基于環(huán)境信息監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

張 穎，趙曉虎，苗全利，劉小華，許海林

（1.上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 200135；2.上海杰圖軟件技術(shù)有限公司 上海 201203）

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(jì)算機(jī)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(shì)在過(guò)程控制以及信號(hào)監(jiān)測(cè)中越來(lái)越多地得到人們的關(guān)注，已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種用于對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)Νh(huán)境參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)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(wú)線化的優(yōu)點(diǎn)。

該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以MSP430F1611超低功耗單片機(jī)為核心，配置新式的微型低功耗傳感器，可實(shí)時(shí)地對(duì)所測(cè)的環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量處理。采用5號(hào)電池供電，信息的無(wú)線傳輸可避免遠(yuǎn)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(cè)量。

1 硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理機(jī)制，把節(jié)點(diǎn)分成傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)3種類型。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)主要完成數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能，因此節(jié)點(diǎn)主要由微處理模塊和無(wú)線通信模塊組成。而傳感器節(jié)點(diǎn)主要是通過(guò)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(jìn)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(diǎn)，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)也要執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，即把相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)或離匯聚節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)。整個(gè)硬件系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃閿?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線傳輸和供電4個(gè)模塊，硬件節(jié)點(diǎn)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(duì)周圍環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)功能；無(wú)線傳輸模塊負(fù)責(zé)低功耗短距離節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的微型化和長(zhǎng)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(qiáng)度等參數(shù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)進(jìn)行處理。

圖1 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The node system structure

1.1.1 溫濕度傳感器

溫度、濕度的測(cè)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[1]。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(duì)濕度和溫度傳感器，可用來(lái)測(cè)量相對(duì)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(diǎn)。

微處理器與SHT11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(shí)鐘線SCK，并在DATA端接入1只上拉電阻，同時(shí)在VDD及GND端接入1只去耦電容，通過(guò)相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，即可完成數(shù)據(jù)采集與傳輸。

圖2 微處理器與SHT11的引腳連接圖Fig.2 Circuit connection of SHT11 to MCU

1.1.2 光照強(qiáng)度傳感器

在測(cè)量太陽(yáng)光輻照度部分，選用TI公司的TSL230B來(lái)測(cè)量環(huán)境周圍的光照強(qiáng)度。該器件由先進(jìn)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(cè)環(huán)境周圍一定光譜的光照強(qiáng)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[2]。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(hào)輸出端，進(jìn)入單片機(jī)的捕獲輸入，通過(guò)計(jì)算兩次捕獲的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)的數(shù)值差，便可以計(jì)算出輸出頻率值，可以根據(jù)輸出頻率—輻照度關(guān)系對(duì)照，從而得到光線強(qiáng)度（單位：W/㎝2）。

圖3 微處理器與TSL230B引腳連接圖Fig.3 Circuit connection of TSL230B to MCU

1.2 微控制器模塊

微控制器是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心，其設(shè)計(jì)性能決定了整個(gè)節(jié)點(diǎn)工作的性能。MSP430F1611是Texas Instruments公司開(kāi)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(hào)處理器[3]。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，在活動(dòng)模式時(shí)，工作電流僅需330 μA，在休眠模式下只需要1.1 μA，在關(guān)閉狀態(tài)僅僅需要0.2 μA。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(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，并提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。系統(tǒng)具有3個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，包括1個(gè)高頻時(shí)鐘，1個(gè)低頻時(shí)鐘和1個(gè)DCO，靈活的時(shí)鐘選擇使得系統(tǒng)可以在最合理的時(shí)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(jì)；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(chǔ)空間可以保證協(xié)議的正常運(yùn)行，方便協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。另外系統(tǒng)具有中斷喚醒功能，可以通過(guò)中斷使單片機(jī)從休眠模式轉(zhuǎn)為活動(dòng)模式，非常適合應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。

1.3 射頻通信模塊

擔(dān)負(fù)著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(lái)越高，能耗越來(lái)越少，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)能量，延長(zhǎng)工作壽命。在本方案設(shè)計(jì)中選用TI公司的CC2420射頻芯片[4]。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，射頻收發(fā)器CC2420工作在從機(jī)模式，MSP430F1611工作在主機(jī)模式，通過(guò)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(xì)的引腳連接如圖4所示。該芯片是一款支持IEEE802.15.4、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(kuò)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(shí)2.1～3.6 V，使用外部電壓調(diào)節(jié)器時(shí)1.6～2.0 V；可編程控制發(fā)射功率；獨(dú)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(guò) 4 線 SPI總線（SI、SO、SCLK、CSn）設(shè)置芯片的工作模式、實(shí)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般布置在無(wú)人值守或是環(huán)境惡劣的地區(qū)，有些具有移動(dòng)性，所以節(jié)點(diǎn)大多數(shù)需要采用電池供電，該項(xiàng)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(jìn)行供電。按照1.5 A/h的電池容量，每隔1 min進(jìn)行1次溫濕度、光照測(cè)量，估算至少可以工作半年。

1.5 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

圖4 MCU與CC2420引腳連接圖Fig.4 Circuit connection of CC2420 to MCU

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性要求其節(jié)點(diǎn)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(diǎn)體積越小，在設(shè)計(jì)電路板布線時(shí)可能會(huì)因?yàn)榫€路距離太小而產(chǎn)生干擾，因此抗干擾設(shè)計(jì)是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)問(wèn)題。可以把電路板設(shè)計(jì)成4層板，未布線的區(qū)域用敷銅并接地，CC2420底部通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與地層連接。濾波電容盡量靠近器件放置，同時(shí)，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(kāi)來(lái)，一般可采用0 Ω電阻或磁珠來(lái)進(jìn)行隔離。另外，節(jié)點(diǎn)布設(shè)位置應(yīng)盡量避開(kāi)樹(shù)木，以減少對(duì)電磁波的吸收，影響傳輸穩(wěn)定性。

2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)模型OSI（Open System Interconnection model）[5]，設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)考慮到通用型和便于開(kāi)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(wú)線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)之一[6]，主要用于低功耗、低成本設(shè)備的低速互連，其特點(diǎn)符合環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jì)，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層、ZigBee設(shè)備對(duì)象等[7]。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(guò)服務(wù)接入點(diǎn)連接，包括數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)，每層都通過(guò)一套服務(wù)原語(yǔ)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(lái)構(gòu)建，采用事件輪循機(jī)制。當(dāng)初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開(kāi)始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級(jí)，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[8]。

軟件開(kāi)發(fā)以IAR Workbench V4.30為平臺(tái)，采用C語(yǔ)言編寫，因此提高了軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的工作效率，增強(qiáng)了程序代碼的可靠性、可讀性和可移植性。節(jié)點(diǎn)主流程圖如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)主流程圖Fig.5 The main program flow of the nodes

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了一種低功耗、用于環(huán)境信息監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其中的各個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，對(duì)通信協(xié)議和軟件工作流程進(jìn)行了分析。由該節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在小規(guī)模實(shí)驗(yàn)中已表現(xiàn)出良好的工作效果，可在特殊環(huán)境下實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信號(hào)的采集、處理與傳輸。

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