無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 設(shè)計(jì)了一種具有質(zhì)量輕、體積小、低成本、低能耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)由MSP430單片機(jī)、CC2420射頻收發(fā)器、FT232BM轉(zhuǎn)換芯片、SHT11溫度濕度傳感器、外圍芯片、電源電路以及JTAG調(diào)試接口組成。通過JTAG調(diào)試，以及安裝TinyOS操作系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)較好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、無線傳輸以及無線網(wǎng)絡(luò)功能。
關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；無線傳感器節(jié)點(diǎn)；MSP430；CC2420；SHT11，TinyOS

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合傳感器、嵌入式、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及無線通信、分布式信息處理等多種綜合性的技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠廣泛用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械控制、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機(jī)場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域。文中設(shè)計(jì)了一種無線傳感器節(jié)點(diǎn)，硬件設(shè)計(jì)基于Moteiv方案，采用超低功耗單片機(jī)MSP430F1611作為數(shù)據(jù)處理芯片，以CC2420無線射頻芯片作為收發(fā)芯片，并擁有JTAG以及其他擴(kuò)展接口。通過硬件測試以及軟件調(diào)試該節(jié)點(diǎn)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

1 系統(tǒng)概述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由傳感器采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理芯片負(fù)責(zé)接收和處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過無線射頻芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸與接收以及無線組網(wǎng)功能。USB接口可以作為電源以及編程接口，一線硅序列號可作為節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識，F(xiàn)la sh芯片用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，JTAG口用于調(diào)試與編程。

2 硬件設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)主要由6部分組成：電源單元、無線射頻模塊、傳感器模塊、USB通信模塊和微處理器。
2．1 電源單元
傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量有限的電池。能量供應(yīng)模塊在無線傳感器節(jié)點(diǎn)中至關(guān)重要，為傳感器節(jié)點(diǎn)各部分提供能量。需要長時(shí)間數(shù)據(jù)采集的傳感器有的需要太陽能等方式來維持節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。節(jié)點(diǎn)的各部分也需要精心設(shè)計(jì)。節(jié)點(diǎn)微處理器的工作電壓為1．8～3．6 V，無線射頻芯片工作電壓為2．1～3．6 V，F(xiàn)lash供電電壓為2．7～3．6 V，USB轉(zhuǎn)換芯片由USB供電。因此電源可以選用3 V紐扣電池供電，有效減少了節(jié)點(diǎn)的大小。另外USB也可以作為供電源，同時(shí)作為編程電源，電源單元如圖2所示。LC濾波單元對交流電具有較好的濾波效果，同時(shí)又不會(huì)降低直流輸出電壓。低壓差的穩(wěn)壓器ADP3339保證了電源較好的穩(wěn)壓性。

2．2 無線射頻模塊
節(jié)點(diǎn)中的無線收發(fā)機(jī)，采用Chipcon公司推出的一款兼容2．4GHz IEEE 802．15．4的無線收發(fā)芯片CC2420。它基于Chipeon公司的Smart RF03技術(shù)，使用0．18μm CMOS工藝生產(chǎn)，具有較高的集成度。該芯片體積小、功耗低，具有完全集成的壓控振蕩器，只需天線、16 MHz晶體等少量外圍電路就能在2．4GHz頻段上工作。CC2420采用O—QPSK調(diào)制方式；超低電流消耗，接收靈敏度可達(dá)到-94dBm，抗鄰道干擾能力強(qiáng)，其選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250 kbit·s-1，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

圖3中無線射頻模塊的外圍電路采用CC2420手冊提供的典型應(yīng)用電路的器件數(shù)值，這樣保證了芯片能工作在正常狀態(tài)。另外為達(dá)到最優(yōu)性能，必須使用電源去耦，去耦電容和電源過濾的設(shè)置和大小對于在應(yīng)用中獲得最優(yōu)性能起著關(guān)鍵作用，TI提供一個(gè)緊湊的參考設(shè)計(jì)，必須嚴(yán)格按照該設(shè)計(jì)進(jìn)行。同時(shí)增加數(shù)字、模擬電源采用電容濾波。CC2420需要一個(gè)16 MHz的參考時(shí)鐘用于傳輸速率為250 kbit·s-1的數(shù)據(jù)收發(fā)，參考時(shí)鐘可以來自外部時(shí)鐘源，也可以由內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生，這里采用內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生的方式。天線阻抗匹配至關(guān)重要，為獲得較好的發(fā)射功率，在原有基礎(chǔ)上對部分電容、電感進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。CC2420與微控制器的通信通過4線SPI總線實(shí)現(xiàn)(SI、SO、SCLK、CSn)，通過控制FIFO和FIFOP管腳接口狀態(tài)可以使芯片工作在發(fā)射或接收模式，另外CCA用于空閑信道評估，SFD用于控制時(shí)鐘或定時(shí)信息的輸入。