基于TinyOS的嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡設計

　　2．1 數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊直接與外界接觸進行信息感知和采集。它將采集的物理量通過積分、放大電路的整形處理后經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送給處理器。

　　2．2 數(shù)據(jù)處理和控制模塊

　　數(shù)據(jù)處理和控制模塊是傳感器節(jié)點的核心，它主要實現(xiàn)設備控制、任務調(diào)度、資源管理等功能。作為硬件平臺的中心模塊，應該具有集成度高，功耗低，運行速度快，I／O和擴展接口多等特點，并應適應整個網(wǎng)絡的需要?；谝陨显?，可以采用TI公司的 MSP430系列超低功耗處理器、高效的16位．RISC CPU確保任務的快速執(zhí)行，以縮短工作時間；可以從睡眠模式到活動模式的6μs轉(zhuǎn)換時間延長待機時間，降低電池的功耗；集成12位A／D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、FLASH程序存儲器和2 KB RAM，具有豐富的端口資源，可以與各種傳感器連接。

　　2．3 通信模塊

　　無線收發(fā)模塊主要完成傳感器節(jié)點之間、節(jié)點與無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)交換功能，這里采用Nordic公司的nRF24E1芯片。nRF24E1內(nèi)部集成了2．4 GHz的nRF2401無線收發(fā)器，其增強型8051內(nèi)核和9輸入的10位A／D轉(zhuǎn)換器無線收發(fā)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)點對點、點對多點的無線通信，具有體積小，功耗低和外圍電路簡單等特點。對于無線傳感器網(wǎng)絡中的一些只實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳送功能的節(jié)點可以由nRF24E1內(nèi)嵌的8051單片機進行控制處理，所以可直接采用nRF24E1和傳感器模塊構(gòu)成傳感器節(jié)點。然而，對于數(shù)據(jù)處理要求高，功能復雜，計算量大，要為通信協(xié)議、功能協(xié)調(diào)、應用處理等提供硬件支持的節(jié)點(如網(wǎng)關(guān)節(jié)點)，則采用MSP430作為處理器，nRF24E1作為無線通信模塊，其連接圖如圖3所示。

　　通過配置特殊寄存器，可使nRF24E1工作在ShockBurst無線方式。數(shù)據(jù)低速輸入高速發(fā)送，功耗極低，并可通過軟件控制開關(guān)進一步降低能耗。用 MSP430的P1口控制nRF24E1，通過配置CE，PWR，CS三個控制管腳，使芯片工作在不同的模式。當nRF24E1工作在發(fā)送方式時，接口引腳為CE，CLK1和DATA；當CPU請求發(fā)送數(shù)據(jù)時，置CE為高電平。此時，將接收機地址和有效載荷數(shù)據(jù)送入nRF24E1，置CE為低電平，激活 ShockBurst發(fā)射；當nRF24E1工作在接收方式時，接口引腳為CE，DR1，CLK1和DATA。在正確設置射頻包輸入載荷的地址和大小后，置CE為高電平。此后，nRF24E1監(jiān)測信息輸入，若收到有效數(shù)據(jù)包，則給處理器一個中斷，并置DR1為高電平，使處理器將有效載荷數(shù)據(jù)取走，待系統(tǒng)收到全部數(shù)據(jù)后再置DR1為低。此時，如果CE保持高電平，則等待新的數(shù)據(jù)包；若CE置低電平，則開始其他工作流程。

　　2．4 電源模塊

　　傳感器網(wǎng)絡能量有限，目前主要解決節(jié)約電能的方法是采用休眠機制，即節(jié)點在沒有事件發(fā)生時盡快進入休眠狀態(tài)；而在有事件發(fā)生時及時自動醒來，并喚醒鄰居節(jié)點，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓撲結(jié)構(gòu)。在光線充足的地方采用太陽能電池代替化學電池，使節(jié)點有更長的工作時間。