舒 杰，曹 建

（中南大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410083）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，包括環(huán)境的監(jiān)測和保護、醫(yī)療護理、軍事領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域等。美國商業(yè)周刊和MIT技術(shù)評論在預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的報告中，分別將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為21世紀(jì)最有影響的21項技術(shù)和改變世界的十大技術(shù)之一[1]。

無線傳感器節(jié)點一般通過電池供電，硬件結(jié)構(gòu)簡單，通信帶寬小，點到點的通信距離短[2]，所以工作時間有限及通信距離短成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個主要瓶頸。如果要求工作時間長同時通信距離遠，就必須在軟硬件上同時做處理。因此本設(shè)計在硬件上采用集成度高、功耗超低的MSP430F149作為控制芯片，以功能強大、外圍電路簡單、功耗低的Si4432作為無線收發(fā)芯片，并通過電源管理芯片TPS61200充分利用電池的能量（只要電池電壓在0.2 V～5 V范圍內(nèi)整個系統(tǒng)即可正常工作）。在軟件上，所有節(jié)點之間都具有自組織能力，通過轉(zhuǎn)發(fā)、多跳等方式進行通信；通信可覆蓋范圍廣。采用等待喚醒方式即休眠模式下經(jīng)喚醒進入工作模式，完畢后再進入休眠模式的工作方式，大大降低了能量的消耗；充分考慮其工作壞境的惡劣性，采用E2PROM存儲技術(shù)及看門狗技術(shù)，系統(tǒng)把所有有用信息保存在E2PROM中，當(dāng)系統(tǒng)因外界干擾使程序進入非正常工作時，看門狗使系統(tǒng)復(fù)位，然后從E2PROM中讀取有用信息繼續(xù)工作，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)由基站節(jié)點、傳感器節(jié)點和上位機組成。節(jié)點硬件主要包括 7部分：處理器（MSP430F149）、Si4432射頻收發(fā)模塊、電源管理模塊、串口通信模塊、JITAG下載模塊、傳感器接口模塊和E2PROM存儲模塊?；竟?jié)點沒有傳感器模塊，傳感器節(jié)點沒有串口通信模塊。基站節(jié)點由上位機USB接口供電。傳感器節(jié)點使用2節(jié)5號電池供電。采用TPS61200作為電源管理器，只要電池電壓在 0.2 V～5 V范圍內(nèi)，系統(tǒng)即可以正常工作，大大地延長了電池的使用時間。為了調(diào)試方便，在節(jié)點上增加了撥碼開關(guān)和LED信號指示燈。整個系統(tǒng)軟件由上位機處理軟件、基站節(jié)點軟件、傳感器節(jié)點軟件三部分組成。在傳感器節(jié)點軟件設(shè)計上充分考慮了低功耗節(jié)能問題，因為它的能量主要消耗于無線射頻模塊，因此在組網(wǎng)時盡量使Si4432的輸出能量設(shè)定為最小，且在沒有收發(fā)信息時工作在睡眠模式，即等待喚醒模式。

