一種無線傳感器網絡節點的開發

引言 

無線傳感器網絡系統中，每個傳感器節點都具有無線通信功能，各個測點的傳感器單元，對此處的參數進行測量，并組成一個無線網絡，將測量數據通過該網絡以無線方式傳送到監控中心。無線傳感器網絡系統與傳統的有線傳感器網絡相比，具有耗資小、安裝方便、維護和更新費用低等優勢，非常適合用于對布線困難的區域、人員不能到達的區域和一些對臨時場合的狀況進行遠程監測，如大型建筑的健康狀態監測、空間探索、災害預測、獲取敵方戰場信息等，也因此成為國際上的前沿熱點研究領域。

針對環境及結構狀態監測，我們設計了一種無線傳感器網絡，該網絡由若干傳感器節點、一個無線接收功能的網絡控制節點及一臺計算機構成。無線傳感器節點分布于需要監測的區域內，執行數據采集、處理和無線通信等工作，網絡控制節點接收各傳感器的數據并以有線的方式將數據傳送給計算機。結構如圖1所示。 
 


傳感器節點的硬件設計

總體結構

傳感器節點是網絡的基本單元，由下列部件組成：微功耗微處理器、微功耗短距離射頻收發器、采集部分（各種傳感器）組成。節點結構示意圖如圖2所示。



微處理器

微處理器采用TI公司的MSP430的F149單片機。TI 公司的MSP430 系列單片機是一種超低功耗的混合信號控制器，能夠在低電壓下以超低功耗狀態工作；其控制器具有強大的處理能力和豐富的片內外設；帶FLASH 存儲器的單片機還可以方便高效地進行在線仿真和編程。MSP430家族分為MSP430X1XX、MSP430X3XX、MSP430X4XX 三個系列。MSP430F149是MSP430X1XX 系列中的功能最強的單片機。

MSP430F149 包含的組件為：
（1）基礎時鐘模塊，包括1 個數控振蕩器（DCO）和2 個晶體振蕩器；
（2）看門狗定時器Watchdog Timer，可用作通用定時器；
（3）帶有3 個捕捉／比較寄存器的16 位定時器Timer_A；
（4）帶有7 個捕捉／比較寄存器的16 位定時器Timer_B；
（5）2 個具有中斷功能的8 位并行端口：P1 與P2；
（6）4 個8 位并行端口：P3、P4、P5 與P6；
（7）模擬比較器COMPARATOR_A；
（8）12 位A/D 轉換器；
（9）2 通道串行通信接口（軟件選擇UART/SPI 模式）；
（10）1 個硬件乘法器；
（11）60 KB＋256字節FLASH，2 KB RAM。

MSP430F149 豐富的片內外設可使整個電路變得異常簡化，減少了節點的功耗和體積。

MSP430 系列單片機最顯著的特點就是它的超低功耗，在1.8～3.6V 電壓、1MHz 的時鐘條件下運行，耗電電流在0.1～400mA 之間，RAM 在節電模式耗電為0.1mA，等待模式下僅為0.7mA。能耗是無線傳感器網絡的瓶頸，節點必須依靠電池供電，所以CPU 采用MSP430F149 是最佳的選擇。MSP430F149 采用16 位RISC 結構，其豐富的尋址方式、簡潔的內核指令、較高的處理速度（8M 晶體驅動，指令周期125ns）、大量的寄存器以及片內數據存儲器使之具有強大的處理能力。另外，MSP430F149 的運行環境溫度范圍為 40～+85℃，可以適應各種惡劣的環境。

射頻模塊

射頻模塊是節點中重要的組成部分，采用RFWaves 公司生產的短距離RF收發器芯片組RFW102，它是一個物理層RF收發器，工作在2.4GHz，包含一個印在印制板上的天線，無需外部天線。RFW102采用DSSS直接序列擴頻技術；工作電壓很寬2.7～3.6V，適合不同的電池供電；功耗低：待機電流僅1 A，喚醒時間20 s。模塊提供一個擴頻脈沖管作通信用，速率達到1Mbps。該產品成本比藍牙低，通信距離可達20米（室內），80米（室外）。

