基于MSP430和NRF2401的WSN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

0 引 言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(wireless sensor network)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，它由大量低成本、資源有限的傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成，節(jié)點(diǎn)間協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)某一特定任務(wù)。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)所具有的易擴(kuò)展、自組織、分布式結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已經(jīng)由軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到其他許多領(lǐng)域，例如環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣候監(jiān)測(cè)、目標(biāo)追蹤、工業(yè)自動(dòng)化等方面，此外還為未來的遠(yuǎn)程醫(yī)療和空間探索提供了很大的應(yīng)用空間。
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)(sinknode)、外部網(wǎng)絡(luò)和用戶界面。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在感知區(qū)域(Sensorfield)內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中所采集的數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳路由后到匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)通過外部網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳送到處理中心進(jìn)行集中處理。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的硬件一般包括數(shù)據(jù)處理單元、無線傳輸單元、傳感采集單元和電源供應(yīng)單元。如圖2所示，傳感采集單元可以根據(jù)應(yīng)用背景選擇相應(yīng)的測(cè)量物理量的傳感器，電源供應(yīng)單元部分由于系統(tǒng)大部分處于低功耗模式，可以采用7號(hào)電池解決。下面著重介紹數(shù)據(jù)處理單元、無線傳輸單元。

1．1 數(shù)據(jù)處理單元
    MSP430是具有超低功耗特點(diǎn)的16位單片機(jī)，本方案選用MSP430F148，其功耗電流已經(jīng)達(dá)到了μA級(jí)。16位CPU和高效的RISC指令系統(tǒng)，無外擴(kuò)的數(shù)據(jù)地址總線，在8MHz時(shí)可達(dá)到125ns的指令周期，具有16個(gè)快速響應(yīng)中斷，能及時(shí)處理各種緊急事件。豐富的片內(nèi)外圍功能模塊：12位的A／D轉(zhuǎn)換器ADC12內(nèi)包括采樣／保持功能的ADC內(nèi)核、轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)邏輯、內(nèi)部參考電平發(fā)生器、多種時(shí)鐘源、采樣及轉(zhuǎn)換時(shí)序電路。有8個(gè)外通道，4個(gè)內(nèi)通道，高達(dá)200kbps的采樣速率，多種采樣方式。兩路USART通信串口，可用于UART和SPI模式；片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器，6個(gè)并行口P1～P6，48條I／O口線，其具有64KB的閃存，用于存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。
1．2 無線傳輸單元
    本系統(tǒng)采用2．4GHz無線單片收發(fā)芯片nRF2401，它具有體積小、功耗低，外設(shè)少的特點(diǎn)，非常適合于無線傳輸應(yīng)用系統(tǒng)。nRF2401可以由SPI接口與微處理器連接，通過這個(gè)接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)工作。許多單片機(jī)都集成了SPI控制器，例如MSP430，可以非常方便地通過軟件設(shè)置最多40bit地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)(提供一個(gè)中斷指示)，并且支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的操作，編程很方便。nRF2401與單片機(jī)采用SPI接口連接，原理圖如圖3所示。SPI總線接口技術(shù)是一種高速、高效率的串行接口技術(shù)，主要用于擴(kuò)展外設(shè)和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 軟件設(shè)計(jì)
    軟件開發(fā)以IAR Workbench V3．1為平臺(tái)，采用C語言編寫，軟件編程的基本思路是：先對(duì)SPI、nRF2401控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，對(duì)nRF2401芯片初始化；開啟接收機(jī)后，就可以運(yùn)行任務(wù)程序了，以實(shí)現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，對(duì)nRF2401操作流程如下：
