開放式的無線傳感器網絡節點平臺設計

王泰然，徐建城，劉慧卓

（西北工業大學 陜西 西安 710000）

無線傳感器網絡（Wireless sensor network，WSN）是一種全新的信息獲取平臺，由大量廉價的靜止的或移動的傳感器模塊以自組網絡和多跳的方式構成無線網絡，其目的是協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋區域內監測對象的信息，并報告給用戶[1]。WSN在軍事、農業、環境監測、醫療衛生、工業、智能交通、建筑物監測、空間探索等領域有著廣闊的應用前景和巨大的應用價值，被認為是未來改變世界的十大技術之一、全球未來4大高技術產業之一。

傳感器技術、嵌入式技術、微機電技術以及無線通信技術的不斷進步推動了低功耗、多功能WSN的飛速發展。WSN的研究人員設計了很多無線傳感器網絡硬件平臺，其大致分為兩類：專用平臺和通用平臺。孫鵬[2]等設計了一款基于Si1000的無線傳感器網絡節點用于監測糧食的儲備環境；韋然[3]設計了一款基于MSP430F1611的無線傳感器網絡節點用于溫濕度檢測；郭燕紅[4]設計了一款基于MSP430F149的無線傳感器網絡節點用于對樓宇空調的智能監控；王新忠[5]等設計了一款基于Atmega128L的無線傳感器網絡節點用于丘陵葡萄園環境信息和土壤墑情的無線監測。上述節點數據采集模塊固定只能針對具體的工作要求完成具體的任務，屬于專用節點。張偉[6]等設計了一款基于ARM7的開放式的無線傳感器網絡平臺；周應賓[7]設計了一款基于ARM處理器S3C2410的無線傳感器網絡平臺。上述節點具有可擴展性而且具有較強的數據處理功能，屬于通用節點。上述節點平臺可以應用于不同的任務背景，但是ARM處理器相對于普通低速的單片機如，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絡的一個重要的限制因素，如何高效使用能量來最大化延長網絡生命周期是傳感器網絡所面臨的重要挑戰[8]。這里我們設計了一款基于MSP4305438微處理器的開放式的無線傳感器網絡節點。相對于一般的專用無線傳感器網絡節點我們的節點具有很好的開放性和可擴展性，可以根據實際應用背景實現不同的功能。此外，相對于ARM處理器為主控芯片的節點我們的節點具有更低的能耗。

1 系統總體設計

我們的系統在低功耗的基礎上要求其具備開放性和可擴展性。為了實現這一目的我們在該系統的硬件設計時采用模塊化設計思想。一般的無線傳感器網絡節點包括以下四個模塊：電源模塊、數據采集模塊、處理器以及存儲模塊和無線通信模塊。當一個無線傳感器網絡節點的主控芯片給定后，根據不同的應用背景無線傳感器網絡節點的差異性主要體現在數據采集模塊和無線通信模塊。數據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議。MSP430F5438微處理器具有豐富的外設，它具有多達10個8位IO口。我們可以預留多個IO口作為傳感器模塊接口、無線通信模塊接口以及通用接口。最后我們將數據采集模塊和無線通信模塊單獨設計最后通過接插件（插針和穿焊空）和處理器模塊預留的接口連接。這樣我們在針對不同的應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計處理器模塊甚至電源模塊。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 Block diagram of system

2 硬件設計

節點主要包括6個模塊：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

無線傳感器網絡節點體積微小，通常以能量十分有限的電池供電。無線傳感器網絡節點通常分布在環境復雜甚至人不能到達的地方，而且分布范圍廣數量多，所以通過更換電池或充電的方式來補充能源是不可能的。由于成本和技術的限制，利用太陽能和風能發電來補充能量的方法目前也很難得到應用。如何高效的使用能量來最大化延長無線傳感器網絡的生命周期是無線傳感器網絡所面臨的首要挑戰，這也是我們在無線傳感器網絡節點的軟硬件設計過程中應該重點考慮的問題。

