基于环境信息监测的无线传感器网络节点设计

摘要：针对海岸、海洋环境远程实时监测的需求，设计了由超低功耗MCU芯片MSP430F1611、无线收发器芯片CC2420及各种传感器接入电路构成的具有多种环境参数采集功能的无线传感器网络节点。该节点系统利用所搭载的各种传感嚣采集环境中的温度、湿度、光照强度等数据，通过相邻节点间的无线通信，以多跳传输的方式，将测量数据上传给上位监控机，可实现对海岸、海洋现场环境信息的远距离实时监测。
关键词：无线传感器网络；环境信息监测；节点；微控制器；协议栈

    随着微电子技术，通信技术的迅速发展，将传感器技术、计算机技术与通信技术相结合的智能传感器以其比较高的精度、良好的可靠性、功能的多样性等优势在过程控制以及信号监测中越来越多地得到人们的关注，已成为当今国内外研究的一大热点。本文设计了一种用于对环境信息进行实时监测的无线传感器网络节点，能够对环境参数进行准确的测量并可靠传输，充分体现了传感器系统的数字化、智能化、无线化的优点。
    该节点的设计以MSP430F1611超低功耗单片机为核心，配置新式的微型低功耗传感器，可实时地对所测的环境中的温度、湿度、光照强度等参数进行测量处理。采用5号电池供电，信息的无线传输可避免远距离布线的繁琐，具有较好的布设灵活性，适用于恶劣环境下一定区域的环境信息测量。

1 硬件节点设计
    根据无线传感器网络节点管理机制，把节点分成传感器节点、簇头节点和汇聚节点3种类型。无线传感网络的簇头节点和汇聚节点主要完成数据接收和发送功能，因此节点主要由微处理模块和无线通信模块组成。而传感器节点主要是通过传感器采集周围环境的数据(温度、湿度、光感度等)，然后进行A／D转换，经处理器处理后由射频模块发送到相邻节点，同时该节点也要执行数据转发功能，即把相邻节点发送的数据发送到汇聚节点或离汇聚节点更近的节点。整个硬件系统主要划分为数据采集、数据处理、无线传输和供电4个模块，硬件节点结构图如图1所示。其中数据采集模块负责由传感器对周围环境参数信息进行采集；数据处理模块实现数据的分析、处理和存储功能；无线传输模块负责低功耗短距离节点间的通信；供电模块选取体积小、容量高的电池，以确保节点的微型化和长寿命。

1．1 数据采集模块
    数据采集模块是应用传感器件采集环境的温度、湿度、光照强度等参数，然后将采集到的数据通过A／D转换送给单片机进行处理。
1．1．1 温湿度传感器
    温度、湿度的测量采用Sensirion公司生产的，具有I2C总线接口的温湿度集成于一体的数字式传感器SHTll。SHTll为具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换等特点。

    微处理器与SHTll的连接如图2所示，只需用2条I／O口线分别作为数据线DATA和时钟线SCK，并在DATA端接入1只上拉电阻，同时在VDD及GND端接入1只去耦电容，通过相应的软件设计，即可完成数据采集与传输。
1．1．2 光照强度传感器
    在测量太阳光辐照度部分，选用TI公司的TSL230B来测量环境周围的光照强度。该器件由先进的LinCMOS电流频率集成转换器构成。不需要外接元件即可完成高分辨率的光照／频率转换。可将被测环境周围一定光谱的光照强度转换成电流，再由电流／频率转换器转换成相应的买成频率。输出三角波或者方波的频率完全由光照幅度决定，分辨率较高，可以直接与微处理器相连，其连接方式如图3所示。S0、S1为该传感器的灵敏度控制端；S2、S3是分频系数选择端；OUT为信号输出端，进入单片机的捕获输入，通过计算两次捕获的时间内计数的数值差，便可以计算出输出频率值，可以根据输出频率-辐照度关系对照，从而得到光线强度(单位：W／cm2)。

