基于MSP430的無線傳感器網絡設計

傳感測試技術正朝著多功能化、微型化、智能化、網絡化、無線化的方向發(fā)展，自組織無線傳感器網絡(selforganizing wireless sensornetwork)作為新興技術，是目前國外研究的熱點，其在軍事、環(huán)境、健康、家庭、商業(yè)、空間探索和災難拯救等領域展現出廣闊的應用前景，早在2003年美國自然科學基金委員會已經斥巨資來支持這方面的研究，并且出現了一些致力于無線傳感器網絡的公司。其中，crossbow公司已推出了mica系列傳感器網絡產品，國內很多大學現已經開展相關領域的研究，但大部分工作仍處在自組織無線網絡協議性能仿真和硬件節(jié)點小規(guī)模實驗設計階段，本文就國防科技大學傳感器教研室開展可應用于環(huán)境監(jiān)測方面無線傳感器網絡設計與實現進行介紹。

1 無線傳感器網絡硬件設計

無線傳感器網絡模型(如圖1所示)是不同于傳統(tǒng)無線網絡的以基礎設施網，通過在監(jiān)測區(qū)去內隨意布撒大量傳感器節(jié)點(簡稱節(jié)點)，由各節(jié)點自行協調并迅速組建通信網絡，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進行工作任務劃分以獲取監(jiān)視區(qū)域的信息，網絡的自組織特性體現在當節(jié)點失效或新節(jié)點加入時網絡能夠自適應重新組建，以調整全局的探測精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，即網絡中的各節(jié)點除具備數據采集功能外兼有數據轉發(fā)實現多跳的路由功能。

典型的無線傳感器網絡節(jié)點由數據采集、處理、傳輸和電源4個主要部分組成，傳感探測單元由傳感器進行監(jiān)測區(qū)域內待測對象的信息采集，微控制單元實現數據的分析、處理和存儲等功能，無線傳輸單元負責低功耗短距離節(jié)點間通信，供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節(jié)點的長壽命和微型化，具體節(jié)點設計如圖2和圖3所示。

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433.92mhz/434.33mhz單片無線收/發(fā)一體芯片，是包括了高片發(fā)射/接收、plll合成，fsk調制/解調和雙頻道切換等單元的高集成度無線傳感器產品，其最高傳輸速率可達到20kb/s接收靈敏度為-105dbm，最大發(fā)射功率為10dbm，較其他類別射頻收發(fā)芯片外圍電路設計簡單，設計中工作頻率鎖定在434.33mhz，微控制單元僅須提供四跟口線：收發(fā)狀態(tài)切換txen、待機與工作狀態(tài)切換pwr-up和數據通信接口線din/dout。射頻信號輸出設計采用環(huán)形差分輸出天線。

ti公司msp430系列單片機是一種具有集成度高、功能豐富、功耗級低等技術特點的16位單片機，超低功耗的混合信號控制器、豐富的片內外設、節(jié)能考慮的多種工作模式和對c語言程序設計的支持，使得msp430系列單片機非常適合于應用在嵌入式系統(tǒng)，設計中選用flash存儲器可進行在線編程的msp430x13x、msp430x14x系列單片機，外圍模塊有看門狗、定時器a/b、同步/異步串行通信接口、10/12位a/d以及6個8位并行端口等多種組合形式。其實現功能如下：

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據線。

實現傳感器的數據采集-加速度、溫度、聲音和感光強度探測;

本地數據處理--剔除冗余數據，以減少網絡傳輸的負載和對無線傳輸數據的封裝與驗證。

應答遠控中心查詢，完成數據轉發(fā)與存儲;

區(qū)域內節(jié)點的路由維護功能;

節(jié)點電源管理，合理地設置待機狀態(tài)，以節(jié)省能量消耗，延長節(jié)點使用壽命。

(3)傳感探測單元

根據實際需要選擇合適傳感器對監(jiān)測區(qū)域內溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進行檢測。實驗設計選用了兩種外圍電路簡單的數字格式傳感器、光敏器件和駐極體話筒，分別對振動、溫度、光強和聲音進行探測。

ad公司的adxl202是雙軸向加速度傳感器，其采用先進的mems技術，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器，集成精度的信號處理電路，可測靜態(tài)及動態(tài)加速度，輸出為周期的占空比調制(dcm)循環(huán)數字信號，測試范圍為-2-+2g，測試帶寬為0.01hz-5khz(外置單電容可調)，60hz帶寬下分辨率為5mg，該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監(jiān)測、車輛安全和電池供電設備的運動狀態(tài)測試等領域。

maxim公司的ds18b20是一線式數字溫度傳感器，測量結果可選用9-12位串行數據輸出，測量范圍-55-125℃，在-10-85℃測量準確度為±0.5℃。

光敏電阻5516是基于半導體光電效應工作的光導管，對光強感應靈敏度相當高，當受到一定波長范圍的光照時，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行a/d采樣即可獲得光敏電阻的阻值，進而換算出光照強度。

駐極體話筒hx034p是電容式微麥克風。輸入信號為聲音信號，輸出信號經max4466構成的前置放大電路后進行電壓值a/d采樣，處理器的a/d采樣頻率可達200khz，可捕獲到聲音信號。

結合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網絡節(jié)點，能夠實現溫度、加速度(震動)的準確測量與探測，光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在實驗中不作精確標定;另外對聲音信號的捕獲和復現需要進行大量的數據處理，從能量利用和傳感器節(jié)點功能的精簡角度考慮，實驗中對聲光強弱的探測通過設定閾值來給出布爾型(0或1)輸出。

(4)供電單元

實現節(jié)點設計的微型化，節(jié)點可采用輸出電壓3.6v可充電鋰離子鈕扣電池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)點的生存期，若以兩節(jié)5號aa電池供電，則可維持更長的工作時間，在以網絡形式工作狀態(tài)下通過合理的設置節(jié)點發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機狀態(tài)，可有效地延長節(jié)點的使用壽命。針對節(jié)點供電單元不便于更換的無線傳感器網絡，新的能源解決方法研究及網絡系統(tǒng)的低功耗設計也是當前值得關注的課題。