怎么设计一种基于MSP430F149的无线传感器网络系统？

　　无线传感器网络是由大量的具有通信和计算能力的传感单元构成的智能测控网络系统，它综合了传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术及分布式信息处理技术等，是新兴的交叉研究领域，具有重要的研究价值和广阔的应用前景，成为当今信息领域的研究热点。
　　在军事应用中，大量的传感器节点通过人工布设、火炮发射、飞行器空投等方式布放至监控区域，以自组织的方式构成无线传感器网络，并采集声音、震动、磁、温度、湿度等各种环境信息或监测对象的信息，实现感应、检测、定位、监视和警戒等多方面的应用，提高战场信息的感知、传输和处理能力。无线传感器网络预示着为战场带来新的电子眼和电子耳，将成为网络中心战和现代电子信息战的重要组成部分。
　　无线传感器网络概述
　　无线传感器网络是将大量具有通信与计算能力的微小传感器节点，通过人工布设、空投、火炮投射等方法部署在预定的监控区域，构成的“智能”自治测控网络系统。使用无线传感器网络的目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并传送到观察者。感知对象、传感器网络和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
　　一个典型的无线传感器网络体系结构包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机布设在监测区域内，通过自组织的方式构成网络。
　　无线传感器网络与传统的无线ad-hoc网络虽然有很多相似之处和共同特点，但二者之间也存在一些本质的区别。无线ad-hoc网络的目的是通过动态路由和移动管理技术，为用户提供高质量的数据传输服务，本质上是一种数据网，节点的计算和通讯能力较强，并有持续的能量供给。无线传感器网络以监控物理世界为主要目标，是一种测控网络，节点的计算和通讯能力较弱，能量供给严重受限。归纳起来，无线传感器网络具有如下特点：规模大、密度高；无中心、自组织；网络动态性强；节点资源受限；多跳路由；以数据为中心。
　　系统整体方案设计
　　本文针对战场侦察监控的应用需求，基于MSP430F149单片机和无线射频芯片nRF905，设计了一种无线传感器网络系统。
　　无线传感器网络系统主要由普通传感器节点、汇聚节点和上位机监控平台组成。普通传感器节点散布在观察区域内，负责采集和观察对象相关的数据，并将协同处理后的数据传送到汇聚节点。汇聚节点将网络中的数据在上位机监控平台上进行处理和显示。
　　无线传感器网络节点设计的好坏直接影响到整个网络的质量，无线传感器网络节点主要由数据处理单元、无线通讯单元、传感器单元、电源单元组成，如图1所示。
　　针对野外条件下的无线传感器网络实时监测和突发事件处理的应用需求，无线传感器网络节点在设计上，重点考虑以下几个方面：①低功耗、低成本、小体积；②稳定性；③扩展性和灵活性。
　　无线传感器网络节点由处理器/射频通讯板和传感器板组成。处理器/射频通讯板采用了超低功耗的MSP430F149单片机和具有多种工作模式的无线射频芯片nRF905，传感器板采用了声音、加速度和磁性三种传感器，用于实现对环境数据的采集和目标信息的探测，同时通过蜂鸣器、麦克风以及音频信号的接收放大和解码电路实现节点间的测距。系统采用两节5号电池供电。汇聚节点采用与普通传感器节点相同的结构设计。
　　系统硬件设计
　　微处理器选型
　　MSP430系列单片机是美国TI公司推出的16位超低功耗、高性能类型的混合信号控制器，专为超低功耗应用精心设计。其在1.8V~3.6V电压下工作，适合于电池供电使用。高度灵活的时钟系统、多种操作模式可大幅降低功耗，显著地延长电池的使用寿命。同时，该产品将大量的外围模块整合在片内，适合于设计片上系统；有丰富的系列型号器件可供选择，给设计者带来很大的灵活性。MSP430单片机的这些特性，非常适合应用在无线传感器网络系统中。
　　无线通讯单元设计