1．2 微控制器模块
    微控制器是整个节点的核心，其设计性能决定了整个节点工作的性能。MSP430F1611是Texas Instruments公司开发的的高集成度、高精度的单芯片系统，是目前工业界中具有最低功耗的16位RISC混合信号处理器。具有极低的工作电压，在1．8～3．6 V之间均可正常工作；极小的功耗，在话动模式时，工作电流仅需330μA，在休眠模式下只需要1．1μA，在关闭状态仅仅需要0．2μA。MSP430F1611具有丰富的外设，具有8路12位的A／D，2路12位的D／A转换器，大大简化了系统的硬件设计，并提高了系统的性价比。系统具有3个时钟信号，包括1个高频时钟，1个低频时钟和1个DCO，灵活的时钟选择使得系统可以在最合理的时钟频率下工作，大大降低了系统的功耗，方便了系统的设计；它还有着丰富的外围接口，包括标准串口，SPI接口，I2C接口，方便连接多种设备。MSP430F1611内部具有10 kB的RAM和48 kB的Fash，充足的存储空间可以保证协议的正常运行，方便协议的设计与实现。另外系统具有中断唤醒功能，可以通过中断使单片机从休眠模式转为活动模式，非常适合应用于无线传感器网络节点的设计。
1．3 射频通信模块
    担负着无线传感器网络节点间的通信任务。随着集成电路的发展，芯片的集成度越来越高，能耗越来越少，因此，传感器节点的能量主要是消耗在通信上。所以，选择一款低能耗的通信器件将节省节点能量，延长工作寿命。在本方案设计中选用TI公司的CC2420射频芯片。在无线传感器网络应用中，射频收发器CC2420工作在从机模式，MSP430F1611工作在主机模式，通过SPI接口配置CC2420寄存器参数和读写缓冲器内的数据，详细的引脚连接如图4所示。该芯片是一款支持IEEE802．1．5．4、低功耗、工作于2．4 GHz频段、有源RF收发器件。它采用直接序列扩频(DSSS)技术；250 kb／s有效数据传输速率；低功耗：接收18．8 mA，发射17．4 mA；低电源电压：使用内部电压调节器时2．1～3．6 V，使用外部电压调节器时1．6～2．0 V；可编程控制发射功率；独立的128字节发射、接收数据缓冲器；电池电量监控。

    CC2420可通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式、实现读／写缓存数据及读／写状态寄存器等。
1．4 供电模块
    无线传感器网络一般布置在无人值守或是环境恶劣的地区，有些具有移动性，所以节点大多数需要采用电池供电，该项目在元器件的选取中，已经考虑到了尽量降低系统的功耗，各模块的供电电压都比较低，综合比较，2．4～3．6 V的电压可以使所有模块正常工作。因此，可以采用2节AA电池进行供电。按照1．5A／h的电池容量，每隔1 min进行1次温湿度、光照测量，估算至少可以工作半年。
1．5 硬件系统设计要点
    无线传感器网络应用的特殊性要求其节点体积越小越好，因此在元器件的选择上当然是选择同类型中体积最小的。但是节点体积越小，在设计电路板布线时可能会因为线路距离太小而产生干扰，因此抗干扰设计是节点设计时的重点问题。可以把电路板设计成4层板，未布线的区域用敷铜并接地，CC2420底部通过多个过孔与地层连接。滤波电容尽量靠近器件放置，同时，为了抗电磁干扰，最好把数字电源和模拟电源、数字地和模拟地隔离开来，一般可采用0 Ω电阻或磁珠来进行隔离。另外，节点布设位置应尽量避开树木，以减少对电磁波的吸收，影响传输稳定性。

2 节点软件设计
    通信协议采用标准开放系统互联模型OSI(Open System Interconnection model)，设计的节点考虑到通用型和便于开发，采用了TI公司提供的ZigBee协议栈Z-Stack。ZigBee协议是由ZigBee联盟制定的、用于短距离无线通信技术的标准之一，主要用于低功耗、低成本设备的低速互连，其特点符合环境监测网络应用的要求。IEEE802．15．4满足OSI定义的最下面的两层：物理层(PHY：Physical Layer)和媒质介入控制(MAC：Medium Access Control)子层。ZigBee联盟提供了网络层(NMK：Network)和应用层(APL：Application Layer)框架的设计，其中应用层的框架包括了应用支持子层、ZigBee设备对象等。ZigBee协议栈体系结构模型如图5所示。层与层之间通过服务接入点连接，包括数据服务和管理服务，每层都通过一套服务原语为其上层或下层提供服务。
    Z-Stack采用操作系统的思想来构建，采用事件轮循机制。当初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。
这种软件构架可以极大地降低系统的功耗。
    软件开发以IAR Workbench V4．30为平台，采用C语言编写，因此提高了软件设计开发的工作效率，增强了程序代码的可靠性、可读性和可移植性。节点主流程图如图5所示。

3 结束语
    本文主要介绍了一种低功耗、用于环境信息监测的无线传感器网络节点的设计方案，并对其中的各个模块进行了详细的介绍，对通信协议和软件工作流程进行了分析。由该节点组成的无线传感器网络在小规模实验中已表现出良好的工作效果，可在特殊环境下实现监测区域内信号的采集、处理与传输。