|
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN(wireless sensor network)是一種自組織網(wǎng)絡(luò )，它由大量低成本、資源有限的傳感節點(diǎn)設備組成，節點(diǎn)間協(xié)同工作實(shí)現某一特定任務(wù)。由于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )所具有的易擴展、自組織、分布式結構和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的應用已經(jīng)由軍事領(lǐng)域擴展到其他許多領(lǐng)域，例如環(huán)境監測、氣候監測、目標追蹤、工業(yè)自動(dòng)化等方面，此外還為未來(lái)的遠程醫療和空間探索提供了很大的應用空間。 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構如圖1所示，通常包括傳感器節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)(sinknode)、外部網(wǎng)絡(luò )和用戶(hù)界面。大量傳感器節點(diǎn)隨機部署在感知區域(SensoRField)內部或附近，能夠通過(guò)自組織方式構成網(wǎng)絡(luò )，傳感器節點(diǎn)將采集到的數據沿著(zhù)其他傳感器節點(diǎn)逐跳進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中所采集的數據可能被多個(gè)節點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳路由后到匯聚節點(diǎn)，再由匯聚節點(diǎn)通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò )把數據傳送到處理中心進(jìn)行集中處理。 1 系統硬件設計 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )終端節點(diǎn)的硬件一般包括數據處理單元、無(wú)線(xiàn)傳輸單元、傳感采集單元和電源供應單元。如圖2所示，傳感采集單元可以根據應用背景選擇相應的測量物理量的傳感器，電源供應單元部分由于系統大部分處于低功耗模式，可以采用7號電池解決。下面著(zhù)重介紹數據處理單元、無(wú)線(xiàn)傳輸單元。 1．1 數據處理單元 MSP430是具有超低功耗特點(diǎn)的16位單片機，本方案選用MSP430F148，其功耗電流已經(jīng)達到了μA級。16位CPU和高效的RISC指令系統，無(wú)外擴的數據地址總線(xiàn)，在8MHz時(shí)可達到125ns的指令周期，具有16個(gè)快速響應中斷，能及時(shí)處理各種緊急事件。豐富的片內外圍功能模塊：12位的A／D轉換器ADC12內包括采樣／保持功能的ADC內核、轉換存儲邏輯、內部參考電平發(fā)生器、多種時(shí)鐘源、采樣及轉換時(shí)序電路。有8個(gè)外通道，4個(gè)內通道，高達200kbps的采樣速率，多種采樣方式。兩路USART通信串口，可用于UART和SPI模式；片內有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器，6個(gè)并行口P1～P6，48條I／O口線(xiàn)，其具有64KB的閃存，用于存儲采集數據。 1．2 無(wú)線(xiàn)傳輸單元 本系統采用2．4GHz無(wú)線(xiàn)單片收發(fā)芯片NRF2401，它具有體積小、功耗低，外設少的特點(diǎn)，非常適合于無(wú)線(xiàn)傳輸應用系統。nRF2401可以由SPI接口與微處理器連接，通過(guò)這個(gè)接口完成設置和收發(fā)數據工作。許多單片機都集成了SPI控制器，例如MSP430，可以非常方便地通過(guò)軟件設置最多40bit地址，只有收到本機地址時(shí)才會(huì )輸出數據(提供一個(gè)中斷指示)，并且支持點(diǎn)對多點(diǎn)的操作，編程很方便。nRF2401與單片機采用SPI接口連接，原理圖如圖3所示。SPI總線(xiàn)接口技術(shù)是一種高速、高效率的串行接口技術(shù)，主要用于擴展外設和進(jìn)行數據交換。 2 軟件設計 軟件開(kāi)發(fā)以IAR Workbench V3．1為平臺，采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件編程的基本思路是：先對SPI、nRF2401控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，對nRF2401芯片初始化；開(kāi)啟接收機后，就可以運行任務(wù)程序了，以實(shí)現接收或發(fā)送數據，對nRF2401操作流程如下： nRF2401有4種工作模式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三個(gè)引腳決定。對nRF2401的操作主要是配置其工作方式和讀寫(xiě)數據，所有配置命令字和數據都是通過(guò)同步串行口的CLK和DATA兩個(gè)引腳完成的。要將nRF2401設置于ShockBurstTM方式，首先使PWR_UP引腳為高電平，CE引腳為低電平。配置字從最高位開(kāi)始，依次送入nRF2401，CLK下降沿鎖定數據。配置命令字發(fā)送完后，在CS的下降沿按新配置字的設置開(kāi)始工作。使用nRF2401進(jìn)行發(fā)送數據時(shí)，采用以下的步驟：1)CE置高，使nRF2401開(kāi)始工作；2)逐位寫(xiě)入接收機的地址；3)逐位寫(xiě)入要傳送的數據；4)CE置低，激發(fā)nRF2401進(jìn)行ShockBurstTM發(fā)射。nRF2401的ShockBurstTM發(fā)射過(guò)程是：給射頻前端供電，射頻數據打包(加字頭、CRC校驗碼)，高速發(fā)射數據包，發(fā)射完成，nRF2401進(jìn)入空閑狀態(tài)。nRF2401的接口模塊引腳包括CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)，接收端依照以下流程進(jìn)行數的接收：1)配置本機地址和即將接收的數據包大��；2)進(jìn)入接收狀態(tài)，CE置高；3)200μs后，nRF2401進(jìn)入監視狀態(tài)，等待數據包的到來(lái)；4)當接收到正確的數據包時(shí)，nRF2401自動(dòng)除去字頭、地址和CRC；5)nRF2401通過(guò)把DR1(可用作中斷信號)置高來(lái)通知微控制器；6)微控制器把數據從nRF2401逐位移出；7)所有數據移完，nRF2401把DR1置低，此時(shí)如果CE為高，則等待下一個(gè)數據包，如果CE為低，開(kāi)始其他工作流程。 程序中用到的部分代碼如下： 考慮到點(diǎn)對多點(diǎn)通信的可靠性，數據在底層無(wú)線(xiàn)傳輸中需要增加必要的協(xié)議規范。設計中對有效數據進(jìn)行打包，格式為：前導碼、地址、有效數據載荷、校驗碼。 3 結束語(yǔ) 基于MSP430和NRF2401的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計在實(shí)驗中表現出比較好的效果，可以實(shí)現監測區域內信號的采集傳輸與處理。但是由于射頻芯片本身的原因，傳輸距離會(huì )受到障礙物的影響和設置頻率而有變化，這些問(wèn)題都有待更深入的研究。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的成熟無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用必將廣泛深入環(huán)境監測、目標追蹤、工業(yè)自動(dòng)化等各領(lǐng)域。 |
