基于MSP430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

引言

傳感測試技術(shù)正朝著多功能化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、無線化的方向發(fā)展。自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Self Organizing Wireless Sensor Networks)作為新興技術(shù)，是目前國外研究的熱點，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年美國自然科學(xué)基金委員會已經(jīng)斥巨資來支持這方面的研究，并且出現(xiàn)了一些致力于無線傳感器網(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。國內(nèi)很多大學(xué)現(xiàn)已經(jīng)開展相關(guān)領(lǐng)域的研究，但大部分工作仍處在自組織無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能仿真和硬件節(jié)點小規(guī)模實驗設(shè)計階段。本文就國防科技大學(xué)傳感器教研室開展可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測方面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)進(jìn)行介紹。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型（如圖1所示）是不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)，通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨意布撒大量傳感器節(jié)點（簡稱節(jié)點），由各節(jié)點自行協(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)點失效或新節(jié)點加入時網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)重新組建，以調(diào)整全局的探測精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，即網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)多跳的路由功能。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型

1.1 節(jié)點組成

典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源4個主要部分組成。傳感探測單元由傳感器進(jìn)行監(jiān)測區(qū)域內(nèi)待測對象的信息采集；微控制單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲等功能；無線傳輸單元負(fù)責(zé)低功耗短距離節(jié)點間通信；供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節(jié)點的長壽命和微型化。具體節(jié)點設(shè)計如圖2和圖3所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)

（1） 無線傳輸單元

無線收發(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，較其他類別射頻收發(fā)芯片外圍電路設(shè)計簡單。 設(shè)計中工作頻率鎖定在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。射頻信號輸出設(shè)計采用環(huán)形差分輸出天線。

圖3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實物圖片

（2） 微控制單元

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

◇ 操作無線收發(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；

◇ 實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集——加速度、溫度、聲音和感光強度探測；

◇ 本地數(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)載和對無線傳輸數(shù)據(jù)的封裝與驗證；

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

◇ 區(qū)域內(nèi)節(jié)點的路由維護(hù)功能；

◇ 節(jié)點電源管理，合理地設(shè)置待機狀態(tài)，以節(jié)省能量消耗，延長節(jié)點使用壽命。

（3） 傳感探測單元

根據(jù)實際需要選擇合適傳感器對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進(jìn)行測試。實驗設(shè)計選用了兩種外圍電路簡單的數(shù)字式傳感器、光敏器件和駐極體話筒，分別對振動、溫度、光強和聲音進(jìn)行探測。

◆ 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多晶硅編碼微機械傳感器，集成精密的信號處理電路，可測靜態(tài)及動態(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。測試范圍為-2～+2 g，測試帶寬為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、車輛安全和電池供電設(shè)備的運動狀態(tài)測試等領(lǐng)域。 

◆ Maxim公司的DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器。測量結(jié)果可選用9～12位串行數(shù)據(jù)輸出，測量范圍為-55～125 ℃，在-10～85 ℃測量準(zhǔn)確度為±0.5 ℃。

◆ 光敏電阻5516是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)工作的光導(dǎo)管，對光強感應(yīng)靈敏度相當(dāng)高。當(dāng)受到一定波長范圍的光照時，其阻值（亮電阻）急劇減小，電流迅速增加，通過參考電阻分壓后進(jìn)行A/D采樣即可獲得光敏電阻的阻值，進(jìn)而換算出光照強度。

◆ 駐極體話筒HX034P是電容式微麥克風(fēng)。輸入信號為聲音信號，輸出信號經(jīng)MAX4466構(gòu)成的前置放大電路后進(jìn)行電壓值A(chǔ)/D采樣，處理器的A/D采樣頻率可達(dá)200 kHz，可捕獲到聲音信號。結(jié)合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、加速度（震動）的準(zhǔn)確測量與探測；光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在實驗中不作精確標(biāo)定；另外對聲音信號的捕獲和復(fù)現(xiàn)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，從能量利用和傳感器節(jié)點功能的精簡角度考慮，實驗中對聲光強弱的探測通過設(shè)定閾值來給出布爾型（0或1）輸出。