2 自組織協(xié)議設(shè)計

在協(xié)議中，通過定義數(shù)據(jù)包的格式和關(guān)鍵字來實現(xiàn)節(jié)點的自組織。

2.1 協(xié)議格式

自組織協(xié)議格式如圖1所示。

圖1 自組織協(xié)議格式

其中，Pre表示前導(dǎo)碼，這些字符雜波不容易產(chǎn)生，通過測試和試驗發(fā)現(xiàn)，噪聲中不容易產(chǎn)生0x55和0xAA等非常有規(guī)律的信號，因此前導(dǎo)碼采用 0x55AA。Sync(同步字)在前導(dǎo)碼之后，本系統(tǒng)設(shè)定的同步字為2 B，同步字內(nèi)容為0x2DD4，接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。Key表示關(guān)鍵字，高6位用來表示目標(biāo)地址的級別，接收節(jié)點會根據(jù)高6位決定數(shù)據(jù)的去向（比本級節(jié)點大則向下級節(jié)點傳，若小則反之，如果相等則判斷目標(biāo)地址是否為本節(jié)點地址，是則直接向目標(biāo)表地址發(fā)送，否則向上級發(fā)送節(jié)點回復(fù)重發(fā)應(yīng)答）；低2位用來區(qū)分各種情況下的數(shù)據(jù)（命令信號、組網(wǎng)信息、采集信息、廣播信息）；接收節(jié)點會根據(jù)這些關(guān)鍵字低2位分別進入不同的數(shù)據(jù)處理單元。From表示源地址，是發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點地址；Mid表示接收信息的中轉(zhuǎn)節(jié)點地址；Fina表示數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址；除廣播信息外，每個信息都有唯一的源地址和目標(biāo)地址；Data表示有效數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)隨著關(guān)鍵字(Key)的不同而采用不同的格式，可攜帶不同的信息；Che表示檢驗位，說明采用何種校驗方和還是CRC校驗），可避免接收錯誤的數(shù)據(jù)包；示數(shù)據(jù)包的結(jié)束標(biāo)志位。Si4432內(nèi)部集成有調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼等功能，從而 Pre、Sync和 Che都是硬件自動加上去的，用戶只需設(shè)定數(shù)據(jù)包的組成結(jié)構(gòu)和部分結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容(如前導(dǎo)碼和同步字)。

2.2 自組織算法

網(wǎng)絡(luò)由一個基站和若干個傳感器節(jié)點組成，基站上電初始化后就馬上進入低功耗狀態(tài)（Si4432射頻模塊處于睡眠狀態(tài)）；傳感器節(jié)點隨機地部署在需要采集信息的區(qū)域內(nèi)，上電初始化后開始組網(wǎng)。首先發(fā)送請求基站分配級別的命令，若收到基站應(yīng)答則定義為一級并把自身信息（包括地址、級別等）發(fā)給基站；反之若發(fā)送次數(shù)達到設(shè)定值，則向周圍節(jié)點發(fā)送廣播信號，通過周圍節(jié)點應(yīng)答信息整理得出自身的網(wǎng)絡(luò)級別，并向周圍節(jié)點及基站發(fā)送自身信息。如果還是未能分配到級別則延時等待其他節(jié)點分配好級別后重新請求入網(wǎng)。每個入網(wǎng)的傳感器節(jié)點都保存有周圍節(jié)點（上級、同級、下級節(jié)點）信息（級別及對應(yīng)的地址），最后就形成了網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。自組織算法流程圖如圖2所示。

圖2 自組織算法流程圖

3 節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點要求低功耗、體積小，因此選用的芯片都是集成度高、功耗低、體積小的芯片，其他器件基本上采用貼片封裝。節(jié)點硬件框圖如圖3所示。

本設(shè)計中MCU采用TI公司生產(chǎn)的一種混合信號處理器MSP430F149，內(nèi)部資源豐富，具有兩個16位定時器、一個 14路的 12 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6組 I/O、一個看門狗、兩路USART通信端口等；因此節(jié)點的外部電路非常簡單，并且還具有功耗超低的突出特點，當(dāng)工作頻率為1 MHz、電壓為2.2 V時全速工作電流僅為280 μA，待機狀態(tài)下電流低至1.6 μA。它的工作電壓范圍為1.8 V～3.6 V，非常適合應(yīng)用于電池供電的節(jié)能系統(tǒng)中。

Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、寬頻帶EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片。其工作電壓1.8 V～3.6 V，可工作頻率范圍為240 MHz～930 MHz；內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、64 B的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO，以及可配置的GPIO等[4]。Si4432在使用時所需的外部元件很少，1個30 MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計簡單，且成本低。預(yù)留了大量外接傳感器接口，外接傳感器的信號能以中斷方式喚醒節(jié)點。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計注重低功耗、數(shù)據(jù)采集實時性、系統(tǒng)穩(wěn)健性及可靠性，在低功耗設(shè)計中采用智能控制策略，讓系統(tǒng)需要工作時處于全速工作模式，其他時刻處于低功耗模式。數(shù)據(jù)采集實時性設(shè)計中關(guān)鍵是路由選擇，主要依據(jù)是跳數(shù)最少路徑最短原則（兼顧能量優(yōu)先原則）[3]。系統(tǒng)穩(wěn)健性設(shè)計部分，當(dāng)傳感器節(jié)點因能量耗盡或其他原因不能工作或者有新的傳感器節(jié)點請求加入網(wǎng)絡(luò)時，整個網(wǎng)絡(luò)會馬上重新組網(wǎng)，形成新的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)可靠性設(shè)計中采用看門狗等技術(shù)增強系統(tǒng)抗干擾能力。系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

