任玲　劉雪蘭　宗灶童　金濯

摘 要： 介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，給出了基于MSP430單片機結(jié)合新型傳感器和射頻發(fā)射接收于一體的nRF401芯片的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計方案，實現(xiàn)了對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫濕度和光照信號的采集。結(jié)果表明，設(shè)計制作的傳感器節(jié)點在信號采集和傳輸中有較高的實用性。

關(guān)鍵詞： MSP430； nRF401； 無線傳感器節(jié)點

中圖分類號： TP 393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1671-2153（2017）05-0095-03

0 引 言

與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)能減少連線，因此，組網(wǎng)更加靈活，升級更加方便。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)又稱物聯(lián)網(wǎng)，作為一種新興產(chǎn)業(yè)，其在商業(yè)、軍事、環(huán)境等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，是目前國內(nèi)外研究的熱點。早在2003年美國就已經(jīng)開始這方面的研究，目前，國內(nèi)很多學(xué)者也開展相關(guān)領(lǐng)域的研究，但大部分研究處在無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議性能仿真和硬件節(jié)點實驗設(shè)計階段[1]。本研究在硬件上采用低功耗MSP430F149單片機作為控制芯片，以功能強大、功耗低的nRF401作為無線收發(fā)芯片實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及組網(wǎng)設(shè)計方案。在軟件上，所有節(jié)點之間都具有自組織能力，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫濕度和光照信號的采集。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總體方案

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式無基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)，通過在封閉的環(huán)境內(nèi)隨便布置傳感器節(jié)點，傳感器各節(jié)點之間能夠自行協(xié)調(diào)并迅速組建網(wǎng)絡(luò)，以獲取監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計

2.1 傳感節(jié)點設(shè)計

數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源這4部分構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。其中，數(shù)據(jù)采集單元通過傳感器負(fù)責(zé)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的待測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)處理單元由MSP430F149單片機實現(xiàn)對傳感器采集數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲；無線傳輸單元負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點之間通信；電源選取高容量的電池，以確保傳感器節(jié)點的微型化和長時間工作。傳感器節(jié)點設(shè)計如圖2所示。

2.1.1 傳感探測單元

實驗中分別對溫度、濕度和光強進(jìn)行探測，溫濕度探測選用DHT11單總線數(shù)字式溫濕度復(fù)合傳感器，該傳感器測量溫度范圍為0～50℃，濕度20%～90%（RH），測量溫度誤差為±2℃，濕度誤差為±5%（RH）。光強度的探測選用BH1750數(shù)字式光照度檢測儀，是一種利用I2C總線接口的集成電路，可以監(jiān)測環(huán)境的光線強度數(shù)據(jù)。

2.1.2 微控制單元

本次設(shè)計選用CPU 16位低功耗的MSP430F149單片機，工作電壓為1.8～3.6 V，12位ADC，2個16位計數(shù)器，具有片內(nèi)比較器，2個串行接口，從待機模式到工作模式，只需6 μs的時間。

其主要實現(xiàn)溫度、濕度和感光強度探測數(shù)據(jù)的處理，同時為無線收發(fā)芯片nRF401提供工作狀態(tài)控制線和單向串行傳輸數(shù)據(jù)線；合理地設(shè)置傳感器工作和待機狀態(tài)，從而延長電池使用壽命。

2.1.3 無線傳輸單元

無線收發(fā)模塊選用挪威北歐集成電路公司推出的無線射頻通信nRF401微功率芯片，最大發(fā)射功率為10 mW。nRF401有兩個工作頻寬433.92MHz/434.33MHz，基于FSK的調(diào)制方式，采用高效前向糾錯信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機干擾的能力，可靠傳輸距離可達(dá)300～4000 m，其最高傳輸速率可達(dá)20 kb/s，較其他類別射頻收發(fā)芯片外圍電路設(shè)計簡單，射頻信號輸出設(shè)計采用環(huán)形差分輸出天線。

2.1.4 供電單元

隨著大規(guī)模集成電路工藝的改進(jìn)，在傳感器節(jié)點中目前耗能最大的模塊就是無線傳輸模塊。但是，為了實現(xiàn)傳感器節(jié)點設(shè)計的小型化，本次設(shè)計節(jié)點采用兩節(jié)5號電池供電，只要能合理的設(shè)置節(jié)點的接收、發(fā)射和待機，就可以延長電池的使用壽命。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實物如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)匯集點設(shè)計

數(shù)據(jù)匯集點用于傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)與處理中心或外部網(wǎng)絡(luò)的連接，匯聚節(jié)點組成框圖示意圖如圖4所示。圖4中，主要由微處理器MSP430F149單片機和無線收發(fā)模塊nRF401芯片組成。

3 軟件設(shè)計流程

傳感器節(jié)點采用MSP430F149單片機作為處理器，MSP430F149單片機支持匯編語言和C語言程序設(shè)計，由于C語言具有編程簡單，兼容程度高，因此，本系統(tǒng)采用C語言開發(fā)程序。圖5為傳感器節(jié)點的工作流程。

4 結(jié)束語

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量大，只有實現(xiàn)節(jié)點的微型化與低成本才有可能大規(guī)模部署與應(yīng)用。

對于目標(biāo)跟蹤與位置服務(wù)一致的應(yīng)用來說，部署無線傳感器節(jié)點越密，定位精度就越高。同時，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的部署區(qū)域復(fù)雜，有些區(qū)域工作人員不能到達(dá)，因此傳感器節(jié)點通過更換電池補充能量是不實際的。無線傳感器節(jié)點面臨的最大挑戰(zhàn)就是如何高效使用有限的電池能量。

參考文獻(xiàn)：

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