無線傳感器網絡自組網協議的實現方法

2.1 總體方案

　　系統由基站節點和傳感器節點組成。節點硬件選擇了支持低功耗工作模式的MSP430F149單片機和nRF905射頻模塊，使用32 768 Hz的低頻晶振，采用2節5號電池供電。在設計節點的過程中，撥碼開關、蜂鳴器、LCD指示燈的設計極大方便了實驗的調試。

2.2 節點設計

　　圖2為傳感器節點的框圖，該節點使用電池供電，體積小巧，只有打火機般大小。

圖2 傳感器節點框圖

　　MSP430系列單片機是TI公司生產的一種混合信號控制器，其突出優點是低電源電壓、超低功耗，可采用電池工作，有很長的使用時間[6]。

　　nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器，低電壓工作，功耗非常低，工作于433/868/915 MHz三個ISM(工業、科學和醫學)頻道，頻道之間的轉換時間小于650 μs[7]。ShockBurstTM工作模式，能自動處理字頭和CRC(循環冗余碼校驗)。通過SPI串口與微控制器通信，使用非常方便；內建空閑模式與關機模式，易于實現節能。nRF905適用于無線數據通信、無線開鎖等諸多領域。

　　天線的設計是整個系統設計的一個非常重要的環節。系統功耗的高低以及網絡性能的好壞與天線的設計都有密切關系。天線部分的設計采用整體PCB環行差分天線。與傳統的鞭狀天線相比，不僅節省空間，降低生產成本，機構上也更穩固可靠。

　　因為本文主要研究無線傳感器網絡的自組網和低功耗技術，所以只選擇了MSP430系列單片機的內部集成熱敏二極管來測量節點的工作溫度，但預留了大量外接傳感器接口，外接傳感器的信號能以中斷方式喚醒節點。

2.3 系統功耗

　　傳感器節點采用電池供電，功耗的高低直接影響整個網絡的生命期。系統的功耗不僅與選擇的元器件有關，還與整個網絡的控制策略有關。采用不同的控制策略，系統的工作時間就會不同。若希望節點工作一年的時間（365×24=8 760小時），則理論上要求平均工作電流約為263 μA（2 300÷8 760）。發射數據到接收應答的工作時間約為50 ms，這樣可推算出每次工作前的平均休眠時間為2.3 s[8]。實際應用中，可以根據網絡的反應速度和信息的采樣率來選擇系統工作和休眠的時間。

3 軟件開發

　　低功耗系統的設計是一種綜合硬件和軟件為一體的技術，必須在使用低功耗芯片的同時，采用智能的控制策略。例如,讓系統在需要工作時全速運行；而當整個系統處理完事件就進入低功耗模式，等待外部事件的喚醒。

　　系統軟件包括基站節點軟件、傳感器節點軟件和上位機處理軟件。

3.1 基站節點軟件

　　基站節點的主程序比較簡單，初始化后就進入低功耗模式，等待外部事件喚醒。外部事件包括串口中斷事件、接收到數據事件和定時器的中斷事件。

　　圖3給出了基站節點的串口中斷流程。

圖3 基站節點串口中斷流程

　　為了防止串口通信過程中丟失數據，軟件設計上加了握手協議。當基站節點每發送一個數據包給上位機時，上位機都會向基站節點發送應答信號，直到數據包發送給上位機。接收到數據包后，節點會從低功耗模式中喚醒,根據接收到的數據中標志位的不同字符分別進入不同的處理單元。

　　當多個傳感器節點同時與某個傳感器節點通信時，存在掙搶信道的現象。為了避免多個傳感器節點同時與某個傳感器節點通信造成數據丟失，軟件上采用一定的退避機制。一方面，利用射頻芯片nRF905的CD（載波偵聽）信號來產生隨機延時，以避免同時發送信號；另一方面，當一個傳感器節點與某個傳感器節點建立了通信通道時，其他發送數據的節點會增加發射數據的次數。

3.2 傳感器節點軟件

　　傳感器節點初始化后，首先發送請求基站節點分配級別的命令，同時打開一個定時喚醒的定時器；然后進入低功耗模式，等待外部事件的喚醒。若傳感器發送請求基站節點分配級別的次數達到設定上限，仍未確定節點在網絡中的級別，則該節點就會向周圍傳感器節點廣播信息。當廣播次數達到設定值時，傳感器節點就根據收到的信息確定自己的級別以及與該節點有直接聯系的節點的信息，并把這些信息發送給基站節點。傳感器節點的外部中斷事件包括接收到數據事件、定時器中斷事件、狀態突變事件。

　　當傳感器節點檢測到狀態突變后，會從低功耗狀態喚醒，并及時采集此時的環境參數（包括狀態量、溫度值及節點電壓值），將這些數據發送出去。該數據包通過單跳或多跳到達基站節點并在上位機軟件上顯示。

3.3 上位機處理軟件

　　為了監測整個網絡情況，需要在主機上建立良好的人機交互界面。采用Visual Basic(VB)來設計人機界面。利用VB的MSComm控件實現上、下位機的串口通信，利用其他控件實現對無線傳感器網絡的分析、顯示和操作。

　　上位機主程序主要完成一些變量和控件初始化，然后等待串口數據。數據的接收和發送都是由中斷程序完成的，其流程如圖4所示。