(dòng)管理技術(shù)，為用戶提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，本質(zhì)上是一種數(shù)據(jù)網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和通訊能力較強(qiáng)，并有持續(xù)的能量供給。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以監(jiān)控物理世界為主要目標(biāo)，是一種測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和通訊能力較弱，能量供給嚴(yán)重受限。歸納起來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：規(guī)模大、密度高；無(wú)中心、自組織；網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性強(qiáng)；節(jié)點(diǎn)資源受限；多跳路由；以數(shù)據(jù)為中心。

系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本文針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)偵察監(jiān)控的應(yīng)用需求，基于MSP430F149單片機(jī)和無(wú)線射頻芯片nRF905，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由普通傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)組成。普通傳感器節(jié)點(diǎn)散布在觀察區(qū)域內(nèi)，負(fù)責(zé)采集和觀察對(duì)象相關(guān)的數(shù)據(jù)，并將協(xié)同處理后的數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)在上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)上進(jìn)行處理和顯示。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)處理單元、無(wú)線通訊單元、傳感器單元、電源單元組成，如圖1所示。

針對(duì)野外條件下的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和突發(fā)事件處理的應(yīng)用需求，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：①低功耗、低成本、小體積；②穩(wěn)定性；③擴(kuò)展性和靈活性。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由處理器/射頻通訊板和傳感器板組成。處理器/射頻通訊板采用了超低功耗的MSP430F149單片機(jī)和具有多種工作模式的無(wú)線射頻芯片nRF905，傳感器板采用了聲音、加速度和磁性三種傳感器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和目標(biāo)信息的探測(cè)，同時(shí)通過(guò)蜂鳴器、麥克風(fēng)以及音頻信號(hào)的接收放大和解碼電路實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的測(cè)距。系統(tǒng)采用兩節(jié)5號(hào)電池供電。匯聚節(jié)點(diǎn)采用與普通傳感器節(jié)點(diǎn)相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

微處理器選型

MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)TI公司推出的16位超低功耗、高性能類型的混合信號(hào)控制器，專為超低功耗應(yīng)用精心設(shè)計(jì)。其在1.8V~3.6V電壓下工作，適合于電池供電使用。高度靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)、多種操作模式可大幅降低功耗，顯著地延長(zhǎng)電池的使用壽命。同時(shí)，該產(chǎn)品將大量的外圍模塊整合在片內(nèi)，適合于設(shè)計(jì)片上系統(tǒng)；有豐富的系列型號(hào)器件可供選擇，給設(shè)計(jì)者帶來(lái)很大的靈活性。MSP430單片機(jī)的這些特性，非常適合應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。

無(wú)線通訊單元設(shè)計(jì)

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9V~3.6V，工作于433/868/915MHz三個(gè)ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650μs。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表面濾波器。Shock Burst工作模式，能自動(dòng)處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）；通過(guò)SPI串口與微控制器通訊。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)，電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。這些特點(diǎn)使得nRF905非常適合在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是Shock Burst TM接收模式和Shock Burst TM發(fā)送模式；兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個(gè)引腳決定。

nRF905工作于Shock Burst TM模式時(shí)，nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而不需要昂貴的高速M(fèi)CU來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，與射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號(hào)處理都在nRF905片內(nèi)進(jìn)行，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。nRF905提供給應(yīng)用的微控制器一個(gè)SPI接口，數(shù)據(jù)速率由微控制器自己設(shè)定。在Shock Burst TM接收模式下，當(dāng)一個(gè)包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好(DR)兩引腳通知微控制器，微控制器就會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，處理完數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)相應(yīng)的條件進(jìn)入各種工作模式。在Shock Burst TM發(fā)送模式，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生字頭和CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過(guò)程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢，微處理器就可以根據(jù)情況讓系統(tǒng)工作在各種模式下。由以上分析可知，nRF905的Shock Burst TM收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲(chǔ)器和微控制器資源。

nRF905的節(jié)能模式包括關(guān)機(jī)模式和空閑模式。在關(guān)機(jī)模式，nRF905的工作電流最小，一般為2.5μA。進(jìn)入關(guān)機(jī)模式后，nRF905保持配置字中的內(nèi)容，但不會(huì)接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)?？臻e模式有利于減小工作電流，其從空閑模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動(dòng)時(shí)間也比較短。在空閑模式下，nRF905內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)，工作電流跟外部晶體振蕩器的頻率有關(guān)。

