基于環(huán)境信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計

摘要：針對海岸、海洋環(huán)境遠程實時監(jiān)測的需求，設計了由超低功耗MCU芯片MSP430F1611、無線收發(fā)器芯片CC2420及各種傳感器接入電路構成的具有多種環(huán)境參數(shù)采集功能的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。該節(jié)點系統(tǒng)利用所搭載的各種傳感囂采集環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度等數(shù)據(jù)，通過相鄰節(jié)點間的無線通信，以多跳傳輸?shù)姆绞?，將測量數(shù)據(jù)上傳給上位監(jiān)控機，可實現(xiàn)對海岸、海洋現(xiàn)場環(huán)境信息的遠距離實時監(jiān)測。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；環(huán)境信息監(jiān)測；節(jié)點；微控制器；協(xié)議棧

    隨著微電子技術，通信技術的迅速發(fā)展，將傳感器技術、計算機技術與通信技術相結合的智能傳感器以其比較高的精度、良好的可靠性、功能的多樣性等優(yōu)勢在過程控制以及信號監(jiān)測中越來越多地得到人們的關注，已成為當今國內(nèi)外研究的一大熱點。本文設計了一種用于對環(huán)境信息進行實時監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)進行準確的測量并可靠傳輸，充分體現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化、無線化的優(yōu)點。
    該節(jié)點的設計以MSP430F1611超低功耗單片機為核心，配置新式的微型低功耗傳感器，可實時地對所測的環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度等參數(shù)進行測量處理。采用5號電池供電，信息的無線傳輸可避免遠距離布線的繁瑣，具有較好的布設靈活性，適用于惡劣環(huán)境下一定區(qū)域的環(huán)境信息測量。

1 硬件節(jié)點設計
    根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點管理機制，把節(jié)點分成傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點3種類型。無線傳感網(wǎng)絡的簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能，因此節(jié)點主要由微處理模塊和無線通信模塊組成。而傳感器節(jié)點主要是通過傳感器采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)(溫度、濕度、光感度等)，然后進行A／D轉換，經(jīng)處理器處理后由射頻模塊發(fā)送到相鄰節(jié)點，同時該節(jié)點也要執(zhí)行數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，即把相鄰節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點或離匯聚節(jié)點更近的節(jié)點。整個硬件系統(tǒng)主要劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無線傳輸和供電4個模塊，硬件節(jié)點結構圖如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集模塊負責由傳感器對周圍環(huán)境參數(shù)信息進行采集；數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲功能；無線傳輸模塊負責低功耗短距離節(jié)點間的通信；供電模塊選取體積小、容量高的電池，以確保節(jié)點的微型化和長壽命。

1．1 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊是應用傳感器件采集環(huán)境的溫度、濕度、光照強度等參數(shù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過A／D轉換送給單片機進行處理。
1．1．1 溫濕度傳感器
    溫度、濕度的測量采用Sensirion公司生產(chǎn)的，具有I2C總線接口的溫濕度集成于一體的數(shù)字式傳感器SHTll。SHTll為具有二線串行接口的單片全校準數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器，可用來測量相對濕度、溫度等參數(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標定、免外圍電路及全互換等特點。

    微處理器與SHTll的連接如圖2所示，只需用2條I／O口線分別作為數(shù)據(jù)線DATA和時鐘線SCK，并在DATA端接入1只上拉電阻，同時在VDD及GND端接入1只去耦電容，通過相應的軟件設計，即可完成數(shù)據(jù)采集與傳輸。
1．1．2 光照強度傳感器
    在測量太陽光輻照度部分，選用TI公司的TSL230B來測量環(huán)境周圍的光照強度。該器件由先進的LinCMOS電流頻率集成轉換器構成。不需要外接元件即可完成高分辨率的光照／頻率轉換?？蓪⒈粶y環(huán)境周圍一定光譜的光照強度轉換成電流，再由電流／頻率轉換器轉換成相應的買成頻率。輸出三角波或者方波的頻率完全由光照幅度決定，分辨率較高，可以直接與微處理器相連，其連接方式如圖3所示。S0、S1為該傳感器的靈敏度控制端；S2、S3是分頻系數(shù)選擇端；OUT為信號輸出端，進入單片機的捕獲輸入，通過計算兩次捕獲的時間內(nèi)計數(shù)的數(shù)值差，便可以計算出輸出頻率值，可以根據(jù)輸出頻率-輻照度關系對照，從而得到光線強度(單位：W／cm2)。