    nRF2401有4種工作模式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三個(gè)引腳決定。對(duì)nRF2401的操作主要是配置其工作方式和讀寫數(shù)據(jù)，所有配置命令字和數(shù)據(jù)都是通過同步串行口的CLK和DATA兩個(gè)引腳完成的。要將nRF2401設(shè)置于ShockBurstTM方式，首先使PWR_UP引腳為高電平，CE引腳為低電平。配置字從最高位開始，依次送入nRF2401，CLK下降沿鎖定數(shù)據(jù)。配置命令字發(fā)送完后，在CS的下降沿按新配置字的設(shè)置開始工作。使用nRF2401進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，采用以下的步驟：1)CE置高，使nRF2401開始工作；2)逐位寫入接收機(jī)的地址；3)逐位寫入要傳送的數(shù)據(jù)；4)CE置低，激發(fā)nRF2401進(jìn)行ShockBurstTM發(fā)射。nRF2401的ShockBurstTM發(fā)射過程是：給射頻前端供電，射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、CRC校驗(yàn)碼)，高速發(fā)射數(shù)據(jù)包，發(fā)射完成，nRF2401進(jìn)入空閑狀態(tài)。nRF2401的接口模塊引腳包括CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)，接收端依照以下流程進(jìn)行數(shù)的接收：1)配置本機(jī)地址和即將接收的數(shù)據(jù)包大??；2)進(jìn)入接收狀態(tài)，CE置高；3)200μs后，nRF2401進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來；4)當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包時(shí)，nRF2401自動(dòng)除去字頭、地址和CRC；5)nRF2401通過把DR1(可用作中斷信號(hào))置高來通知微控制器；6)微控制器把數(shù)據(jù)從nRF2401逐位移出；7)所有數(shù)據(jù)移完，nRF2401把DR1置低，此時(shí)如果CE為高，則等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包，如果CE為低，開始其他工作流程。
    程序中用到的部分代碼如下：
    /*invariable*/
    unsigned char Comm_ok_flag；／*主從機(jī)連接OK標(biāo)志*／
    unsigned char DR1_flag；／*DR1為高標(biāo)志*／
    unsigned char Nrf_on_flag；／*2401開關(guān)標(biāo)志*／
    unsigned char Shake_hand_flag；／／握手成功標(biāo)志
    unsigned char Config_word[W_CFGWORD]；／*存儲(chǔ)配置字15字節(jié)*／
    unsigned char Shock_word[W_SHOCKWORD]；／*存儲(chǔ)一幀協(xié)議數(shù)據(jù)30字節(jié)*／
    unsigned char Rxdata_buffer[W_PAYLOAD]；／*存儲(chǔ)接收數(shù)據(jù)按協(xié)議26字節(jié)*／
    unsigned char Txdata_buffer[N_DATA]；／*存儲(chǔ)發(fā)送數(shù)據(jù)暫定10字節(jié)*／
    unsigned char Order；／*提取數(shù)據(jù)幀功能碼*／
    unsigned char Frq_set_value；／*頻道設(shè)置數(shù)據(jù)*／
    /*function*/
    void Buildspiword(void)；
    void Spinrf2401(void)；
    void Shockburst(void)；
    void Receiveshock(void)；
    void Dospiclk(void)；
    void Nrf2401_on(void)；
    void Nrf2401_off(void)；
    void Set_config(void)；
    void Set_standby(void)；
    void Set_tx(void)；
    void Set_rx(void)；
    void Clr_Payload(void)；
    void Soft_delay_01ms(int iUs)；
    void Set_address(void)；
    void Clr_shock_word(void)；
    考慮到點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的可靠性，數(shù)據(jù)在底層無線傳輸中需要增加必要的協(xié)議規(guī)范。設(shè)計(jì)中對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，格式為：前導(dǎo)碼、地址、有效數(shù)據(jù)載荷、校驗(yàn)碼。

3 結(jié)束語
    基于MSP430和NRF2401的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出比較好的效果，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信號(hào)的采集傳輸與處理。但是由于射頻芯片本身的原因，傳輸距離會(huì)受到障礙物的影響和設(shè)置頻率而有變化，這些問題都有待更深入的研究。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用必將廣泛深入環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)追蹤、工業(yè)自動(dòng)化等各領(lǐng)域。