無線傳感器網絡系統設計

無線傳感器網絡是由大量的具有通信和計算能力的傳感單元構成的智能測控網絡系統，它綜合了傳感器技術、微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡技術、無線通信技術及分布式信息處理技術等，是新興的交叉研究領域，具有重要的研究價值和廣闊的應用前景，成為當今信息領域的研究熱點。

在軍事應用中，大量的傳感器節點通過人工布設、火炮發射、飛行器空投等方式布放至監控區域，以自組織的方式構成無線傳感器網絡，并采集聲音、震動、磁、溫度、濕度等各種環境信息或監測對象的信息，實現感應、檢測、定位、監視和警戒等多方面的應用，提高戰場信息的感知、傳輸和處理能力。無線傳感器網絡預示著為戰場帶來新的電子眼和電子耳，將成為網絡中心戰和現代電子信息戰的重要組成部分。

無線傳感器網絡概述

無線傳感器網絡是將大量具有通信與計算能力的微小傳感器節點，通過人工布設、空投、火炮投射等方法部署在預定的監控區域，構成的“智能”自治測控網絡系統。使用無線傳感器網絡的目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并傳送到觀察者。感知對象、傳感器網絡和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。

一個典型的無線傳感器網絡體系結構包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。大量傳感器節點隨機布設在監測區域內，通過自組織的方式構成網絡。

無線傳感器網絡與傳統的無線ad-hoc網絡雖然有很多相似之處和共同特點，但二者之間也存在一些本質的區別。無線ad-hoc網絡的目的是通過動態路由和移動管理技術，為用戶提供高質量的數據傳輸服務，本質上是一種數據網，節點的計算和通訊能力較強，并有持續的能量供給。無線傳感器網絡以監控物理世界為主要目標，是一種測控網絡，節點的計算和通訊能力較弱，能量供給嚴重受限。歸納起來，無線傳感器網絡具有如下特點：規模大、密度高；無中心、自組織；網絡動態性強；節點資源受限；多跳路由；以數據為中心。

系統整體方案設計

本文針對戰場偵察監控的應用需求，基于MSP430F149單片機和無線射頻芯片nRF905，設計了一種無線傳感器網絡系統。

無線傳感器網絡系統主要由普通傳感器節點、匯聚節點和上位機監控平臺組成。普通傳感器節點散布在觀察區域內，負責采集和觀察對象相關的數據，并將協同處理后的數據傳送到匯聚節點。匯聚節點將網絡中的數據在上位機監控平臺上進行處理和顯示。

無線傳感器網絡節點設計的好壞直接影響到整個網絡的質量，無線傳感器網絡節點主要由數據處理單元、無線通訊單元、傳感器單元、電源單元組成，如圖1所示。

針對野外條件下的無線傳感器網絡實時監測和突發事件處理的應用需求，無線傳感器網絡節點在設計上，重點考慮以下幾個方面：①低功耗、低成本、小體積；②穩定性；③擴展性和靈活性。

無線傳感器網絡節點由處理器/射頻通訊板和傳感器板組成。處理器/射頻通訊板采用了超低功耗的MSP430F149單片機和具有多種工作模式的無線射頻芯片nRF905，傳感器板采用了聲音、加速度和磁性三種傳感器，用于實現對環境數據的采集和目標信息的探測，同時通過蜂鳴器、麥克風以及音頻信號的接收放大和解碼電路實現節點間的測距。系統采用兩節5號電池供電。匯聚節點采用與普通傳感器節點相同的結構設計。

系統硬件設計

微處理器選型

MSP430系列單片機是美國TI公司推出的16位超低功耗、高性能類型的混合信號控制器，專為超低功耗應用精心設計。其在1.8V~3.6V電壓下工作，適合于電池供電使用。高度靈活的時鐘系統、多種操作模式可大幅降低功耗，顯著地延長電池的使用壽命。同時，該產品將大量的外圍模塊整合在片內，適合于設計片上系統；有豐富的系列型號器件可供選擇，給設計者帶來很大的靈活性。MSP430單片機的這些特性，非常適合應用在無線傳感器網絡系統中。

