| 摘要 簡要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò),給出基于MSP430F1xx系列單片機(jī)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)制作及組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案;結(jié)合射頻收發(fā)一體的NORDIC系列芯片和新型數(shù)字傳感器,設(shè)計(jì)可組建無線網(wǎng)絡(luò)的探測節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)相關(guān)物理信號(hào)的采集;給出組網(wǎng)設(shè)計(jì)中相關(guān)技術(shù)研究。通過實(shí)驗(yàn)表明,制作的傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中有較高的可靠性。 關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 傳感器節(jié)點(diǎn) MSP430 低功耗 引言 傳感測試技術(shù)正朝著多功能化、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、無線化的方向發(fā)展。自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Self Organizing Wireless Sensor Networks)作為新興技術(shù),是目前國外研究的熱點(diǎn),其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和災(zāi)難拯救等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。早在2003年美國自然科學(xué)基金委員會(huì)已經(jīng)斥巨資來支持這方面的研究,并且出現(xiàn)了一些致力于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的公司,其中Crossbow公司已推出了Mica系列傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。國內(nèi)很多大學(xué)現(xiàn)已經(jīng)開展相關(guān)領(lǐng)域的研究,但大部分工作仍處在自組織無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能仿真和硬件節(jié)點(diǎn)小規(guī)模實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段。本文就國防科技大學(xué)傳感器教研室開展可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測方面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行介紹。 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型（如圖1所示）是不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng),通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨意布撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)（簡稱節(jié)點(diǎn)）,由各節(jié)點(diǎn)自行協(xié)調(diào)并迅速組建通信網(wǎng)絡(luò),在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進(jìn)行工作任務(wù)劃分以獲取監(jiān)視區(qū)域信息。網(wǎng)絡(luò)的自組織特性體現(xiàn)在當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效或新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)重新組建,以調(diào)整全局的探測精度,充分發(fā)揮資源優(yōu)勢,即網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)多跳的路由功能。  圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型
1.1 節(jié)點(diǎn)組成 典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸和電源4個(gè)主要部分組成。傳感探測單元由傳感器進(jìn)行監(jiān)測區(qū)域內(nèi)待測對(duì)象的信息采集;微控制單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)等功能;無線傳輸單元負(fù)責(zé)低功耗短距離節(jié)點(diǎn)間通信;供電單元選取小型化、高容量的電池,以確保節(jié)點(diǎn)的長壽命和微型化。具體節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2和圖3所示。  圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
�。�1） 無線傳輸單元
無線收發(fā)模塊選用挪威Nordic公司推出的nRF401芯片。nRF401是工作在ISM頻段433.92 MHz/434.33 MHz的單片無線收/發(fā)一體芯片,是包括了高頻發(fā)射/接收、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)和雙頻道切換等單元的高集成度無線數(shù)傳產(chǎn)品。 其最高傳輸速率可達(dá)20 Kb/s, 接收靈敏度為-105 dBm,最大發(fā)射功率為10 dBm,較其他類別射頻收發(fā)芯片外圍電路設(shè)計(jì)簡單。 設(shè)計(jì)中工作頻率鎖定在434.33 MHz,微控制單元僅須提供四根口線： 收發(fā)狀態(tài)切換TXEN、待機(jī)與工作狀態(tài)切換PWRUP和數(shù)據(jù)通信接口線DIN/DOUT。射頻信號(hào)輸出設(shè)計(jì)采用環(huán)形差分輸出天線。  圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖片
�。�2） 微控制單元
TI公司MSP430系列單片機(jī)是一種具有集成度高、功能豐富、功耗極低等技術(shù)特點(diǎn)的16位單片機(jī)。超低功耗的混合信號(hào)控制器、豐富的片內(nèi)外設(shè)、節(jié)能考慮的多種工作模式和對(duì)C語言程序設(shè)計(jì)的支持,使得MSP430系列單片機(jī)非常適合于應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)中選用帶有Flash存儲(chǔ)器可進(jìn)行在線編程的MSP430x13x、MSP430x14x系列單片機(jī);外圍模塊有看門狗、定時(shí)器A/B、同步/異步串行通信接口、10/12位A/D以及6個(gè)8位并行端口等多種組合形式。其實(shí)現(xiàn)功能如下： ◇ 操作無線收發(fā)芯片,為nRF401提供工作狀態(tài)控制線和兩條單向串行傳輸數(shù)據(jù)線;
◇ 實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)采集——加速度、溫度、聲音和感光強(qiáng)度探測;