　　nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9V~3.6V，工作于433/868/915MHz三个ISM（工业、科学和医学）频道，频道之间的转换时间小于650µs。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表面滤波器。Shock Burst工作模式，能自动处理字头和CRC（循环冗余码校验）；通过SPI串口与微控制器通讯。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时，电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。这些特点使得nRF905非常适合在无线传感器网络中应用。
　　nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是Shock Burst TM接收模式和Shock Burst TM发送模式；两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三个引脚决定。
　　nRF905工作于Shock Burst TM模式时，nRF905能够提供高速的数据传输而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理，与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。nRF905提供给应用的微控制器一个SPI接口，数据速率由微控制器自己设定。在Shock Burst TM接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配（AM）和数据准备好（DR）两引脚通知微控制器，微控制器就会对接收到的数据包进行处理，处理完数据会根据相应的条件进入各种工作模式。在Shock Burst TM发送模式，nRF905自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕，微处理器就可以根据情况让系统工作在各种模式下。由以上分析可知，nRF905的Shock Burst TM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源。
　　nRF905的节能模式包括关机模式和空闲模式。在关机模式，nRF905的工作电流最小，一般为2.5µA。进入关机模式后，nRF905保持配置字中的内容，但不会接收或发送任何数据。空闲模式有利于减小工作电流，其从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时间也比较短。在空闲模式下，nRF905内部的部分晶体振荡器处于工作状态，工作电流跟外部晶体振荡器的频率有关。
　　选取nRF905作为传感器节点的射频通讯芯片，天线使用50Ω的单鞭天线。如图2所示，TXEN、TRX_CE、PWR_UP是MSP430F149单片机输出信号，用来配置nRF905的各种工作模式。SPI_MISO、SPI_MOSI、SPI_SCK和SPI_SCN是MSP430F149单片机与nRF905的通讯信号线。CD、AM和DR分别代表载波侦听、地址匹配和数据准备好，是nRF905返回给MSP430F149单片机的信号线。
　　传感器单元设计
　　（1）声音传感器
　　声音的监测采用Panasonic的全方位电容麦克风WM-62A，它除了被用于普通的声音记录以外，还同蜂鸣器、麦克风、音频信号的接收放大和解码电路，一起被用于声音定位。声音传感器模块的接口电路如图3所示。蜂鸣器采用简单的固定频率的共鸣器，用于产生固定频率（如4KHz）的测距声波。麦克风接收到的声音信号两次经过运算放大器MAX4466实现两级放大，输出信号送到单片机的模数转换端口，同时该输出经过有源滤波器MAX4164连接到音调侦测器LMC567，可以实现声调解码，当蜂鸣器所发出的固定频率的音调出现，音调侦测器LMC567就会输出一个数字高低电平给单片机的中断端口。
　　通过这一电路，能够实现传感器节点间的测距，采用基于声波和电磁波的到达时间差测距的方法实现节点间测距，通过测量节点所广播的声波和电磁波到达同一节点的时间差，进而基于信号传播速度来确定节点间的距离。某一节点激励蜂鸣器发声，且同时广播电磁信号，当周围的某个节点接收到电磁波信号后，定时器开始工作，当该节点接收到测距声波时定时器停止工作。由于电磁波的传播速度很快，定时器测量的时间可以近似认为是声波在两节点间传播的时间，进而可计算出两节点间的距离。然后通过一定的定位算法，可以实现传感器节点的自身定位。
　　（2）加速度传感器