選取nRF905作為傳感器節(jié)點(diǎn)的射頻通訊芯片，天線使用50Ω的單鞭天線。如圖2所示，TXEN、TRX_CE、PWR_UP是MSP430F149單片機(jī)輸出信號(hào)，用來(lái)配置nRF905的各種工作模式。SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_SCK和SPI_SCN是MSP430F149單片機(jī)與nRF905的通訊信號(hào)線。CD、AM和DR分別代表載波偵聽(tīng)、地址匹配和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，是nRF905返回給MSP430F149單片機(jī)的信號(hào)線。

傳感器單元設(shè)計(jì)

（1）聲音傳感器

聲音的監(jiān)測(cè)采用Panasonic的全方位電容麥克風(fēng)WM-62A，它除了被用于普通的聲音記錄以外，還同蜂鳴器、麥克風(fēng)、音頻信號(hào)的接收放大和解碼電路，一起被用于聲音定位。聲音傳感器模塊的接口電路如圖3所示。蜂鳴器采用簡(jiǎn)單的固定頻率的共鳴器，用于產(chǎn)生固定頻率（如4KHz）的測(cè)距聲波。麥克風(fēng)接收到的聲音信號(hào)兩次經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器MAX4466實(shí)現(xiàn)兩級(jí)放大，輸出信號(hào)送到單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，同時(shí)該輸出經(jīng)過(guò)有源濾波器MAX4164連接到音調(diào)偵測(cè)器LMC567，可以實(shí)現(xiàn)聲調(diào)解碼，當(dāng)蜂鳴器所發(fā)出的固定頻率的音調(diào)出現(xiàn)，音調(diào)偵測(cè)器LMC567就會(huì)輸出一個(gè)數(shù)字高低電平給單片機(jī)的中斷端口。

通過(guò)這一電路，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)間的測(cè)距，采用基于聲波和電磁波的到達(dá)時(shí)間差測(cè)距的方法實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間測(cè)距，通過(guò)測(cè)量節(jié)點(diǎn)所廣播的聲波和電磁波到達(dá)同一節(jié)點(diǎn)的時(shí)間差，進(jìn)而基于信號(hào)傳播速度來(lái)確定節(jié)點(diǎn)間的距離。某一節(jié)點(diǎn)激勵(lì)蜂鳴器發(fā)聲，且同時(shí)廣播電磁信號(hào)，當(dāng)周圍的某個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到電磁波信號(hào)后，定時(shí)器開(kāi)始工作，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)接收到測(cè)距聲波時(shí)定時(shí)器停止工作。由于電磁波的傳播速度很快，定時(shí)器測(cè)量的時(shí)間可以近似認(rèn)為是聲波在兩節(jié)點(diǎn)間傳播的時(shí)間，進(jìn)而可計(jì)算出兩節(jié)點(diǎn)間的距離。然后通過(guò)一定的定位算法，可以實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的自身定位。

（2）加速度傳感器

ADXL202AE是廉價(jià)、低功耗的兩軸加速度傳感器，量程范圍為-2g到+2g。它可用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，也可用來(lái)測(cè)量靜態(tài)加速度。它具有較高的靈敏度(12.5%/g)，即使用低速計(jì)數(shù)器來(lái)對(duì)它輸出的PWM信號(hào)進(jìn)行解碼，也可以得到較高的分辨率。加速度傳感器模塊的接口電路如圖4所示。ADXL202AE芯片的集成度較高，其輸出形式一種是直接的模擬電壓信號(hào)，一種是數(shù)字信號(hào)。利用ADXL202AE雙軸加速度傳感器可以測(cè)量地震動(dòng)加速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。

