基于MSP430F149與Si4432的無線傳感器網(wǎng)絡的實現(xiàn)

無線傳感器網(wǎng)絡的應用領域非常廣。無線傳感器節(jié)點一般通過電池供電， 硬件結構簡單， 通信帶寬小， 點到點的通信距離短， 所以工作時間有限及通信距離短成為無線傳感器網(wǎng)絡的兩個主要瓶頸。如果要求工作時間長同時通信距離遠， 就必須在軟硬件上同時做處理。因此本設計在硬件上采用集成度高、功耗超低的MSP430F149 作為控制芯片， 以功能強大、外圍電路簡單、功耗低的Si4432 作為無線收發(fā)芯片，并通過電源管理芯片TPS61200 充分利用電池的能量( 只要電池電壓在0.2 V～5 V 范圍內整個系統(tǒng)即可正常工作) 。在軟件上， 所有節(jié)點之間都具有自組織能力， 通過轉發(fā)、多跳等方式進行通信; 通信可覆蓋范圍廣。采用等待喚醒方式即休眠模式下經(jīng)喚醒進入工作模式， 完畢后再進入休眠模式的工作方式， 大大降低了能量的消耗; 充分考慮其工作壞境的惡劣性， 采用E2PROM 存儲技術及看門狗技術，系統(tǒng)把所有有用信息保存在E2PROM中， 當系統(tǒng)因外界干擾使程序進入非正常工作時， 看門狗使系統(tǒng)復位， 然后從E2PROM 中讀取有用信息繼續(xù)工作， 增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。

　　1 系統(tǒng)總體方案

　　系統(tǒng)由基站節(jié)點、傳感器節(jié)點和上位機組成。節(jié)點硬件主要包括7 部分： 處理器(MSP430F149 ) 、Si4432 射頻收發(fā)模塊、電源管理模塊、串口通信模塊、JITAG 下載模塊、傳感器接口模塊和E2PROM 存儲模塊?；竟?jié)點沒有傳感器模塊， 傳感器節(jié)點沒有串口通信模塊。基站節(jié)點由上位機USB 接口供電。傳感器節(jié)點使用2 節(jié)5號電池供電。采用TPS61200 作為電源管理器， 只要電池電壓在0.2 V～5 V 范圍內， 系統(tǒng)即可以正常工作， 大大地延長了電池的使用時間。為了調試方便， 在節(jié)點上增加了撥碼開關和LED 信號指示燈。整個系統(tǒng)軟件由上位機處理軟件、基站節(jié)點軟件、傳感器節(jié)點軟件三部分組成。在傳感器節(jié)點軟件設計上充分考慮了低功耗節(jié)能問題， 因為它的能量主要消耗于無線射頻模塊， 因此在組網(wǎng)時盡量使Si4432 的輸出能量設定為最小， 且在沒有收發(fā)信息時工作在睡眠模式， 即等待喚醒模式。

