開放式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺設(shè)計(jì)

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。不同的應(yīng)用背景需求不同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。硬件的相關(guān)性太強(qiáng)不利于向其他平臺移植。為解決該問題，利用硬件的模塊化的設(shè)計(jì)思想，我們設(shè)計(jì)了一種開放的可擴(kuò)展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺。該平臺以MSP430F5438微處理器作為主控芯片，以CC2420作為射頻控制芯片。實(shí)驗(yàn)證明該平臺具有低功耗、開放式以及可擴(kuò)展等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；開放性；節(jié)點(diǎn)平臺；MSP430F5438；CC2420

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless sensor network，WSN)是一種全新的信息獲取平臺，由大量廉價(jià)的靜止的或移動(dòng)的傳感器模塊以自組網(wǎng)絡(luò)和多跳的方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象的信息，并報(bào)告給用戶。WSN在軍事、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、智能交通、建筑物監(jiān)測、空間探索等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和巨大的應(yīng)用價(jià)值，被認(rèn)為是未來改變世界的十大技術(shù)之一、全球未來4大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。
    傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)以及無線通信技術(shù)的不斷進(jìn)步推動(dòng)了低功耗、多功能WSN的飛速發(fā)展。WSN的研究人員設(shè)計(jì)了很多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺，其大致分為兩類：專用平臺和通用平臺。孫鵬等設(shè)計(jì)了一款基于Si1000的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于監(jiān)測糧食的儲備環(huán)境；韋然設(shè)計(jì)了一款基于MSP430F1611的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于溫濕度檢測；郭燕紅設(shè)計(jì)了一款基于MSP430F149的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于對樓宇空調(diào)的智能監(jiān)控；王新忠等設(shè)計(jì)了一款基于Atmega128L的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)用于丘陵葡萄園環(huán)境信息和土壤墑情的無線監(jiān)測。上述節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊固定只能針對具體的工作要求完成具體的任務(wù)，屬于專用節(jié)點(diǎn)。張偉等設(shè)計(jì)了一款基于ARM7的開放式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺；周應(yīng)賓設(shè)計(jì)了一款基于ARM處理器S3C2410的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺。上述節(jié)點(diǎn)具有可擴(kuò)展性而且具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，屬于通用節(jié)點(diǎn)。上述節(jié)點(diǎn)平臺可以應(yīng)用于不同的任務(wù)背景，但是ARM處理器相對于普通低速的單片機(jī)如，MSP430往往需要更多的能耗，這將大大縮減此類平臺的生命周期。能耗問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要的限制因素，如何高效使用能量來最大化延長網(wǎng)絡(luò)生命周期是傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的重要挑戰(zhàn)。這里我們設(shè)計(jì)了一款基于MSP4305438微處理器的開放式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。相對于一般的專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)我們的節(jié)點(diǎn)具有很好的開放性和可擴(kuò)展性，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用背景實(shí)現(xiàn)不同的功能。此外，相對于ARM處理器為主控芯片的節(jié)點(diǎn)我們的節(jié)點(diǎn)具有更低的能耗。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    我們的系統(tǒng)在低功耗的基礎(chǔ)上要求其具備開放性和可擴(kuò)展性。為了實(shí)現(xiàn)這一目的我們在該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)思想。一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括以下四個(gè)模塊：電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、處理器以及存儲模塊和無線通信模塊。當(dāng)一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主控芯片給定后，根據(jù)不同的應(yīng)用背景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的差異性主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信模塊。數(shù)據(jù)采集模塊決定了其完成什么功能、無線通信模塊決定其使用哪種通信協(xié)議。
    MSP430F5438微處理器具有豐富的外設(shè)，它具有多達(dá)10個(gè)8位I＼O口。我們可以預(yù)留多個(gè)I＼O口作為傳感器模塊接口、無線通信模塊接口以及通用接口。最后我們將數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)最后通過接插件(插針和穿焊空)和處理器模塊預(yù)留的接口連接。這樣我們在針對不同的應(yīng)用背景就可以方便地使用不同的傳感器模塊和無線通信模塊而不用再去設(shè)計(jì)處理器模塊甚至電源模塊。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
    節(jié)點(diǎn)主要包括6個(gè)模塊：電源模塊、JTAG模塊、傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊以及串口通信模塊。
2．1 電源及JTAG模塊
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積微小，通常以能量十分有限的電池供電。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常分布在環(huán)境復(fù)雜甚至人不能到達(dá)的地方，而且分布范圍廣數(shù)量多，所以通過更換電池或充電的方式來補(bǔ)充能源是不可能的。由于成本和技術(shù)的限制，利用太陽能和風(fēng)能發(fā)電來補(bǔ)充能量的方法目前也很難得到應(yīng)用。如何高效的使用能量來最大化延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的首要挑戰(zhàn)，這也是我們在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該重點(diǎn)考慮的問題。
    選用TI公司的MSP430F5438作為主控芯片，并利用JTAG仿真器通過JTAG接口將程序?qū)懭雈lash。JTFAG接口是一個(gè)雙向串行端口，可以控制MSP430的運(yùn)行、刷新Flash以及讀寫寄存器等等。MSP430單片機(jī)內(nèi)部集成了遵循邊界掃描故障診斷的電路。這樣僅需要一個(gè)接口，就可以連接電腦進(jìn)行程序下載和調(diào)試了。這樣的好處是：傳統(tǒng)的仿真器是特殊設(shè)計(jì)的CPU，價(jià)格較貴，增加了開發(fā)學(xué)習(xí)的成本。而TI公司給出了JTAG仿真器的電路設(shè)計(jì)，使用者可以自己制作，單片機(jī)自帶仿真接口，所以能夠降低用戶的開發(fā)成本。由于可以通過JTAG口訪問MCU內(nèi)部程序存儲器，在發(fā)布產(chǎn)品時(shí)要將JTAG口切斷，否則產(chǎn)品可能會(huì)被別人仿制，從而造成損失。MSP430單片機(jī)的JTAG端口設(shè)計(jì)有一個(gè)熔絲。熔斷熔絲后就無法再通過仿真器進(jìn)行調(diào)試，而這種熔斷是不可逆轉(zhuǎn)的物理毀壞，所以能夠有效地保護(hù)用戶的程序不被盜用。
    MSP430F5438單片機(jī)工作電壓為1．8～3．6 V；TI公司的無線通信芯片也多以2．1～3．6電壓供電；JTAG模塊和串口模塊采用USB供電；傳感器模塊根據(jù)實(shí)際情況采用外部供電或母板供電。因此，我們選用3 V的紐扣電池進(jìn)行供電，同時(shí)利用JTAG仿真器進(jìn)行輔助供電。電源模塊以及JTAG模塊如圖2所示。當(dāng)使用JTAG仿真器進(jìn)行供電時(shí)將S1閉合至JTAG接口的拐腳2，同時(shí)S2斷開。當(dāng)使用電池供電時(shí)，將S1閉合至JTAG接口的拐腳4，同時(shí)閉合S2。ADP3339保證了電源較好的穩(wěn)壓性。

