基于MSP430的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

引言
　　
傳感測(cè)試技術(shù)正朝著多功能化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、無(wú)線化的方向發(fā)展。自組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Self Organizing Wireless Sensor Networks)作為新興技術(shù)，是目前國(guó)外研究的熱點(diǎn)，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和災(zāi)難拯救等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。早在 2003年美國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)已經(jīng)斥巨資來(lái)支持這方面的研究，并且出現(xiàn)了一些致力于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的公司，其中Crossbow公司已推出了Mica 系列傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)很多大學(xué)現(xiàn)已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)領(lǐng)域的研究，但大部分工作仍處在自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能仿真和硬件節(jié)點(diǎn)小規(guī)模實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。本文就國(guó)防科技大學(xué)傳感器教研室開(kāi)展可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)方面無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。 

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型（如圖1所示）是不同于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)，通過(guò)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)隨意布撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱(chēng)節(jié)點(diǎn)），由各節(jié)點(diǎn)自行協(xié)調(diào)并迅速組建通信網(wǎng)絡(luò)，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進(jìn)行工作任務(wù)劃分以獲取監(jiān)視區(qū)域信息。網(wǎng)絡(luò)的自組織特性體現(xiàn)在當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效或新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)重新組建，以調(diào)整全局的探測(cè)精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，即網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)多跳的路由功能。 



圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 節(jié)點(diǎn)組成

典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源4個(gè)主要部分組成。傳感探測(cè)單元由傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)待測(cè)對(duì)象的信息采集；微控制單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)等功能；無(wú)線傳輸單元負(fù)責(zé)低功耗短距離節(jié)點(diǎn)間通信；供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)壽命和微型化。具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2和圖3所示。

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

（1） 無(wú)線傳輸單元
　　
無(wú)線收發(fā)模塊選用挪威Nordic公司推出的nRF401芯片。nRF401是工作在ISM頻段433.92 MHz/434.33 MHz的單片無(wú)線收/發(fā)一體芯片，是包括了高頻發(fā)射/接收、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)和雙頻道切換等單元的高集成度無(wú)線數(shù)傳產(chǎn)品。 其最高傳輸速率可達(dá)20 Kb/s， 接收靈敏度為-105 dBm，最大發(fā)射功率為10 dBm，較其他類(lèi)別射頻收發(fā)芯片外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。 設(shè)計(jì)中工作頻率鎖定在434.33 MHz，微控制單元僅須提供四根口線： 收發(fā)狀態(tài)切換TXEN、待機(jī)與工作狀態(tài)切換PWRUP和數(shù)據(jù)通信接口線DIN/DOUT。射頻信號(hào)輸出設(shè)計(jì)采用環(huán)形差分輸出天線。


圖3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖片

（2） 微控制單元 
　　
TI公司MSP430系列單片機(jī)是一種具有集成度高、功能豐富、功耗極低等技術(shù)特點(diǎn)的16位單片機(jī)。超低功耗的混合信號(hào)控制器、豐富的片內(nèi)外設(shè)、節(jié)能考慮的多種工作模式和對(duì)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的支持,使得MSP430系列單片機(jī)非常適合于應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)中選用帶有Flash存儲(chǔ)器可進(jìn)行在線編程的MSP430x13x、MSP430x14x系列單片機(jī)；外圍模塊有看門(mén)狗、定時(shí)器A/B、同步/異步串行通信接口、10/12位A/D以及6個(gè)8位并行端口等多種組合形式。其實(shí)現(xiàn)功能如下： 

操作無(wú)線收發(fā)芯片，為nRF401提供工作狀態(tài)控制線和兩條單向串行傳輸數(shù)據(jù)線； 

實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集——加速度、溫度、聲音和感光強(qiáng)度探測(cè)； 

本地?cái)?shù)據(jù)處理——剔除冗余數(shù)據(jù)，以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)載和對(duì)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的封裝與驗(yàn)證； 

應(yīng)答遠(yuǎn)控中心查詢(xún)，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與存儲(chǔ)； 

區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的路由維護(hù)功能； 

節(jié)點(diǎn)電源管理，合理地設(shè)置待機(jī)狀態(tài)，以節(jié)省能量消耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用壽命。

（3） 傳感探測(cè)單元
　　
根據(jù)實(shí)際需要選擇合適傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、振動(dòng)、聲音和光線等物理信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選用了兩種外圍電路簡(jiǎn)單的數(shù)字式傳感器、光敏器件和駐極體話筒，分別對(duì)振動(dòng)、溫度、光強(qiáng)和聲音進(jìn)行探測(cè)。 

AD公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器。其采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)，在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅編碼微機(jī)械傳感器，集成精密的信號(hào)處理電路，可測(cè)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)加速度，輸出為周期的占空比調(diào)制（DCM）循環(huán)數(shù)字信號(hào)。測(cè)試范圍為-2～+2 g，測(cè)試帶寬為0.01 Hz～5 kHz（外置單電容可調(diào)），60 Hz帶寬下分辨率為5 mg。該傳感器可廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航、地震監(jiān)測(cè)、車(chē)輛安全和電池供電設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)試等領(lǐng)域。 

Maxim公司的DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器。測(cè)量結(jié)果可選用9～12位串行數(shù)據(jù)輸出，測(cè)量范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃測(cè)量準(zhǔn)確度為