　　2 自組織協(xié)議設計

　　在協(xié)議中， 通過定義數(shù)據(jù)包的格式和關鍵字來實現(xiàn)節(jié)點的自組織。

　　2.1 協(xié)議格式

　　自組織協(xié)議格式如圖1 所示。

　　
圖1 自組織協(xié)議格式

　　其中，Pre 表示前導碼， 這些字符雜波不容易產(chǎn)生， 通過測試和試驗發(fā)現(xiàn)， 噪聲中不容易產(chǎn)生0x55 和0xAA 等非常有規(guī)律的信號， 因此前導碼采用0x55AA。Sync( 同步字)在前導碼之后， 本系統(tǒng)設定的同步字為2 B， 同步字內容為0x2DD4 ， 接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。Key 表示關鍵字， 高6 位用來表示目標地址的級別， 接收節(jié)點會根據(jù)高6 位決定數(shù)據(jù)的去向( 比本級節(jié)點大則向下級節(jié)點傳， 若小則反之， 如果相等則判斷目標地址是否為本節(jié)點地址， 是則直接向目標表地址發(fā)送， 否則向上級發(fā)送節(jié)點回復重發(fā)應答) ; 低2 位用來區(qū)分各種情況下的數(shù)據(jù)( 命令信號、組網(wǎng)信息、采集信息、廣播信息) ; 接收節(jié)點會根據(jù)這些關鍵字低2 位分別進入不同的數(shù)據(jù)處理單元。From 表示源地址， 是發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點地址;Mid 表示接收信息的中轉節(jié)點地址;Fina 表示數(shù)據(jù)的目標地址; 除廣播信息外， 每個信息都有唯一的源地址和目標地址;Data 表示有效數(shù)據(jù)， 這些數(shù)據(jù)隨著關鍵字(Key) 的不同而采用不同的格式， 可攜帶不同的信息;Che 表示檢驗位， 說明采用何種校驗方式( 校驗和還是CRC 校驗) ， 可避免接收錯誤的數(shù)據(jù)包;Flag 表示數(shù)據(jù)包的結束標志位。Si4432 內部集成有調制/解調、編碼/解碼等功能， 從而Pre 、Sync 和Che 都是硬件自動加上去的， 用戶只需設定數(shù)據(jù)包的組成結構和部分結構的具體內容(如前導碼和同步字)。

　　2.2 自組織算法

　　網(wǎng)絡由一個基站和若干個傳感器節(jié)點組成， 基站上電初始化后就馬上進入低功耗狀態(tài)(Si4432 射頻模塊處于睡眠狀態(tài)) ; 傳感器節(jié)點隨機地部署在需要采集信息的區(qū)域內， 上電初始化后開始組網(wǎng)。首先發(fā)送請求基站分配級別的命令， 若收到基站應答則定義為一級并把自身信息( 包括地址、級別等) 發(fā)給基站; 反之若發(fā)送次數(shù)達到設定值， 則向周圍節(jié)點發(fā)送廣播信號， 通過周圍節(jié)點應答信息整理得出自身的網(wǎng)絡級別， 并向周圍節(jié)點及基站發(fā)送自身信息。如果還是未能分配到級別則延時等待其他節(jié)點分配好級別后重新請求入網(wǎng)。每個入網(wǎng)的傳感器節(jié)點都保存有周圍節(jié)點( 上級、同級、下級節(jié)點) 信息( 級別及對應的地址) ， 最后就形成了網(wǎng)絡拓撲結構。

　　自組織算法流程圖如圖2 所示。

　　
圖2 自組織算法流程圖

　　3 節(jié)點硬件設計

　　傳感器節(jié)點要求低功耗、體積小， 因此選用的芯片都是集成度高、功耗低、體積小的芯片， 其他器件基本上采用貼片封裝。節(jié)點硬件框圖如圖3 所示。

　　本設計中MCU 采用TI 公司生產(chǎn)的一種混合信號處理器MSP430F149 ， 內部資源豐富， 具有兩個16 位定時器、一個14 路的12 bit 的模數(shù)轉換器、6 組I/O、一個看門狗、兩路USART 通信端口等; 因此節(jié)點的外部電路非常簡單， 并且還具有功耗超低的突出特點， 當工作頻率為1 MHz、電壓為2.2 V 時全速工作電流僅為280 μA， 待機狀態(tài)下電流低至1.6 μA。它的工作電壓范圍為1.8 V～3.6 V， 非常適合應用于電池供電的節(jié)能系統(tǒng)中。

　　Si4432 芯片是Silicon Labs 公司推出的一款高集成度、低功耗、寬頻帶EZRadioPRO 系列無線收發(fā)芯片。其工作電壓1.8 V～3.6 V，可工作頻率范圍為240 MHz～930 MHz;內部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數(shù)字調制解調器、64 B 的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO， 以及可配置的GPIO 等[4]。Si4432 在使用時所需的外部元件很少，1個30 MHz 的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)， 設計簡單， 且成本低。預留了大量外接傳感器接口， 外接傳感器的信號能以中斷方式喚醒節(jié)點。