4.1 基站軟件

基站節(jié)點通過上位機USB供電所以一直工作在全速狀態(tài)，加快了對外部的響應(yīng)速度。上電初始化后，根據(jù)中斷程序中的標(biāo)志位值對獲得的信息進行相應(yīng)處理，處理完后把標(biāo)志位置零，循環(huán)執(zhí)行此操作?；竟?jié)點通過串口與上位機相連；因此外部事件包括串口中斷事件和接收到數(shù)據(jù)中斷事件。

為了防止串口通信過程中丟失數(shù)據(jù)，軟件設(shè)計上加了握手協(xié)議。當(dāng)基站節(jié)點每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包給上位機時，上位機都會向基站節(jié)點發(fā)送應(yīng)答信號，直到數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機。上位機接收到數(shù)據(jù)包后，馬上進入中斷處理，處理完后把相應(yīng)標(biāo)志位置1，通過主程序做進一步處理。

4.2 傳感器節(jié)點軟件

傳感器節(jié)點主程序主要是實現(xiàn)組網(wǎng)，當(dāng)節(jié)點上電初始化后設(shè)定發(fā)射功率為最小，請求入網(wǎng)。如果入網(wǎng)不成功則加大發(fā)射功率，繼續(xù)請求入網(wǎng)。經(jīng)試驗證實，發(fā)射功率越小，電池的使用壽命就越長。入網(wǎng)成功后，保存入網(wǎng)信息，并馬上進入低功耗狀態(tài)，同時使用兩個中斷，一個外部接收數(shù)據(jù)中斷，一個定時器采集中斷。程序流程圖分別如圖5、圖6所示。數(shù)據(jù)發(fā)送放在定時中斷程序里完成。

圖5 接收數(shù)據(jù)中斷

圖6 串口中斷流程

當(dāng)多個傳感器節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，則會出現(xiàn)掙搶信道的現(xiàn)象。為了避免多個傳感器節(jié)點同時與某個傳感器節(jié)點通信造成數(shù)據(jù)丟失，軟件上采用一定的退避機制。一方面，利用射頻芯片Si4432的載波偵聽信號來產(chǎn)生隨機延時，以避免同時發(fā)送信號；另一方面，當(dāng)一個傳感器節(jié)點與某個傳感器節(jié)點建立了通信通道時，其他發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點會增加發(fā)射數(shù)據(jù)的次數(shù)。

4.3 上位機軟件

上位機主要功能有發(fā)送重組網(wǎng)命令、向任意傳感器節(jié)點發(fā)送采集信息命令、建立良好的人機界面用于觀察傳感器采集來的信息、幫助基站節(jié)點處理數(shù)據(jù)減輕基站的負擔(dān)等。人機界面采用Visual Basic(VB)來設(shè)計，利用VB的MSComm控件實現(xiàn)上、下位機的串口通信。利用其他控件實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析、顯示和操作，在此不再詳細說明。

本文采用MSP430F149作為處理器，Si4432作為無線收發(fā)器，利用它們的高集成度、超低功耗等優(yōu)勢設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)節(jié)點上電后會自行組網(wǎng)，當(dāng)向網(wǎng)絡(luò)加入新節(jié)點或移除某個節(jié)點時系統(tǒng)會重新組網(wǎng)，并且不會對系統(tǒng)通信產(chǎn)生毀壞性影響。系統(tǒng)節(jié)點最多可達256個，覆蓋范圍廣。Si4432的緩沖寄存器為64 KB，一次性可發(fā)送接收信息量可多達62 KB?；竟?jié)點通過串口跟上位機相連，在上位機建立良好的人機界面可以觀察每個傳感器采集來的信息，并且可以控制每個節(jié)點的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)已在實際中成功應(yīng)用。

[1]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]EDGAR H，CALLAWAY J.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議[M].王永斌，屈曉旭，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]Kan Baoqiang，Cai Li，Zhu Hongsong，et al.Accurate energy model for WSN node and its optimal design[J].Journal of Systems Engineering and Electronics，2008，19(3)：427-433.

[4]魏小龍.MSP430系列單片機接口技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計實例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.