1．2 微控制器模塊
    微控制器是整個節(jié)點的核心，其設計性能決定了整個節(jié)點工作的性能。MSP430F1611是Texas Instruments公司開發(fā)的的高集成度、高精度的單芯片系統(tǒng)，是目前工業(yè)界中具有最低功耗的16位RISC混合信號處理器。具有極低的工作電壓，在1．8～3．6 V之間均可正常工作；極小的功耗，在話動模式時，工作電流僅需330μA，在休眠模式下只需要1．1μA，在關閉狀態(tài)僅僅需要0．2μA。MSP430F1611具有豐富的外設，具有8路12位的A／D，2路12位的D／A轉換器，大大簡化了系統(tǒng)的硬件設計，并提高了系統(tǒng)的性價比。系統(tǒng)具有3個時鐘信號，包括1個高頻時鐘，1個低頻時鐘和1個DCO，靈活的時鐘選擇使得系統(tǒng)可以在最合理的時鐘頻率下工作，大大降低了系統(tǒng)的功耗，方便了系統(tǒng)的設計；它還有著豐富的外圍接口，包括標準串口，SPI接口，I2C接口，方便連接多種設備。MSP430F1611內(nèi)部具有10 kB的RAM和48 kB的Fash，充足的存儲空間可以保證協(xié)議的正常運行，方便協(xié)議的設計與實現(xiàn)。另外系統(tǒng)具有中斷喚醒功能，可以通過中斷使單片機從休眠模式轉為活動模式，非常適合應用于無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計。
1．3 射頻通信模塊
    擔負著無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點間的通信任務。隨著集成電路的發(fā)展，芯片的集成度越來越高，能耗越來越少，因此，傳感器節(jié)點的能量主要是消耗在通信上。所以，選擇一款低能耗的通信器件將節(jié)省節(jié)點能量，延長工作壽命。在本方案設計中選用TI公司的CC2420射頻芯片。在無線傳感器網(wǎng)絡應用中，射頻收發(fā)器CC2420工作在從機模式，MSP430F1611工作在主機模式，通過SPI接口配置CC2420寄存器參數(shù)和讀寫緩沖器內(nèi)的數(shù)據(jù)，詳細的引腳連接如圖4所示。該芯片是一款支持IEEE802．1．5．4、低功耗、工作于2．4 GHz頻段、有源RF收發(fā)器件。它采用直接序列擴頻(DSSS)技術；250 kb／s有效數(shù)據(jù)傳輸速率；低功耗：接收18．8 mA，發(fā)射17．4 mA；低電源電壓：使用內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器時2．1～3．6 V，使用外部電壓調(diào)節(jié)器時1．6～2．0 V；可編程控制發(fā)射功率；獨立的128字節(jié)發(fā)射、接收數(shù)據(jù)緩沖器；電池電量監(jiān)控。

    CC2420可通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式、實現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù)及讀／寫狀態(tài)寄存器等。
1．4 供電模塊
    無線傳感器網(wǎng)絡一般布置在無人值守或是環(huán)境惡劣的地區(qū)，有些具有移動性，所以節(jié)點大多數(shù)需要采用電池供電，該項目在元器件的選取中，已經(jīng)考慮到了盡量降低系統(tǒng)的功耗，各模塊的供電電壓都比較低，綜合比較，2．4～3．6 V的電壓可以使所有模塊正常工作。因此，可以采用2節(jié)AA電池進行供電。按照1．5A／h的電池容量，每隔1 min進行1次溫濕度、光照測量，估算至少可以工作半年。
1．5 硬件系統(tǒng)設計要點
    無線傳感器網(wǎng)絡應用的特殊性要求其節(jié)點體積越小越好，因此在元器件的選擇上當然是選擇同類型中體積最小的。但是節(jié)點體積越小，在設計電路板布線時可能會因為線路距離太小而產(chǎn)生干擾，因此抗干擾設計是節(jié)點設計時的重點問題?？梢园央娐钒逶O計成4層板，未布線的區(qū)域用敷銅并接地，CC2420底部通過多個過孔與地層連接。濾波電容盡量靠近器件放置，同時，為了抗電磁干擾，最好把數(shù)字電源和模擬電源、數(shù)字地和模擬地隔離開來，一般可采用0 Ω電阻或磁珠來進行隔離。另外，節(jié)點布設位置應盡量避開樹木，以減少對電磁波的吸收，影響傳輸穩(wěn)定性。

2 節(jié)點軟件設計
    通信協(xié)議采用標準開放系統(tǒng)互聯(lián)模型OSI(Open System Interconnection model)，設計的節(jié)點考慮到通用型和便于開發(fā)，采用了TI公司提供的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。ZigBee協(xié)議是由ZigBee聯(lián)盟制定的、用于短距離無線通信技術的標準之一，主要用于低功耗、低成本設備的低速互連，其特點符合環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡應用的要求。IEEE802．15．4滿足OSI定義的最下面的兩層：物理層(PHY：Physical Layer)和媒質(zhì)介入控制(MAC：Medium Access Control)子層。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡層(NMK：Network)和應用層(APL：Application Layer)框架的設計，其中應用層的框架包括了應用支持子層、ZigBee設備對象等。ZigBee協(xié)議棧體系結構模型如圖5所示。層與層之間通過服務接入點連接，包括數(shù)據(jù)服務和管理服務，每層都通過一套服務原語為其上層或下層提供服務。
    Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構建，采用事件輪循機制。當初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式，當事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進入中斷處理事件，結束后繼續(xù)進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。
這種軟件構架可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。
    軟件開發(fā)以IAR Workbench V4．30為平臺，采用C語言編寫，因此提高了軟件設計開發(fā)的工作效率，增強了程序代碼的可靠性、可讀性和可移植性。節(jié)點主流程圖如圖5所示。

3 結束語
    本文主要介紹了一種低功耗、用于環(huán)境信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計方案，并對其中的各個模塊進行了詳細的介紹，對通信協(xié)議和軟件工作流程進行了分析。由該節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡在小規(guī)模實驗中已表現(xiàn)出良好的工作效果，可在特殊環(huán)境下實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信號的采集、處理與傳輸。