2．2 傳感器模塊
    由于我們的平臺是一種開放的可擴(kuò)展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺，所以我們的傳感器模塊要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用背景進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以，所有的傳感器模塊都單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過接插件(過孔和插座)與母板進(jìn)行連接。傳感器應(yīng)盡量選擇數(shù)字傳感器并盡量選擇低功耗、小體積的傳感器。下面以溫度采集為應(yīng)用背景為例進(jìn)行傳感器模塊的設(shè)計(jì)，如圖3所示。溫度傳感器我們選擇數(shù)字溫度傳感器DS18B20。

2．3 微處理器模塊
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一種微型嵌入式設(shè)備，要求其價(jià)格低、功耗小。這些限制導(dǎo)致其所攜帶的微處理器能力相對較弱，存儲器容量相對較小。然而，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要完成監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應(yīng)答其他節(jié)點(diǎn)的請求和節(jié)點(diǎn)控制等多種復(fù)雜工作。這就需要我們在選擇主控芯片時(shí)既要保證其能滿足低功耗的要求又能完成多種復(fù)雜任務(wù)。這里我們選擇了TI公司的MSP430F5438單片機(jī)，相對于51或52系列單片機(jī)它可以完成更復(fù)雜的任務(wù)，相對于ARM系列處理器它的能耗更低。
    TI公司的MSP430F5438單片機(jī)是基于RISC架構(gòu)的16位超低功耗單片機(jī)，內(nèi)部集成256KB閃存和16KB RAM，在1．8～3．6 V的工作電壓范圍內(nèi)性能高達(dá)25MIPS。強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和足夠容量的存儲器滿足了我們的平臺完成各種數(shù)據(jù)處理和存儲的要求。該處理器包含一個(gè)用于優(yōu)化功耗的創(chuàng)新電源管理模塊，具有6種低功耗模式。其功耗已經(jīng)達(dá)到了微安級，超低功耗使我們可以更大的延長我們的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺的生命周期。從低功耗模式喚醒到激活模式只需要不到5μs的時(shí)間。MSP430F5438內(nèi)部集成有多通道、高速A／D轉(zhuǎn)換模塊ADC12，能提供多通道12位精度的A／D轉(zhuǎn)換，其最大采樣速率可以達(dá)到200ksps。ADC12模塊內(nèi)包括采樣／保持功能的ADC內(nèi)核、轉(zhuǎn)換存儲邏輯、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。對于大多數(shù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用環(huán)境而言，MSP430F5438內(nèi)部集成的ADC12模塊都能很好地滿足數(shù)據(jù)采集的要求。此外MSP430F5438具有豐富的外設(shè)。它具有多達(dá)10個(gè)8位I＼O口，P1口到P10口是完整的，P11口包含3個(gè)單獨(dú)的I＼O口。所有單獨(dú)的I＼O位可獨(dú)立編程，輸入、輸出以及中斷條件的任意組合是可以的，所有的端口可編程上拉或下拉，所有端口上的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度可編程控制，對于P1口和P2口的所有的8比特端口具有邊緣可選的終端輸入能力，支持端口控制寄存器讀＼寫訪問的所有指令，所有單位可以以字節(jié)為單位進(jìn)行訪問也可以以字為單位進(jìn)行訪問。豐富的外設(shè)滿足了我們的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺開放式和可擴(kuò)展的要求。這里我們將預(yù)留多個(gè)I＼O口用于接入傳感器模塊、無線通信模塊以及其他通用模塊。處理器模塊如圖4所示。