無線通訊單元設計

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器，工作電壓為1.9V~3.6V，工作于433/868/915MHz三個ISM（工業、科學和醫學）頻道，頻道之間的轉換時間小于650μs。nRF905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，不需外加聲表面濾波器。Shock Burst工作模式，能自動處理字頭和CRC（循環冗余碼校驗）；通過SPI串口與微控制器通訊。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發射時，電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內建空閑模式與關機模式，易于實現節能。這些特點使得nRF905非常適合在無線傳感器網絡中應用。

nRF905有兩種工作模式和兩種節能模式。兩種工作模式分別是Shock Burst TM接收模式和Shock Burst TM發送模式；兩種節能模式分別是關機模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個引腳決定。

nRF905工作于Shock Burst TM模式時，nRF905能夠提供高速的數據傳輸而不需要昂貴的高速MCU來進行數據處理，與射頻數據包有關的高速信號處理都在nRF905片內進行，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數據發射速率。nRF905提供給應用的微控制器一個SPI接口，數據速率由微控制器自己設定。在Shock Burst TM接收模式下，當一個包含正確地址和數據的數據包被接收到后，地址匹配(AM)和數據準備好(DR)兩引腳通知微控制器，微控制器就會對接收到的數據包進行處理，處理完數據會根據相應的條件進入各種工作模式。在Shock Burst TM發送模式，nRF905自動產生字頭和CRC校驗碼，當發送過程完成后，數據準備好引腳通知微處理器數據發射完畢，微處理器就可以根據情況讓系統工作在各種模式下。由以上分析可知，nRF905的Shock Burst TM收發模式有利于節約存儲器和微控制器資源。

nRF905的節能模式包括關機模式和空閑模式。在關機模式，nRF905的工作電流最小，一般為2.5μA。進入關機模式后，nRF905保持配置字中的內容，但不會接收或發送任何數據?？臻e模式有利于減小工作電流，其從空閑模式到發送模式或接收模式的啟動時間也比較短。在空閑模式下，nRF905內部的部分晶體振蕩器處于工作狀態，工作電流跟外部晶體振蕩器的頻率有關。

選取nRF905作為傳感器節點的射頻通訊芯片，天線使用50Ω的單鞭天線。如圖2所示，TXEN、TRX_CE、PWR_UP是MSP430F149單片機輸出信號，用來配置nRF905的各種工作模式。SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_SCK和SPI_SCN是MSP430F149單片機與nRF905的通訊信號線。CD、AM和DR分別代表載波偵聽、地址匹配和數據準備好，是nRF905返回給MSP430F149單片機的信號線。

傳感器單元設計

（1）聲音傳感器

聲音的監測采用Panasonic的全方位電容麥克風WM-62A，它除了被用于普通的聲音記錄以外，還同蜂鳴器、麥克風、音頻信號的接收放大和解碼電路，一起被用于聲音定位。聲音傳感器模塊的接口電路如圖3所示。蜂鳴器采用簡單的固定頻率的共鳴器，用于產生固定頻率（如4KHz）的測距聲波。麥克風接收到的聲音信號兩次經過運算放大器MAX4466實現兩級放大，輸出信號送到單片機的模數轉換端口，同時該輸出經過有源濾波器MAX4164連接到音調偵測器LMC567，可以實現聲調解碼，當蜂鳴器所發出的固定頻率的音調出現，音調偵測器LMC567就會輸出一個數字高低電平給單片機的中斷端口。

通過這一電路，能夠實現傳感器節點間的測距，采用基于聲波和電磁波的到達時間差測距的方法實現節點間測距，通過測量節點所廣播的聲波和電磁波到達同一節點的時間差，進而基于信號傳播速度來確定節點間的距離。某一節點激勵蜂鳴器發聲，且同時廣播電磁信號，當周圍的某個節點接收到電磁波信號后，定時器開始工作，當該節點接收到測距聲波時定時器停止工作。由于電磁波的傳播速度很快，定時器測量的時間可以近似認為是聲波在兩節點間傳播的時間，進而可計算出兩節點間的距離。然后通過一定的定位算法，可以實現傳感器節點的自身定位。

