無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對環(huán)境信息實現(xiàn)遠距離實時監(jiān)測功能

隨著微電子技術(shù)，通信技術(shù)的迅速發(fā)展，將傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)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(guān)注，已成為當(dāng)今國內(nèi)外研究的一大熱點。本文設(shè)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(luò)節(jié)點，能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)進行準(zhǔn)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(shè)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(shè)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(shè)計

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)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(yīng)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(zhuǎn)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(zhǔn)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(biāo)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(yīng)的軟件設(shè)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(zhuǎn)換器構(gòu)成。不需要外接元件即可完成高分辨率的光照/頻率轉(zhuǎn)換?？蓪⒈粶y環(huán)境周圍一定光譜的光照強度轉(zhuǎn)換成電流，再由電流/頻率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(guān)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(shè)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(guān)閉狀態(tài)僅僅需要0.2μA.MSP430F1611具有豐富的外設(shè)，具有8路12位的A/D,2路12位的D/A轉(zhuǎn)換器，大大簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)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(shè)計；它還有著豐富的外圍接口，包括標(biāo)準(zhǔn)串口，SPI接口，I2C接口，方便連接多種設(shè)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(shè)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(zhuǎn)為活動模式，非常適合應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計。

1.3 射頻通信模塊

擔(dān)負(fù)著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的通信任務(wù)。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(shè)計中選用TI公司的CC2420射頻芯片。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(shù)；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。

圖4 MCU與CC2420引腳連接圖

CC2420可通過4線SPI總線（SI、SO、SCLK、CSn）設(shè)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(luò)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(shè)計要點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(dāng)然是選擇同類型中體積最小的。但是節(jié)點體積越小，在設(shè)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(shè)計是節(jié)點設(shè)計時的重點問題。可以把電路板設(shè)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(shè)位置應(yīng)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(shè)計

通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)開放系統(tǒng)互聯(lián)模型OSI（Open System Interconnection model），設(shè)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(shù)的標(biāo)準(zhǔn)之一，主要用于低功耗、低成本設(shè)備的低速互連，其特點符合環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(luò)層（NMK:Network）和應(yīng)用層（APL:Application Layer）框架的設(shè)計，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層、ZigBee設(shè)備對象等。ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。層與層之間通過服務(wù)接入點連接，包括數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)，每層都通過一套服務(wù)原語為其上層或下層提供服務(wù)。

Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪循機制。當(dāng)初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進入中斷處理事件，結(jié)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(gòu)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(shè)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(jié)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(luò)節(jié)點的設(shè)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(luò)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。