選用TI公司的MSP430F5438作為主控芯片，并利用JTAG仿真器通過JTAG接口將程序寫入flash。JTAG接口是一個雙向串行端口，可以控制MSP430的運行、刷新Flash以及讀寫寄存器等等。MSP430單片機內部集成了遵循邊界掃描故障診斷的電路。這樣僅需要一個接口，就可以連接電腦進行程序下載和調試了。這樣的好處是：傳統的仿真器是特殊設計的CPU，價格較貴，增加了開發學習的成本。而TI公司給出了JTAG仿真器的電路設計，使用者可以自己制作，單片機自帶仿真接口，所以能夠降低用戶的開發成本。由于可以通過JTAG口訪問MCU內部程序存儲器，在發布產品時要將JTAG口切斷，否則產品可能會被別人仿制，從而造成損失。MSP430單片機的JTAG端口設計有一個熔絲。熔斷熔絲后就無法再通過仿真器進行調試，而這種熔斷是不可逆轉的物理毀壞，所以能夠有效地保護用戶的程序不被盜用。

MSP430F5438單片機工作電壓為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；傳感器模塊根據實際情況采用外部供電或母板供電。因此，我們選用3 V的紐扣電池進行供電，同時利用JTAG仿真器進行輔助供電。電源模塊以及JTAG模塊如圖2所示。當使用JTAG仿真器進行供電時將S1閉合至JTAG接口的拐腳2，同時S2斷開。當使用電池供電時，將S1閉合至JTAG接口的拐腳4，同時閉合S2。ADP3339保證了電源較好的穩壓性。

圖2 電源和JTAG模塊Fig.2 Power and JTAG module

2.2 傳感器模塊

由于我們的平臺是一種開放的可擴展的無線傳感器網絡節點平臺，所以我們的傳感器模塊要根據實際應用背景進行設計。所以，所有的傳感器模塊都單獨進行設計，并通過接插件（過孔和插座）與母板進行連接。傳感器應盡量選擇數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用背景為例進行傳感器模塊的設計，如圖3所示。溫度傳感器我們選擇數字溫度傳感器DS18B20。

圖3 溫度傳感器模塊及其接口Fig.3 Temperature sensor module and its interface

2.3 微處理器模塊

無線傳感器網絡節點是一種微型嵌入式設備，要求其價格低、功耗小。這些限制導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，無線傳感器網絡節點需要完成監測對象的數據采集和轉換、數據的管理和處理、應答其他節點的請求和節點控制等多種復雜工作。這就需要我們在選擇主控芯片時既要保證其能滿足低功耗的要求又能完成多種復雜任務。這里我們選擇了TI公司的MSP430F5438單片機，相對于51或52系列單片機它可以完成更復雜的任務，相對于ARM系列處理器它的能耗更低。