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4 系統(tǒng)軟件設計

　　本系統(tǒng)軟件設計注重低功耗、數(shù)據(jù)采集實時性、系統(tǒng)穩(wěn)健性及可靠性， 在低功耗設計中采用智能控制策略， 讓系統(tǒng)需要工作時處于全速工作模式， 其他時刻處于低功耗模式。數(shù)據(jù)采集實時性設計中關鍵是路由選擇， 主要依據(jù)是跳數(shù)最少路徑最短原則( 兼顧能量優(yōu)先原則)。系統(tǒng)穩(wěn)健性設計部分， 當傳感器節(jié)點因能量耗盡或其他原因不能工作或者有新的傳感器節(jié)點請求加入網(wǎng)絡時， 整個網(wǎng)絡會馬上重新組網(wǎng)， 形成新的網(wǎng)絡拓撲結構。在系統(tǒng)可靠性設計中采用看門狗等技術增強系統(tǒng)抗干擾能力。系統(tǒng)軟件框圖如圖4 所示。

　　
圖4 系統(tǒng)軟件結構

　　4.1 基站軟件

　　基站節(jié)點通過上位機USB 供電所以一直工作在全速狀態(tài)， 加快了對外部的響應速度。上電初始化后， 根據(jù)中斷程序中的標志位值對獲得的信息進行相應處理， 處理完后把標志位置零， 循環(huán)執(zhí)行此操作?；竟?jié)點通過串口與上位機相連; 因此外部事件包括串口中斷事件和接收到數(shù)據(jù)中斷事件。

　　為了防止串口通信過程中丟失數(shù)據(jù)， 軟件設計上加了握手協(xié)議。當基站節(jié)點每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給上位機時， 上位機都會向基站節(jié)點發(fā)送應答信號， 直到數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機。上位機接收到數(shù)據(jù)包后， 馬上進入中斷處理， 處理完后把相應標志位置1， 通過主程序做進一步處理。

　　4.2 傳感器節(jié)點軟件

　　傳感器節(jié)點主程序主要是實現(xiàn)組網(wǎng)， 當節(jié)點上電初始化后設定發(fā)射功率為最小，請求入網(wǎng)。如果入網(wǎng)不成功則加大發(fā)射功率，繼續(xù)請求入網(wǎng)。經(jīng)試驗證實，發(fā)射功率越小，電池的使用壽命就越長。入網(wǎng)成功后，保存入網(wǎng)信息， 并馬上進入低功耗狀態(tài)， 同時使用兩個中斷， 一個外部接收數(shù)據(jù)中斷，一個定時器采集中斷。程序流程圖分別如圖5、圖6 所示。數(shù)據(jù)發(fā)送放在定時中斷程序里完成。

　　
圖5 接收數(shù)據(jù)中斷

　　
圖6 串口中斷流程

　　當多個傳感器節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時， 則會出現(xiàn)掙搶信道的現(xiàn)象。為了避免多個傳感器節(jié)點同時與某個傳感器節(jié)點通信造成數(shù)據(jù)丟失， 軟件上采用一定的退避機制。一方面， 利用射頻芯片Si4432 的載波偵聽信號來產(chǎn)生隨機延時， 以避免同時發(fā)送信號; 另一方面， 當一個傳感器節(jié)點與某個傳感器節(jié)點建立了通信通道時， 其他發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點會增加發(fā)射數(shù)據(jù)的次數(shù)。

　　4.3 上位機軟件

　　上位機主要功能有發(fā)送重組網(wǎng)命令、向任意傳感器節(jié)點發(fā)送采集信息命令、建立良好的人機界面用于觀察傳感器采集來的信息、幫助基站節(jié)點處理數(shù)據(jù)減輕基站的負擔等。人機界面采用Visual Basic(VB) 來設計， 利用VB 的MSComm 控件實現(xiàn)上、下位機的串口通信。利用其他控件實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡的分析、顯示和操作， 在此不再詳細說明。

　　Si4432 的緩沖寄存器為64 KB， 一次性可發(fā)送接收信息量可多達62 KB?；竟?jié)點通過串口跟上位機相連， 在上位機建立良好的人機界面可以觀察每個傳感器采集來的信息， 并且可以控制每個節(jié)點的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)已在實際中成功應用。