（2）加速度傳感器

ADXL202AE是廉價、低功耗的兩軸加速度傳感器，量程范圍為-2g到+2g。它可用來測量動態加速度，也可用來測量靜態加速度。它具有較高的靈敏度(12.5%/g)，即使用低速計數器來對它輸出的PWM信號進行解碼，也可以得到較高的分辨率。加速度傳感器模塊的接口電路如圖4所示。ADXL202AE芯片的集成度較高，其輸出形式一種是直接的模擬電壓信號，一種是數字信號。利用ADXL202AE雙軸加速度傳感器可以測量地震動加速度，從而實現對目標的探測。

（3）磁性傳感器

磁性傳感器可以測量環境磁場強度，能夠探測到帶磁性的目標。美國Honeywell公司的低功耗二維磁阻傳感器HMC1052具有超低功耗，供電電壓低于1.8V；靈敏度達1mV/V/Oe，檢測磁場范圍達±60e；位于芯片上的置位/復位帶，減少了溫度漂移影響，也減少了大磁場存在引起的信號輸出損失；廣泛應用于羅盤、導航系統、高度參考、交通檢測、醫療設備、位置檢測等領域。

磁性傳感器模塊的接口電路如圖5所示。傳感器HMC1052測得的場強以差分信號的形式輸出，分別經LMV358的兩個放大器進行信號放大，放大后的信號送到單片機的ADC端口進行數據采集。

電源管理單元設計

電能是無線傳感器網絡珍貴的資源，它決定著無線傳感器網絡的壽命。節點的電源管理非常重要。本設計采用集成的模擬開關芯片來實現電源控制，MAX4678是4路模擬開關，通過節點平臺的I/O引腳來控制內部模擬開關是否給后級的傳感器模塊供電；通過使沒有用到的傳感器不上電，以達到在無數據采集任務時及時關閉電源、節省電能的目的。電源管理單元電路如圖6所示。

其他外圍電路設計

串口電路

匯聚節點通過串口電路與上位機進行通訊。由于節點上的單片機輸入、輸出電平是TTL電平，而上位機配置的是RS-232標準串行接口，兩者的電氣規范不一致，因此需解決它們之間電平匹配問題。串口通訊電路如圖7所示，由MAX3232完成串口電平的轉換。

復位電路

復位操作有上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現的。圖8為傳感器節點的復位電路，它是上電自動復位和按鍵手動復位的結合。

撥碼開關電路

撥碼開關接在單片機的中斷端口上，可以模擬節點周圍的環境突變，將傳感器節點從低功耗模式喚醒到工作模式。撥碼開關電路如圖9所示，當撥碼開關接通時，電源VCC通過電阻R和撥碼開關與地線形成回路，這時的P1.0~P1.3相當于地線短接，電壓為0；當撥碼開關斷開，電源VCC通過電阻和單片機的P1端口形成回路，此時的P1.0~P1.3電壓相當于電阻兩端的電壓。

插槽接口電路

傳感器節點由處理器/射頻通訊板和傳感器板組成，兩板通過插槽連接，如圖10所示。

系統軟件設計

無線傳感器網絡節點（普通傳感器節點和匯聚節點）遵循休眠、喚醒、正常工作的工作模式。系統在完成初始化后，進入低功耗休眠模式，等待被中斷喚醒且執行中斷程序，中斷執行完畢后，系統回到中斷前的狀態，繼續執行低功耗模式。節點的主程序流程如圖11所示。上位機處理軟件采用Visual Basic(VB)編寫。VB支持面向對象的程序設計，具有結構化的事件驅動編程模式。無線傳感器網絡的上位機處理軟件利用VB的MSComm控件來實現串口通訊，再加上VB中的其他常用控件，實現對無線傳感器網絡的分析、顯示和操作。

結束語

無線傳感器網絡是實現實時監測和突發事件處理的有效方法。本文首先對無線傳感器網絡進行了概述，提出了無線傳感器網絡系統的整體方案，然后從硬件部分和軟件部分兩個方面分別進行設計。無線傳感器網絡系統選擇了低功耗的MSP430F149單片機和具有多種工作模式的無線射頻芯片nRF905，采用了聲音、加速度、磁性三種傳感器，用于實現對環境數據的采集和目標信息的探測；還完成了電源管路單元設計和其他外圍電路設計。該網絡系統具有能耗低、體積小、成本低等特點。