基于nRF905的無線傳感器網絡節點的設計與實現

無線傳感器網絡是計算機技術、傳感器技術和網絡通信技術相結合的產物。它由大量隨機分布的、具有實時感知、無線通信和自組織能力的傳感器節點組成[1]。隨著無線技術的高速發展，無線傳感器網絡越來越多地走進人們的視野中。與有線技術相比，無線技術具有成本低、體積小、省去復雜的布線等優點。但是由于現有的無線傳感器節點大都采用電池供電，放置地點隨機變動，隨時可能出現節點中斷的情況，通信能力十分有限，需要經常性的人工維護。因此，無線傳感器網絡節點要具有自組織、中斷自我修復的功能，需要設計合適的通信協議和路由算法，以提高系統通信的可靠性。為此，本文采用無線射頻芯片nRF905和STC12系列單片機設計了一種無線傳感器節點，并且在典型自組織網絡的通信協議-動態源路由協議DSR(Dynamic Source Routing)[2-4]的基礎上，針對路由維護算法做出改進，設計出一種易于實現且實用性高的通信協議，實現了自組織和多跳傳輸數據的無線通信系統。
1 節點硬件設計
節點分為協調器節點和普通節點，普通節點帶有傳感器，負責采集需要的數據并組成網絡，協調器節點負責整個網絡的控制和數據的匯總、分析、處理等。圖1為協調器和普通節點的結構圖。

1.1 MCU
STC12LE5410AD單片機是單時鐘/機器周期(1T)的兼容8051內核單片機，是高速、低功耗的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，而速度快8~12倍，內部集成硬件高速SPI(Serial Peripheral Interface)接口、2 KB EEPROM、A/D轉換模塊和MAX810專用復位電路。工作電壓2.4~3.8 V，因此可用電池工作，并可長時間工作。器件在少于6 μs的時間內可以從低功耗模式迅速喚醒。STC12LE5410AD的超小封裝、高度集成、精簡外部電路可設計出更小的節點，超低的價格可以大規模鋪設傳感器節點。STC12LE5410AD單片機的這些特征，非常適合應用在無線傳感器網絡中。
1.2 射頻收發器件nRF905[5]
nRF905由挪威Nordic公司生產，是一個為433/868/915 MHz-ISM(工業、科學、醫療)頻段設計的單片無線收發芯片，32腳QFN封裝，工作電壓為1.9～3.6 V，最大發射功率為10 dBm。該收發芯片由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，片內自動完成曼徹斯特編碼/解碼。nRF905有兩種活動(TX/RX)模式和兩種節電模式。活動模式之間轉換時間小于550 μs，活動模式與節電模式之間的轉換時間小于650 μs。
nRF905通過SPI與微控制器通信，自動處理字頭和循環冗余碼校驗(CRC)。當進行數據發送時，只需將配置寄存器信息、所要發送的數據和接收地址送給nRF905，它就會自動完成數據打包(加字頭和CRC校驗碼)和發送。接收數據時，nRF905自動檢測載波并進行地址匹配，接收到正確數據后自動移去字頭、地址和CRC校驗碼，再通過SPI將數據傳送到微控制器。
1.3 硬件連接設置
STC單片機通過內部集成的硬件高速串行外設接口SPI與nRF905連接，最快可達3 Mb/s，比軟件模擬SPI方式快30倍左右，大大減少了程序執行時間，提高了網絡的吞吐率。同時在設計協調器節點與PC上位機軟件通信程序時，利用STC單片機1T時鐘的優勢，設置串口波特率使用的定時器12倍速方式，使串口波特率提高至115 200 b/s，提高了協調器節點的反應速度，減少了等待時間，提高了系統的吞吐率。
2 節點軟件設計
本系統的軟件設計分為協調器節點Connector軟件和普通節點Node軟件的設計，其中協調器節點作為整個網絡系統的主節點，起著控制全網絡的作用，通過PC機的上位機軟件，可以對協調器進行接收和發送命令及數據，從而實現對整個系統網絡的控制。而每個普通節點也預留通信接口，可以在需要的時候與其他設備相連接。
由于本系統實現自組織網絡的需要，在物理層中為每個節點(包括協調器和普通節點)定義了相同的物理地址，實現全網的廣播功能。在網絡層為每個節點分配唯一的網絡地址，通過軟件判斷接收數據的目的節點是否是本機。
圖2為節點自組織流程圖。當網絡中增加一個新節點，新節點上電初始化后，首先會向協調器發送路由請求RREQ請求加入網絡，并打開定時器；協調器收到RREQ后，記錄新節點信息，并通過反路由發送應答信號ACK至源節點；如果新節點在設定的時間內收到ACK信號，表示加入網絡成功，并且記錄本節點至協調器的路由信息；如果在設定的時間內沒有收到ACK信號，那么重新發送路由請求RREQ至協調器，如此循環直至收到ACK信號。如果重發次數達到設定的上線，仍沒有收到ACK信號，則進行全網廣播RREQ，并打開定時器，等待返回RREP命令；在設定時間后進行重新廣播RREQ，直到到達重發上限。新節點收到RREP表示加入網絡成功，同時保存RREP命令幀中的路由信息。