TI公司的MSP430F5438單片機是基于RISC架構的16位超低功耗單片機，內部集成256KB閃存和16KB RAM，在1.8～3.6 V的工作電壓范圍內性能高達25MIPS。強大的數據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據處理和存儲的要求。該處理器包含一個用于優化功耗的創新電源管理模塊，具有6種低功耗模式。其功耗已經達到了微安級，超低功耗使我們可以更大的延長我們的無線傳感器網絡節點平臺的生命周期。從低功耗模式喚醒到激活模式只需要不到5 μs的時間。MSP430F5438內部集成有多通道、高速A/D轉換模塊ADC12，能提供多通道12位精度的A/D轉換，其最大采樣速率可以達到200ksps。ADC12模塊內包括采樣／保持功能的ADC內核、轉換存儲邏輯、內部參考電平發生器、多種時鐘源、采樣及轉換時序電路。對于大多數現場數據采集的應用環境而言，MSP430F5438內部集成的ADC12模塊都能很好地滿足數據采集的要求。此外MSP430F5438具有豐富的外設。它具有多達10個8位IO口，P1口到P10口是完整的，P11口包含3個單獨的IO口。所有單獨的IO位可獨立編程，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，所有端口上的驅動強度可編程控制，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為單位進行訪問也可以以字為單位進行訪問[9]。豐富的外設滿足了我們的無線傳感器網絡節點平臺開放式和可擴展的要求。這里我們將預留多個IO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絡節點平臺的設計過程中我們將無線通信模塊單獨設計并通過插針和插座和母板進行連接。這樣我們可以根據不同的通信協議設計不同的無心通信模塊而無需改變其他模塊。無線傳感器網絡中最常用的無線通信協議就是IEEE802.15.4標準。該標準具有低功耗、低成本等有點，很符合無線傳感器網絡節點的要求。下面我們就以2.4 GHz的IEEE802.15.4無線通信規范設計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標準的射頻收發器，它基于SmartRF03技術，以0.18 mm CMOS工藝制成只需要極少的外部元器件，性能穩定且功耗極低其MAC層和PHY層協議符合IEEE 802.15.4規范，工作于無執照的2.4 GHz頻段[10]。利用CC2420和MSP430共同開發的無線通信設備支持數據傳輸率可高達250 kbps，可實現多點間的快速組網。

本設計中微處理器MSP430F5438與CC2420通過SPI高速通信串行口進行控制和通信。MSP430F5438為主設備，CC2420 為從設備。 CSn、SO、SI、SCLK 是 CC2420 的 SPI接口線，通過它們，Msp430F5438單片機可以設置CC2420的寄存器以及數據傳輸等。當進行SPI通信時Msp430F5438單片機作為主機，通過SCLK來控制時序，通過SI、SO進行數據的輸入和讀取。CSn是片選信號線，用于保證數據收發的同步性。無線通信模塊如圖5所示。

圖4 處理器模塊Fig.4 Main microcontroller module

2.5 與計算機通信模塊

我們平臺需要將采集到的數據送給計算機進行處理以供用戶進一步使用和研究，同時當用戶有主動需求時，我們要向像無線傳感器網絡節點發送查詢命令。MSP430F5438有多達4個通用串行接口，這里我們利用串口實現無線傳感器網絡節點和計算機之間的通信。MSP430F5438要實現和計算機串口相連接必須要進行EIA-RS-232-C與MSP430F5438電平和邏輯關系的轉換，本設計采用MAX3232芯片，完成3～5 V電平與串口電平的雙向轉換。串口模塊如圖6所示。

3 設計驗證

我們通過采集環境溫度并將其發送給計算機來驗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數字溫度傳感器和串口通信的測試程序寫入flash.DS18B20數字溫度傳感器將采集到的環境溫度送給MSP430F5438微處理器進行處理。微處理器將處理完的數據通過串口送給計算機。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據進行觀測和分析。測試證明我們的系統能夠很好的完成數據采集和串口通信的功能。

圖5 無線通信模塊及其接口Fig.5 Wireless communication module and its interface

圖6 串口通信模塊Fig.6 Serial communication module

在無線通信模塊的驗證過程中，我們以CC2420為無線控制芯片，編寫了CC2420的測試程序進行驗證。該模塊能夠較好的滿足預期目標，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，數據速率達250 kbps，碼片速率達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 結束語

以TI公司的MSP430F5438為主控芯片，設計了一款開放式可擴展的無線傳感器網絡節點平臺，并通過DS18B20數字溫度傳感器和CC2420模塊驗證其可行性。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，同時滿足低功耗的要求。

前面我們說過能耗問題一直是無線傳感器網絡的一個限制因素。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絡節點的生命周期。太陽能發電和風能發電技術的飛速發展，其價格問題和技術問題對無線傳感器網絡節點的制約將越來越小，這將為我們延長無線傳感器網絡節點生命周期提供了一條很有價值的途徑。

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