◇ 本地?cái)?shù)據(jù)處理——剔除冗余數(shù)據(jù),以減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)載和對(duì)無線傳輸數(shù)據(jù)的封裝與驗(yàn)證;
◇ 應(yīng)答遠(yuǎn)控中心查詢,完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與存儲(chǔ);
◇ 區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的路由維護(hù)功能;
◇ 節(jié)點(diǎn)電源管理,合理地設(shè)置待機(jī)狀態(tài),以節(jié)省能量消耗,延長節(jié)點(diǎn)使用壽命。 �。�3） 傳感探測單元
根據(jù)實(shí)際需要選擇合適傳感器對(duì)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫度、濕度、振動(dòng)、聲音和光線等物理信號(hào)進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選用了兩種外圍電路簡單的數(shù)字式傳感器、光敏器件和駐極體話筒,分別對(duì)振動(dòng)、溫度、光強(qiáng)和聲音進(jìn)行探測。 ◆ AD公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器。其采用先進(jìn)的MEMS技術(shù),在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅編碼微機(jī)械傳感器,集成精密的信號(hào)處理電路,可測靜態(tài)及動(dòng)態(tài)加速度,輸出為周期的占空比調(diào)制（DCM）循環(huán)數(shù)字信號(hào)。測試范圍為-2～+2 g,測試帶寬為0.01 Hz～5 kHz（外置單電容可調(diào)）,60 Hz帶寬下分辨率為5 mg。該傳感器可廣泛應(yīng)用于慣性導(dǎo)航、地震監(jiān)測、車輛安全和電池供電設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測試等領(lǐng)域。
◆ Maxim公司的DS18B20是一線式數(shù)字溫度傳感器。測量結(jié)果可選用9～12位串行數(shù)據(jù)輸出,測量范圍為-55～125 ℃,在-10～85 ℃測量準(zhǔn)確度為±0.5 ℃。
◆ 光敏電阻5516是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)工作的光導(dǎo)管,對(duì)光強(qiáng)感應(yīng)靈敏度相當(dāng)高。當(dāng)受到一定波長范圍的光照時(shí),其阻值（亮電阻）急劇減小,電流迅速增加,通過參考電阻分壓后進(jìn)行A/D采樣即可獲得光敏電阻的阻值,進(jìn)而換算出光照強(qiáng)度。
◆ 駐極體話筒HX034P是電容式微麥克風(fēng)。輸入信號(hào)為聲音信號(hào),輸出信號(hào)經(jīng)MAX4466構(gòu)成的前置放大電路后進(jìn)行電壓值A(chǔ)/D采樣,處理器的A/D采樣頻率可達(dá)200 kHz,可捕獲到聲音信號(hào)。結(jié)合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、加速度（震動(dòng)）的準(zhǔn)確測量與探測;光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性,因此在實(shí)驗(yàn)中不作精確標(biāo)定;另外對(duì)聲音信號(hào)的捕獲和復(fù)現(xiàn)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理,從能量利用和傳感器節(jié)點(diǎn)功能的精簡角度考慮,實(shí)驗(yàn)中對(duì)聲光強(qiáng)弱的探測通過設(shè)定閾值來給出布爾型（0或1）輸出。 �。�4） 供電單元
實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的微型化,節(jié)點(diǎn)可采用輸出電壓3.6 V可充電鋰離子紐扣電池LIR2032供電。該類電池自放電率小于10%/月,但額定容量較小,限制了節(jié)點(diǎn)的生存期。若以兩節(jié)普通5號(hào)AA電池供電,則可維持更長的工作時(shí)間。在以網(wǎng)絡(luò)形式工作狀態(tài)下,通過合理的設(shè)置節(jié)點(diǎn)發(fā)射機(jī)的接收、發(fā)射以及待機(jī)狀態(tài),可有效地延長節(jié)點(diǎn)的使用壽命。針對(duì)節(jié)點(diǎn)供電單元不便于更換的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),新的能源解決方法研究及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)也是當(dāng)前值得關(guān)注的課題。 1.2 sink點(diǎn)（數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)）設(shè)計(jì) 傳感探測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息與外部網(wǎng)絡(luò)或處理中心的連接需要通過sink點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。sink點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線設(shè)備連接的中轉(zhuǎn)站,負(fù)責(zé)發(fā)送上層命令（如查詢、分配ID地址等）、接收下層節(jié)點(diǎn)的請求和數(shù)據(jù),具有數(shù)據(jù)融合、請求仲裁和路由選擇等功能,是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最重要的一部分。設(shè)計(jì)中sink點(diǎn)由上位PC機(jī)與無線通信適配單元組成,如圖4所示。無線收發(fā)模塊仍采用nRF401芯片配以環(huán)形差分天線。以3 V電壓供電,TTL與RS232電平轉(zhuǎn)換單元選用MAX3316芯片。該芯片在2.25～3.0 V供電即可實(shí)現(xiàn)兩通道雙向電平轉(zhuǎn)換,可直接操作nRF401芯片串行數(shù)據(jù)線DIN/DOUT、控制線TXEN。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)方式中上位PC機(jī)通過API函數(shù)調(diào)用或串口控件方式來操作口線會(huì)產(chǎn)生較高的誤碼率,須涉及更底層的寄存器操作才能高效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取。這無疑增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,故sink點(diǎn)在實(shí)際制作中選用具備2路UART通道的MSP430F149芯片作為無線與有線串行傳輸?shù)倪B接與處理單元,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)初級(jí)的封裝與分解,為上位機(jī)提供便攜的接口方式。 |
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