一种无线传感器网络节点的开发

引言 

无线传感器网络系统中，每个传感器节点都具有无线通信功能，各个测点的传感器单元，对此处的参数进行测量，并组成一个无线网络，将测量数据通过该网络以无线方式传送到监控中心。无线传感器网络系统与传统的有线传感器网络相比，具有耗资小、安装方便、维护和更新费用低等优势，非常适合用于对布线困难的区域、人员不能到达的区域和一些对临时场合的状况进行远程监测，如大型建筑的健康状态监测、空间探索、灾害预测、获取敌方战场信息等，也因此成为国际上的前沿热点研究领域。

针对环境及结构状态监测，我们设计了一种无线传感器网络，该网络由若干传感器节点、一个无线接收功能的网络控制节点及一台计算机构成。无线传感器节点分布于需要监测的区域内，执行数据采集、处理和无线通信等工作，网络控制节点接收各传感器的数据并以有线的方式将数据传送给计算机。结构如图1所示。 
 


传感器节点的硬件设计

总体结构

传感器节点是网络的基本单元，由下列部件组成：微功耗微处理器、微功耗短距离射频收发器、采集部分（各种传感器）组成。节点结构示意图如图2所示。



微处理器

微处理器采用TI公司的MSP430的F149单片机。TI 公司的MSP430 系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作；其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设；带FLASH 存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿真和编程。MSP430家族分为MSP430X1XX、MSP430X3XX、MSP430X4XX 三个系列。MSP430F149是MSP430X1XX 系列中的功能最强的单片机。

MSP430F149 包含的组件为：
（1）基础时钟模块，包括1 个数控振荡器（DCO）和2 个晶体振荡器；
（2）看门狗定时器Watchdog Timer，可用作通用定时器；
（3）带有3 个捕捉／比较寄存器的16 位定时器Timer_A；
（4）带有7 个捕捉／比较寄存器的16 位定时器Timer_B；
（5）2 个具有中断功能的8 位并行端口：P1 与P2；
（6）4 个8 位并行端口：P3、P4、P5 与P6；
（7）模拟比较器COMPARATOR_A；
（8）12 位A/D 转换器；
（9）2 通道串行通信接口（软件选择UART/SPI 模式）；
（10）1 个硬件乘法器；
（11）60 KB＋256字节FLASH，2 KB RAM。

MSP430F149 丰富的片内外设可使整个电路变得异常简化，减少了节点的功耗和体积。

MSP430 系列单片机最显著的特点就是它的超低功耗，在1.8～3.6V 电压、1MHz 的时钟条件下运行，耗电电流在0.1～400mA 之间，RAM 在节电模式耗电为0.1mA，等待模式下仅为0.7mA。能耗是无线传感器网络的瓶颈，节点必须依靠电池供电，所以CPU 采用MSP430F149 是最佳的选择。MSP430F149 采用16 位RISC 结构，其丰富的寻址方式、简洁的内核指令、较高的处理速度（8M 晶体驱动，指令周期125ns）、大量的寄存器以及片内数据存储器使之具有强大的处理能力。另外，MSP430F149 的运行环境温度范围为 40～+85℃，可以适应各种恶劣的环境。

射频模块

射频模块是节点中重要的组成部分，采用RFWaves 公司生产的短距离RF收发器芯片组RFW102，它是一个物理层RF收发器，工作在2.4GHz，包含一个印在印制板上的天线，无需外部天线。RFW102采用DSSS直接序列扩频技术；工作电压很宽2.7～3.6V，适合不同的电池供电；功耗低：待机电流仅1 A，唤醒时间20 s。模块提供一个扩频脉冲管作通信用，速率达到1Mbps。该产品成本比蓝牙低，通信距离可达20米（室内），80米（室外）。

射频模块与微处理器的连接采用与RFW102配套的产品RFW-D100。该产品主要用来为发射机和MCU(微处理单元) 提供通用接口。它可为MCU和RFW-102 提供透明的并行同步接口和存储器接口， 以及适合执行无线通信协议的其它性能。同时， 也可以将输入数据转换成适合MAC运行的8比特字段。此外， RFW-D100 还具有特别设计的节能结构和多种工作模式，而且功耗也很低。采用RFW-D100接口芯片，很大程度上减小了设计难度，缩短了设计周期。射频模块与微处理器的接口示意图如图3。



使用射频模块时，有两个问题需要注意：第一个是当发送完成后，一定要将发送使能引脚和发送数据引脚置为低电平。否则一方面会消耗电能，另一方面射频模块将一直发送一个单频载波信号，干扰周围节点的工作； 第二个是无线发送模块从待机状态转变为发送状态，之间有大约20 s的延时。在此期间，输入发送模块的数据不能被正确发送，所以在准备发送之前，应提前将发送使能置为高电平。

传感器 

信号采集部分是由若干个传感器组成。加速度传感器采用ADXL210，可测量双轴向加速度，输出循环数字信号，可与单片机直接接口，无须放大A/D电路；功耗低于0.6mA，单电源供电范围为＋3~＋5.25V；只须调节外接电阻就可方便地调整数字信号的循环输出周期；测量范围为 10g。MSP430F149的定时器Timer_A有三个捕获器，可以选择两个用于对ADXL210L输出的两路循环数字信号进行测量，实现与加速度传感器方便的接口，ADXL210与微处理器接口示意图如图4。



温度传感器采用AD7416，10位温度数字转换器；漏极开路超温掉电输出，可以实现“线与”；I2C兼容的串行接口；可选的串行总线地址，允许在单一总线上连接多达8个AD7416；低功耗掉电方式(典型2mA)；400ms更新速率； 55~+125℃温度测量范围。

节点采用电池供电，由于电池的能量有限，而且节点可能工作在不易到达的区域，电池不便经常更换。所以在进行设计的时候，节能是需要优先考虑的问题。首先，单片机应以最快的速度执行任务，一旦有可能就进入节能模式。在节能模式中，通过管理电路，将除单片机以外的器件的供电切断。进入节能模式后，如果监控中心需要访问该节点，则通过射频收发模块唤醒该节点的单片机。 

实验

用此节点组成了一个如图5所示的单跳网络，使用RFWaves 公司的CSMA协议进行测试。网络中的每个节点都有一个固定的节点号，其中与计算机连接的无线接口模块作为主站，传感器节点作为从站，可以被主站寻址。传感器节点开机后进入待机状态，当收到主站的寻址请求时触发中断，将自己的信息发送出去。数据发送完毕，又进入待机状态。整个网络时序由主站统一控制，保证了不会出现访问冲突。


RFWaves 公司的CSMA 协议是专为RFW102 芯片组和RFW- D100 连接管理器而开发的。此协议安装容易，并支持多种网络拓展，如最简单的对等拓展、或有大量节点的星型拓展。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，而使用重发和确认技术则可确保收发数据的可靠性。载波监听和RSSI 技术可支持与其它发射机的优化共存， 同时可避免冲突和减少干扰。

由振动传感器采集并发送到主机的振荡信号如图6。
图6 传感器节点上振动传感器传到主机的数据(略)



结束语

此次传感器网络系统中传感器节点以低功耗单片机MSP430F149为核心，采用射频模块RFW102芯片组进行通信，传感器选用专用集成电路。节点使用电池供电，软硬件设计方面都最大程度上做到节约电能，以延长节点使用寿命。实验表明此系统稳定性好，通信效率高。
节点设计完成后，下一步要做的工作是基于此节点进行多跳传感器网络协议的设计研究，设计实现的过程中还会对节点进行进一步完善。