發布日期：2022-05-20 點擊率：78
隨著微電子技術，通信技術的迅速發展，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、功能的多樣性等優勢在過程控制以及信號監測中越來越多地得到人們的關注，已成為當今國內外研究的一大熱點。本文設計了一種用于對環境信息進行實時監測的無線傳感器網絡節點，能夠對環境參數進行準確的測量并可靠傳輸，充分體現了傳感器系統的數字化、智能化、無線化的優點。
該節點的設計以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境中的溫度、濕度、光照強度等參數進行測量處理。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，適用于惡劣環境下一定區域的環境信息測量。
1 硬件節點設計
根據無線傳感器網絡節點管理機制，把節點分成傳感器節點、簇頭節點和匯聚節點3種類型。無線傳感網絡的簇頭節點和匯聚節點主要完成數據接收和發送功能，因此節點主要由微處理模塊和無線通信模塊組成。而傳感器節點主要是通過傳感器采集周圍環境的數據(溫度、濕度、光感度等)，然后進行A/D轉換，經處理器處理后由射頻模塊發送到相鄰節點，同時該節點也要執行數據轉發功能，即把相鄰節點發送的數據發送到匯聚節點或離匯聚節點更近的節點。整個硬件系統主要劃分為數據采集、數據處理、無線傳輸和供電4個模塊，硬件節點結構圖如圖1所示。其中數據采集模塊負責由傳感器對周圍環境參數信息進行采集;數據處理模塊實現數據的分析、處理和存儲功能;無線傳輸模塊負責低功耗短距離節點間的通信;供電模塊選取體積小、容量高的電池，以確保節點的微型化和長壽命。
1.1 數據采集模塊
數據采集模塊是應用傳感器件采集環境的溫度、濕度、光照強度等參數，然后將采集到的數據通過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公司生產的，具有I2C總線接口的溫濕度集成于一體的數字式傳感器SHTll.SHTll為具有二線串行接口的單片全校準數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，具有數字式輸出、免調試、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口線分別作為數據線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，即可完成數據采集與傳輸。
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。可將被測環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計數的數值差，便可以計算出輸出頻率值，可以根據輸出頻率-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
微控制器是整個節點的核心，其設計性能決定了整個節點工作的性能。MSP430F1611是Texas Instruments公司開發的的高集成度、高精度的單芯片系統，是目前工業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，大大簡化了系統的硬件設計，并提高了系統的性價比。系統具有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可以在最合理的時鐘頻率下工作，大大降低了系統的功耗，方便了系統的設計;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內部具有10 kB的RAM和48 kB的Fash,充足的存儲空間可以保證協議的正常運行，方便協議的設計與實現。另外系統具有中斷喚醒功能，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絡節點的設計。
1.3 射頻通信模塊
擔負著無線傳感器網絡節點間的通信任務。隨著集成電路的發展，芯片的集成度越來越高，能耗越來越少，因此，傳感器節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省節點能量，延長工作壽命。在本方案設計中選用TI公司的CC2420射頻芯片。在無線傳感器網絡應用中，射頻收發器CC2420工作在從機模式，MSP430F1611工作在主機模式，通過SPI接口配置CC2420寄存器參數和讀寫緩沖器內的數據，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收發器件。它采用直接序列擴頻(DSSS)技術;250 kb/s有效數據傳輸速率;低功耗：接收18.8 mA,發射17.4 mA;低電源電壓：使用內部電壓調節器時2.1~3.6 V,使用外部電壓調節器時1.6~2.0 V;可編程控制發射功率;獨立的128字節發射、接收數據緩沖器;電池電量監控。
圖4 MCU與CC2420引腳連接圖
CC2420可通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式、實現讀/寫緩存數據及讀/寫狀態寄存器等。
1.4 供電模塊
無線傳感器網絡一般布置在無人值守或是環境惡劣的地區，有些具有移動性，所以節點大多數需要采用電池供電，該項目在元器件的選取中，已經考慮到了盡量降低系統的功耗，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 硬件系統設計要點
無線傳感器網絡應用的特殊性要求其節點體積越小越好，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生干擾，因此抗干擾設計是節點設計時的重點問題。可以把電路板設計成4層板，未布線的區域用敷銅并接地，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，最好把數字電源和模擬電源、數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，影響傳輸穩定性。
2 節點軟件設計
通信協議采用標準開放系統互聯模型OSI(Open System Interconnection model)，設計的節點考慮到通用型和便于開發，采用了TI公司提供的ZigBee協議棧Z-Stack.ZigBee協議是由ZigBee聯盟制定的、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，其特點符合環境監測網絡應用的要求。IEEE802.15.4滿足OSI定義的最下面的兩層：物理層(PHY:Physical Layer)和媒質介入控制(MAC:Medium Access Control)子層。ZigBee聯盟提供了網絡層(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，包括數據服務和管理服務，每層都通過一套服務原語為其上層或下層提供服務。
Z-Stack采用操作系統的思想來構建，采用事件輪循機制。當初始化之后，系統進入低功耗模式，當事件發生時，喚醒系統，開始進入中斷處理事件，結束后繼續進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發生，判斷優先級，逐次處理事件。
這種軟件構架可以極大地降低系統的功耗。
軟件開發以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、用于環境信息監測的無線傳感器網絡節點的設計方案，并對其中的各個模塊進行了詳細的介紹，對通信協議和軟件工作流程進行了分析。由該節點組成的無線傳感器網絡在小規模實驗中已表現出良好的工作效果，可在特殊環境下實現監測區域內信號的采集、處理與傳輸。
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