射頻模塊與微處理器的連接采用與RFW102配套的產品RFW-D100。該產品主要用來為發射機和MCU(微處理單元) 提供通用接口。它可為MCU和RFW-102 提供透明的并行同步接口和存儲器接口， 以及適合執行無線通信協議的其它性能。同時， 也可以將輸入數據轉換成適合MAC運行的8比特字段。此外， RFW-D100 還具有特別設計的節能結構和多種工作模式，而且功耗也很低。采用RFW-D100接口芯片，很大程度上減小了設計難度，縮短了設計周期。射頻模塊與微處理器的接口示意圖如圖3。



使用射頻模塊時，有兩個問題需要注意：第一個是當發送完成后，一定要將發送使能引腳和發送數據引腳置為低電平。否則一方面會消耗電能，另一方面射頻模塊將一直發送一個單頻載波信號，干擾周圍節點的工作； 第二個是無線發送模塊從待機狀態轉變為發送狀態，之間有大約20 s的延時。在此期間，輸入發送模塊的數據不能被正確發送，所以在準備發送之前，應提前將發送使能置為高電平。

傳感器 

信號采集部分是由若干個傳感器組成。加速度傳感器采用ADXL210，可測量雙軸向加速度，輸出循環數字信號，可與單片機直接接口，無須放大A/D電路；功耗低于0.6mA，單電源供電范圍為＋3~＋5.25V；只須調節外接電阻就可方便地調整數字信號的循環輸出周期；測量范圍為 10g。MSP430F149的定時器Timer_A有三個捕獲器，可以選擇兩個用于對ADXL210L輸出的兩路循環數字信號進行測量，實現與加速度傳感器方便的接口，ADXL210與微處理器接口示意圖如圖4。



溫度傳感器采用AD7416，10位溫度數字轉換器；漏極開路超溫掉電輸出，可以實現“線與”；I2C兼容的串行接口；可選的串行總線地址，允許在單一總線上連接多達8個AD7416；低功耗掉電方式(典型2mA)；400ms更新速率； 55~+125℃溫度測量范圍。

節點采用電池供電，由于電池的能量有限，而且節點可能工作在不易到達的區域，電池不便經常更換。所以在進行設計的時候，節能是需要優先考慮的問題。首先，單片機應以最快的速度執行任務，一旦有可能就進入節能模式。在節能模式中，通過管理電路，將除單片機以外的器件的供電切斷。進入節能模式后，如果監控中心需要訪問該節點，則通過射頻收發模塊喚醒該節點的單片機。 

實驗

用此節點組成了一個如圖5所示的單跳網絡，使用RFWaves 公司的CSMA協議進行測試。網絡中的每個節點都有一個固定的節點號，其中與計算機連接的無線接口模塊作為主站，傳感器節點作為從站，可以被主站尋址。傳感器節點開機后進入待機狀態，當收到主站的尋址請求時觸發中斷，將自己的信息發送出去。數據發送完畢，又進入待機狀態。整個網絡時序由主站統一控制，保證了不會出現訪問沖突。


RFWaves 公司的CSMA 協議是專為RFW102 芯片組和RFW- D100 連接管理器而開發的。此協議安裝容易，并支持多種網絡拓展，如最簡單的對等拓展、或有大量節點的星型拓展。它能有效管理RFW102 和RFW- D100 的功率消耗, 因而具有最低的平均功耗，而使用重發和確認技術則可確保收發數據的可靠性。載波監聽和RSSI 技術可支持與其它發射機的優化共存， 同時可避免沖突和減少干擾。

由振動傳感器采集并發送到主機的振蕩信號如圖6。
圖6 傳感器節點上振動傳感器傳到主機的數據(略)



結束語

此次傳感器網絡系統中傳感器節點以低功耗單片機MSP430F149為核心，采用射頻模塊RFW102芯片組進行通信，傳感器選用專用集成電路。節點使用電池供電，軟硬件設計方面都最大程度上做到節約電能，以延長節點使用壽命。實驗表明此系統穩定性好，通信效率高。
節點設計完成后，下一步要做的工作是基于此節點進行多跳傳感器網絡協議的設計研究，設計實現的過程中還會對節點進行進一步完善。