2．4 無線通信模塊
    在我們的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺的設(shè)計(jì)過程中我們將無線通信模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)并通過插針和插座和母板進(jìn)行連接。這樣我們可以根據(jù)不同的通信協(xié)議設(shè)計(jì)不同的無心通信模塊而無需改變其他模塊。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最常用的無線通信協(xié)議就是IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)具有低功耗、低成本等有點(diǎn)，很符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的要求。下面我們就以2．4 GHz的IEEE802．15．4無線通信規(guī)范設(shè)計(jì)我們的無線通信模塊。
    這里我們選擇TI的CC2420作為我們的無線控制芯片。CC2420是首款符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，它基于SmartRF03技術(shù)，以0．18 mm CMOS工藝制成只需要極少的外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低其MAC層和PHY層協(xié)議符合IEEE 802．15．4規(guī)范，工作于無執(zhí)照的2．4 GHz頻段。利用CC2420和MSP430共同開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率可高達(dá)250 kbps，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)間的快速組網(wǎng)。
    本設(shè)計(jì)中微處理器MSP430F5438與CC2420通過SPI高速通信串行口進(jìn)行控制和通信。MSP430F5438為主設(shè)備，CC2420為從設(shè)備。CSn、SO、SI、SCLK是CC2420的SPI接口線，通過它們，Msp430F5438單片機(jī)可以設(shè)置CC2420的寄存器以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。?dāng)進(jìn)行SPI通信時(shí)Msp430F5438單片機(jī)作為主機(jī)，通過SCLK來控制時(shí)序，通過SI、SO進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入和讀取。CSn是片選信號線，用于保證數(shù)據(jù)收發(fā)的同步性。無線通信模塊如圖5所示。

2．5 與計(jì)算機(jī)通信模塊
    我們平臺需要將采集到的數(shù)據(jù)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理以供用戶進(jìn)一步使用和研究，同時(shí)當(dāng)用戶有主動(dòng)需求時(shí)，我們要向像無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送查詢命令。MSP430F5438有多達(dá)4個(gè)通用串行接口，這里我們利用串口實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)之間的通信。MSP430F5438要實(shí)現(xiàn)和計(jì)算機(jī)串口相連接必須要進(jìn)行EIA-RS-232-C與MSP430F5438電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用MAX3232芯片，完成3～5 V電平與串口電平的雙向轉(zhuǎn)換。串口模塊如圖6所示。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證
    我們通過采集環(huán)境溫度并將其發(fā)送給計(jì)算機(jī)來驗(yàn)證我們的傳感器模塊以及串口通信模塊。我們利用JTAG仿真器將DS18B20數(shù)字溫度傳感器和串口通信的測試程序?qū)懭雈lash．DS18B20數(shù)字溫度傳感器將采集到的環(huán)境溫度送給MSP430F5438微處理器進(jìn)行處理。微處理器將處理完的數(shù)據(jù)通過串口送給計(jì)算機(jī)。最后我們通過C++編寫串口通信界面，對傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測和分析。測試證明我們的系統(tǒng)能夠很好的完成數(shù)據(jù)采集和串口通信的功能。
    在無線通信模塊的驗(yàn)證過程中，我們以CC2420為無線控制芯片，編寫了CC2420的測試程序進(jìn)行驗(yàn)證。該模塊能夠較好的滿足預(yù)期目標(biāo)，其通信頻段在2．4～2．48 GHz之間，具有較高的接收靈敏度，可以做到全向通信，數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbps，碼片速率達(dá)2 Mchips／s，輸出功率可編碼控制大約在-24～0 dBm，其通信距離在室外超過150米。

4 結(jié)束語
    以TI公司的MSP430F5438為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款開放式可擴(kuò)展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平臺，并通過DS18B20數(shù)字溫度傳感器和CC2420模塊驗(yàn)證其可行性。我們的平臺可以在不同的背景利用不同的傳感器模塊和無線通信模塊完成不同的任務(wù)，同時(shí)滿足低功耗的要求。
    前面我們說過能耗問題一直是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)限制因素。我們所面臨的難題就是利用有限的能源最大化延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的生命周期。太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電技術(shù)的飛速發(fā)展，其價(jià)格問題和技術(shù)問題對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的制約將越來越小，這將為我們延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)生命周期提供了一條很有價(jià)值的途徑。