基于MSP430的無線傳感器網(wǎng)絡溫度節(jié)點設計
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O 引言
無線傳感器網(wǎng)絡由于蘊藏著巨大的科學意義和使用價值，己受到越來越多學術部門、軍事部門和工業(yè)部門的青睞。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，在很多情況下需要對環(huán)境的溫濕度進行檢測，并加以控制，特別是對污染嚴重、自然條件惡劣、人員難以到達的地方。本文利用溫濕度傳感器DSl8820使用較為簡單，測量精度較高等優(yōu)點，同時結(jié)合MSP430F2013的強大功能以及低功耗的特點，設計一種基于溫度無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)中的節(jié)點，用來對環(huán)境的溫度進行監(jiān)控。
無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價小型或微型無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織智能網(wǎng)絡系統(tǒng)。其應用前景非常廣闊，現(xiàn)正逐步深入到人類生活的各個領域，比如醫(yī)療護理、建筑結(jié)構、健康監(jiān)測等。環(huán)境檢測也是一類典型的無線傳感器網(wǎng)絡應用。其結(jié)構圖如圖1．
2 溫度傳感器節(jié)點設計結(jié)構
無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的核心是傳感器節(jié)點，且設計需要滿足以下幾個主要條件：網(wǎng)絡性，小型化，低功耗，穩(wěn)定性。
根據(jù)上述幾點要求，傳感器節(jié)點設計一般包括四個部分：處理器模塊、無線傳輸模塊、傳感器模塊和電源供應模塊。如結(jié)構圖2所示：
本文硬件電路設計中采用了TI公司的16位低功耗單片機MSP430F2013作為處理模塊，傳感器模塊采用DS18820，無線傳輸模塊采用低功耗無線收發(fā)模塊CCll00，電源采用電池或者是穩(wěn)壓電源。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源供應模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。
2．1 DSl8820
溫度傳感器采用DSl8820，起使用比較簡單，其主要特點有以下幾個方面
(1)獨特的單線接口方式：DSl8820與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DSl8820的雙向通訊。在使用中不需要任何外圍元件。
(2)可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3．0~+5．5V。
(3)測溫范圍：-55+125℃。固有測溫分辨率為O．5℃。
(4)通過編程可實現(xiàn)9~12位的數(shù)字讀數(shù)方式。
(5)用戶可自設定非易失性的報警上下限值。
(6)支持多點組網(wǎng)功能，多個DSl8820可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點測溫。
(7)負壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。
由于DSl8820單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對DSl8820的各種操作必須按協(xié)議進行。操作協(xié)議為：初始化DS18820(發(fā)復位脈沖)→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。
2．2 MSP430F2013
處理器模塊是無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的計算核心，所有的設備控制、任務調(diào)度、能量計算和功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲程序都將在這個模塊的支持下完成，所以處理器的選擇在節(jié)點設計中至關重要。
msp430f2013是Ti公司msp430系列的一款微控制器， 它具有以下結(jié)構特點：16位的risc cpu、16位的寄存器和常數(shù)發(fā)生器，可以獲得很高的代碼效率；五種低功耗模式，在便攜式的測量應用中可以延長電池的使用壽命：數(shù)控振蕩器(dco)使得從低功耗模式切換到正常模式只要不到μs；一個16位的定時器；10個i／o口：具備同步通信協(xié)議(spi或者i2c)；一個16位的σ一δADC。傳感器與處理器結(jié)構如圖3所示。
2．3 無線收發(fā)模塊CCl100
無線通信模塊是耗能的主要模塊，因此要慎重選擇?？紤]到無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的通信模塊必須是能量可控的，并且收發(fā)數(shù)據(jù)的功耗要非常低，選用Chipcon公司的CCll00作為無線收發(fā)模塊。該芯片體積小、功耗低，數(shù)據(jù)速率支持1．2到500Kbps的可編程控制，本文中CCll00工作在315MHZ的頻率上，采用FSK調(diào)制方式，數(shù)據(jù)速率為100kbps，信道間隔為100kHZ。CCll00編程線與數(shù)據(jù)線是分別與處理器芯片連接的，這樣就可以在收發(fā)數(shù)據(jù)的同時方便地讀到CCll00內(nèi)部寄存器的狀態(tài)，從而能有效地控制通信過程。無線收發(fā)模塊的原理圖如下：
3 節(jié)點軟件設計
系統(tǒng)軟件設計主要包括節(jié)點發(fā)送程序和參數(shù)調(diào)節(jié)程序、SINK節(jié)點接收程序及上位PC機程序。節(jié)點發(fā)送程序主要完成現(xiàn)場傳感器芯片的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送。節(jié)點發(fā)送程序流程如圖4所示，上電后節(jié)點無線模塊處于接收狀態(tài)，檢測SINK節(jié)點發(fā)來的指令，當收到正確的指令后開始對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集。當節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后，將把字頭后的數(shù)據(jù)認為是有效數(shù)據(jù)，單片機首先核對分站ID號，如ID號不是本機則丟棄所有數(shù)據(jù)，重新進入接收狀態(tài)，這樣可以防止錯誤動作和惡意的破壞。反之，則繼續(xù)對命令號進行判斷，以確定節(jié)點的動作。如SINK節(jié)點要數(shù)據(jù)則對傳感器號進行判斷，以確認所要的是該節(jié)點的哪個傳感器數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)分析完畢后，節(jié)點將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行采集、打包，并發(fā)給SINK節(jié)點，或啟動參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)節(jié)，然后重新進入接收狀態(tài)。
4 結(jié)束語
本文在總結(jié)原有理論研究成果的基礎上，提出了基于單片機MSP430和CCllOO收發(fā)芯片構成的低成本、低功耗的溫度無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，在試驗中可采用5個節(jié)點和1個SINK節(jié)點組建一個小型無線傳感器網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的成功設計對進行無線傳感器網(wǎng)絡的組網(wǎng)，到最后的實際應用奠定了良好的基礎。
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