無線傳感器網絡節點的設計與實現

摘要 設計了一種具有質量輕、體積小、低成本、低能耗的無線傳感器網絡節點。該節點由MSP430單片機、CC2420射頻收發器、FT232BM轉換芯片、SHT11溫度濕度傳感器、外圍芯片、電源電路以及JTAG調試接口組成。通過JTAG調試，以及安裝TinyOS操作系統，節點較好地實現了數據采集、無線傳輸以及無線網絡功能。
關鍵詞 無線傳感器網絡；無線傳感器節點；MSP430；CC2420；SHT11，TinyOS

無線傳感器網絡是信息技術發展到一定階段后出現的一種聚合傳感器、嵌入式、現代網絡以及無線通信、分布式信息處理等多種綜合性的技術。傳感器網絡能夠廣泛用于軍事、環境監測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態監控、復雜機械控制、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業園區的安全監測等領域。文中設計了一種無線傳感器節點，硬件設計基于Moteiv方案，采用超低功耗單片機MSP430F1611作為數據處理芯片，以CC2420無線射頻芯片作為收發芯片，并擁有JTAG以及其他擴展接口。通過硬件測試以及軟件調試該節點符合設計指標。

1 系統概述
無線傳感器網絡由大量無線傳感器節點組成，每個節點由傳感器采集數據，數據處理芯片負責接收和處理傳感器采集到的數據，通過無線射頻芯片進行數據的無線傳輸與接收以及無線組網功能。USB接口可以作為電源以及編程接口，一線硅序列號可作為節點的唯一標識，Fla sh芯片用于存儲數據，JTAG口用于調試與編程。

2 硬件設計
節點主要由6部分組成：電源單元、無線射頻模塊、傳感器模塊、USB通信模塊和微處理器。
2．1 電源單元
傳感器節點體積微小，通常攜帶能量有限的電池。能量供應模塊在無線傳感器節點中至關重要，為傳感器節點各部分提供能量。需要長時間數據采集的傳感器有的需要太陽能等方式來維持節點的正常運轉。節點的各部分也需要精心設計。節點微處理器的工作電壓為1．8～3．6 V，無線射頻芯片工作電壓為2．1～3．6 V，Flash供電電壓為2．7～3．6 V，USB轉換芯片由USB供電。因此電源可以選用3 V紐扣電池供電，有效減少了節點的大小。另外USB也可以作為供電源，同時作為編程電源，電源單元如圖2所示。LC濾波單元對交流電具有較好的濾波效果，同時又不會降低直流輸出電壓。低壓差的穩壓器ADP3339保證了電源較好的穩壓性。

2．2 無線射頻模塊
節點中的無線收發機，采用Chipcon公司推出的一款兼容2．4GHz IEEE 802．15．4的無線收發芯片CC2420。它基于Chipeon公司的Smart RF03技術，使用0．18μm CMOS工藝生產，具有較高的集成度。該芯片體積小、功耗低，具有完全集成的壓控振蕩器，只需天線、16 MHz晶體等少量外圍電路就能在2．4GHz頻段上工作。CC2420采用O—QPSK調制方式；超低電流消耗，接收靈敏度可達到-94dBm，抗鄰道干擾能力強，其選擇性和敏感性指數超過了IEEE 802．15．4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸速率高達250 kbit·s-1，可實現多點對多點的快速組網。

圖3中無線射頻模塊的外圍電路采用CC2420手冊提供的典型應用電路的器件數值，這樣保證了芯片能工作在正常狀態。另外為達到最優性能，必須使用電源去耦，去耦電容和電源過濾的設置和大小對于在應用中獲得最優性能起著關鍵作用，TI提供一個緊湊的參考設計，必須嚴格按照該設計進行。同時增加數字、模擬電源采用電容濾波。CC2420需要一個16 MHz的參考時鐘用于傳輸速率為250 kbit·s-1的數據收發，參考時鐘可以來自外部時鐘源，也可以由內部晶體振蕩器產生，這里采用內部晶體振蕩器產生的方式。天線阻抗匹配至關重要，為獲得較好的發射功率，在原有基礎上對部分電容、電感進行了適當的調整。CC2420與微控制器的通信通過4線SPI總線實現(SI、SO、SCLK、CSn)，通過控制FIFO和FIFOP管腳接口狀態可以使芯片工作在發射或接收模式，另外CCA用于空閑信道評估，SFD用于控制時鐘或定時信息的輸入。