　　ADXL202AE是廉价、低功耗的两轴加速度传感器，量程范围为-2g到+2g。它可用来测量动态加速度，也可用来测量静态加速度。它具有较高的灵敏度（12.5%/g），即使用低速计数器来对它输出的PWM信号进行解码，也可以得到较高的分辨率。加速度传感器模块的接口电路如图4所示。ADXL202AE芯片的集成度较高，其输出形式一种是直接的模拟电压信号，一种是数字信号。利用ADXL202AE双轴加速度传感器可以测量地震动加速度，从而实现对目标的探测。
　　
　　图1 仿真电路图
　　
　　图2 nRF905接口电路图
　　
　　图3 声音传感器接口电路图
　　
　　图4 加速度传感器接口电路图
　　
　　图5 磁性传感器接口电路图
　　（3）磁性传感器
　　磁性传感器可以测量环境磁场强度，能够探测到带磁性的目标。美国Honeywell公司的低功耗二维磁阻传感器HMC1052具有超低功耗，供电电压低于1.8V；灵敏度达1mV/V/Oe，检测磁场范围达±60e；位于芯片上的置位/复位带，减少了温度漂移影响，也减少了大磁场存在引起的信号输出损失；广泛应用于罗盘、导航系统、高度参考、交通检测、医疗设备、位置检测等领域。
　　磁性传感器模块的接口电路如图5所示。传感器HMC1052测得的场强以差分信号的形式输出，分别经LMV358的两个放大器进行信号放大，放大后的信号送到单片机的ADC端口进行数据采集。
　　
　　图6 电源管理电路图
　　
　　图7 串口通讯电路图
　　电源管理单元设计
　　电能是无线传感器网络珍贵的资源，它决定着无线传感器网络的寿命。节点的电源管理非常重要。本设计采用集成的模拟开关芯片来实现电源控制，MAX4678是4路模拟开关，通过节点平台的I/O引脚来控制内部模拟开关是否给后级的传感器模块供电；通过使没有用到的传感器不上电，以达到在无数据采集任务时及时关闭电源、节省电能的目的。电源管理单元电路如图6所示。
　　其他外围电路设计
　　串口电路
　　汇聚节点通过串口电路与上位机进行通讯。由于节点上的单片机输入、输出电平是TTL电平，而上位机配置的是RS-232标准串行接口，两者的电气规范不一致，因此需解决它们之间电平匹配问题。串口通讯电路如图7所示，由MAX3232完成串口电平的转换。
　　复位电路
　　复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。图8为传感器节点的复位电路，它是上电自动复位和按键手动复位的结合。
　　
　　图8 复位电路图
　　拨码开关电路
　　拨码开关接在单片机的中断端口上，可以模拟节点周围的环境突变，将传感器节点从低功耗模式唤醒到工作模式。拨码开关电路如图9所示，当拨码开关接通时，电源VCC通过电阻R和拨码开关与地线形成回路，这时的P1.0~P1.3相当于地线短接，电压为0；当拨码开关断开，电源VCC通过电阻和单片机的P1端口形成回路，此时的P1.0~P1.3电压相当于电阻两端的电压。
　　
　　图9 拨码开关电路图
　　插槽接口电路
　　传感器节点由处理器/射频通讯板和传感器板组成，两板通过插槽连接，如图10所示。
　　
　　图10 插槽接口电路图
　　系统软件设计
　　无线传感器网络节点（普通传感器节点和汇聚节点）遵循休眠、唤醒、正常工作的工作模式。系统在完成初始化后，进入低功耗休眠模式，等待被中断唤醒且执行中断程序，中断执行完毕后，系统回到中断前的状态，继续执行低功耗模式。节点的主程序流程如图11所示。上位机处理软件采用Visual Basic（VB）编写。VB支持面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程模式。无线传感器网络的上位机处理软件利用VB的MSComm控件来实现串口通讯，再加上VB中的其他常用控件，实现对无线传感器网络的分析、显示和操作。
　　
　　图11 节点主程序流程图
　　结束语
　　无线传感器网络是实现实时监测和突发事件处理的有效方法。本文首先对无线传感器网络进行了概述，提出了无线传感器网络系统的整体方案，然后从硬件部分和软件部分两个方面分别进行设计。无线传感器网络系统选择了低功耗的MSP430F149单片机和具有多种工作模式的无线射频芯片nRF905，采用了声音、加速度、磁性三种传感器，用于实现对环境数据的采集和目标信息的探测；还完成了电源管路单元设计和其他外围电路设计。该网络系统具有能耗低、体积小、成本低等特点。