（3）磁性傳感器

磁性傳感器可以測(cè)量環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度，能夠探測(cè)到帶磁性的目標(biāo)。美國(guó)Honeywell公司的低功耗二維磁阻傳感器HMC1052具有超低功耗，供電電壓低于1.8V；靈敏度達(dá)1mV/V/Oe，檢測(cè)磁場(chǎng)范圍達(dá)±60e；位于芯片上的置位/復(fù)位帶，減少了溫度漂移影響，也減少了大磁場(chǎng)存在引起的信號(hào)輸出損失；廣泛應(yīng)用于羅盤、導(dǎo)航系統(tǒng)、高度參考、交通檢測(cè)、醫(yī)療設(shè)備、位置檢測(cè)等領(lǐng)域。

磁性傳感器模塊的接口電路如圖5所示。傳感器HMC1052測(cè)得的場(chǎng)強(qiáng)以差分信號(hào)的形式輸出，分別經(jīng)LMV358的兩個(gè)放大器進(jìn)行信號(hào)放大，放大后的信號(hào)送到單片機(jī)的ADC端口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

電源管理單元設(shè)計(jì)

電能是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)珍貴的資源，它決定著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。節(jié)點(diǎn)的電源管理非常重要。本設(shè)計(jì)采用集成的模擬開(kāi)關(guān)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)電源控制，MAX4678是4路模擬開(kāi)關(guān)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)的I/O引腳來(lái)控制內(nèi)部模擬開(kāi)關(guān)是否給后級(jí)的傳感器模塊供電；通過(guò)使沒(méi)有用到的傳感器不上電，以達(dá)到在無(wú)數(shù)據(jù)采集任務(wù)時(shí)及時(shí)關(guān)閉電源、節(jié)省電能的目的。電源管理單元電路如圖6所示。

其他外圍電路設(shè)計(jì)

串口電路

匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口電路與上位機(jī)進(jìn)行通訊。由于節(jié)點(diǎn)上的單片機(jī)輸入、輸出電平是TTL電平，而上位機(jī)配置的是RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，兩者的電氣規(guī)范不一致，因此需解決它們之間電平匹配問(wèn)題。串口通訊電路如圖7所示，由MAX3232完成串口電平的轉(zhuǎn)換。

復(fù)位電路

復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖8為傳感器節(jié)點(diǎn)的復(fù)位電路，它是上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位的結(jié)合。

撥碼開(kāi)關(guān)電路

撥碼開(kāi)關(guān)接在單片機(jī)的中斷端口上，可以模擬節(jié)點(diǎn)周圍的環(huán)境突變，將傳感器節(jié)點(diǎn)從低功耗模式喚醒到工作模式。撥碼開(kāi)關(guān)電路如圖9所示，當(dāng)撥碼開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電源VCC通過(guò)電阻R和撥碼開(kāi)關(guān)與地線形成回路，這時(shí)的P1.0~P1.3相當(dāng)于地線短接，電壓為0；當(dāng)撥碼開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電源VCC通過(guò)電阻和單片機(jī)的P1端口形成回路，此時(shí)的P1.0~P1.3電壓相當(dāng)于電阻兩端的電壓。

插槽接口電路

傳感器節(jié)點(diǎn)由處理器/射頻通訊板和傳感器板組成，兩板通過(guò)插槽連接，如圖10所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（普通傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)）遵循休眠、喚醒、正常工作的工作模式。系統(tǒng)在完成初始化后，進(jìn)入低功耗休眠模式，等待被中斷喚醒且執(zhí)行中斷程序，中斷執(zhí)行完畢后，系統(tǒng)回到中斷前的狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行低功耗模式。節(jié)點(diǎn)的主程序流程如圖11所示。上位機(jī)處理軟件采用Visual Basic(VB)編寫(xiě)。VB支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)化的事件驅(qū)動(dòng)編程模式。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的上位機(jī)處理軟件利用VB的MSComm控件來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通訊，再加上VB中的其他常用控件，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析、顯示和操作。

結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和突發(fā)事件處理的有效方法。本文首先對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了概述，提出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體方案，然后從硬件部分和軟件部分兩個(gè)方面分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)選擇了低功耗的MSP430F149單片機(jī)和具有多種工作模式的無(wú)線射頻芯片nRF905，采用了聲音、加速度、磁性三種傳感器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和目標(biāo)信息的探測(cè)；還完成了電源管路單元設(shè)計(jì)和其他外圍電路設(shè)計(jì)。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有能耗低、體積小、成本低等特點(diǎn)。