開放式的無線傳感器網絡節點平臺設計

摘要：無線傳感器網絡是一種應用相關的網絡。不同的應用背景需求不同的無線傳感器網絡節點。硬件的相關性太強不利于向其他平臺移植。為解決該問題，利用硬件的模塊化的設計思想，我們設計了一種開放的可擴展的無線傳感器網絡節點平臺。該平臺以MSP430F5438微處理器作為主控芯片，以CC2420作為射頻控制芯片。實驗證明該平臺具有低功耗、開放式以及可擴展等特點。
關鍵詞：無線傳感器網絡；開放性；節點平臺；MSP430F5438；CC2420

無線傳感器網絡(Wireless sensor network，WSN)是一種全新的信息獲取平臺，由大量廉價的靜止的或移動的傳感器模塊以自組網絡和多跳的方式構成無線網絡，其目的是協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋區域內監測對象的信息，并報告給用戶。WSN在軍事、農業、環境監測、醫療衛生、工業、智能交通、建筑物監測、空間探索等領域有著廣闊的應用前景和巨大的應用價值，被認為是未來改變世界的十大技術之一、全球未來4大高技術產業之一。
傳感器技術、嵌入式技術、微機電技術以及無線通信技術的不斷進步推動了低功耗、多功能WSN的飛速發展。WSN的研究人員設計了很多無線傳感器網絡硬件平臺，其大致分為兩類：專用平臺和通用平臺。孫鵬等設計了一款基于Si1000的無線傳感器網絡節點用于監測糧食的儲備環境；韋然設計了一款基于MSP430F1611的無線傳感器網絡節點用于溫濕度檢測；郭燕紅設計了一款基于MSP430F149的無線傳感器網絡節點用于對樓宇空調的智能監控；王新忠等設計了一款基于Atmega128L的無線傳感器網絡節點用于丘陵葡萄園環境信息和土壤墑情的無線監測。上述節點數據采集模塊固定只能針對具體的工作要求完成具體的任務，屬于專用節點。張偉等設計了一款基于ARM7的開放式的無線傳感器網絡平臺；周應賓設計了一款基于ARM處理器S3C2410的無線傳感器網絡平臺。上述節點具有可擴展性而且具有較強的數據處理功能，屬于通用節點。上述節點平臺可以應用于不同的任務背景，但是ARM處理器相對于普通低速的單片機如，MSP430往往需要更多的能耗，這將大大縮減此類平臺的生命周期。能耗問題是無線傳感器網絡的一個重要的限制因素，如何高效使用能量來最大化延長網絡生命周期是傳感器網絡所面臨的重要挑戰。這里我們設計了一款基于MSP4305438微處理器的開放式的無線傳感器網絡節點。相對于一般的專用無線傳感器網絡節點我們的節點具有很好的開放性和可擴展性，可以根據實際應用背景實現不同的功能。此外，相對于ARM處理器為主控芯片的節點我們的節點具有更低的能耗。

1 系統總體設計
我們的系統在低功耗的基礎上要求其具備開放性和可擴展性。為了實現這一目的我們在該系統的硬件設計時采用模塊化設計思想。一般的無線傳感器網絡節點包括以下四個模塊：電源模塊、數據采集模塊、處理器以及存儲模塊和無線通信模塊。當一個無線傳感器網絡節點的主控芯片給定后，根據不同的應用背景無線傳感器網絡節點的差異性主要體現在數據采集模塊和無線通信模塊。數據采集模塊決定了其完成什么功能、無線通信模塊決定其使用哪種通信協議。
MSP430F5438微處理器具有豐富的外設，它具有多達10個8位I＼O口。我們可以預留多個I＼O口作為傳感器模塊接口、無線通信模塊接口以及通用接口。最后我們將數據采集模塊和無線通信模塊單獨設計最后通過接插件(插針和穿焊空)和處理器模塊預留的接口連接。這樣我們在針對不同的應用背景就可以方便地使用不同的傳感器模塊和無線通信模塊而不用再去設計處理器模塊甚至電源模塊。系統框圖如圖1所示。

2 硬件設計
節點主要包括6個模塊：電源模塊、JTAG模塊、傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊以及串口通信模塊。
2．1 電源及JTAG模塊
無線傳感器網絡節點體積微小，通常以能量十分有限的電池供電。無線傳感器網絡節點通常分布在環境復雜甚至人不能到達的地方，而且分布范圍廣數量多，所以通過更換電池或充電的方式來補充能源是不可能的。由于成本和技術的限制，利用太陽能和風能發電來補充能量的方法目前也很難得到應用。如何高效的使用能量來最大化延長無線傳感器網絡的生命周期是無線傳感器網絡所面臨的首要挑戰，這也是我們在無線傳感器網絡節點的軟硬件設計過程中應該重點考慮的問題。
選用TI公司的MSP430F5438作為主控芯片，并利用JTAG仿真器通過JTAG接口將程序寫入flash。JTFAG接口是一個雙向串行端口，可以控制MSP430的運行、刷新Flash以及讀寫寄存器等等。MSP430單片機內部集成了遵循邊界掃描故障診斷的電路。這樣僅需要一個接口，就可以連接電腦進行程序下載和調試了。這樣的好處是：傳統的仿真器是特殊設計的CPU，價格較貴，增加了開發學習的成本。而TI公司給出了JTAG仿真器的電路設計，使用者可以自己制作，單片機自帶仿真接口，所以能夠降低用戶的開發成本。由于可以通過JTAG口訪問MCU內部程序存儲器，在發布產品時要將JTAG口切斷，否則產品可能會被別人仿制，從而造成損失。MSP430單片機的JTAG端口設計有一個熔絲。熔斷熔絲后就無法再通過仿真器進行調試，而這種熔斷是不可逆轉的物理毀壞，所以能夠有效地保護用戶的程序不被盜用。