一種通用型無線傳感器節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

鄧洲++劉漢奎++鄧翠蘭

摘要：以MSP430F169芯片為控制核心，設(shè)計(jì)了構(gòu)建通用型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚網(wǎng)關(guān)。傳感器節(jié)點(diǎn)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，提供了I2C、UART、SPI以及模擬信號(hào)等四種接口類型，可以掛接主流的商用傳感器，完成光強(qiáng)、溫濕度、PH值、地理位置等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集.采集的數(shù)據(jù)以無線通信方式傳至匯聚網(wǎng)關(guān)，進(jìn)而以有線的方式傳到數(shù)據(jù)中心。傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)和指令交換采用NRF24L01射頻模塊來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場測試證明傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)是可靠的，能穩(wěn)定地傳回至匯聚網(wǎng)關(guān)。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò) 通用架構(gòu) 傳感器節(jié)點(diǎn) MSP430F169

中圖分類號(hào)：TP212.9；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）12-0039-02

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）具有強(qiáng)大的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制功能，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、交通、安全、搶險(xiǎn)、醫(yī)療保健、以及環(huán)境控制等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。隨著架構(gòu)和維護(hù)成本的不斷降低，對WSN的研究和應(yīng)用興趣也在日益增漲。特別是近年來，研究者設(shè)計(jì)和驗(yàn)證了一些應(yīng)用于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、災(zāi)害預(yù)警、環(huán)境監(jiān)控方面的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。但是，由于這些網(wǎng)絡(luò)都是針對某一特定應(yīng)用場景設(shè)計(jì)的，因而無論是傳感器節(jié)點(diǎn)還是匯聚網(wǎng)關(guān)的硬件都具有專屬性，滿足不同應(yīng)用需求的WSN在硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)、通信協(xié)議等方面的差異是極為明顯的。這種差異會(huì)使得WSN通用性差、功能擴(kuò)展難。目前商用傳感器種類繁多、功能強(qiáng)大，但接口類型也較多[3-5]。為使WSN應(yīng)用更多樣，功能易擴(kuò)展，WSN的硬件必須支持各種接口的傳感器。

本文以建構(gòu)開放式WSN為目標(biāo)，首先設(shè)計(jì)了兼容性強(qiáng)、功能易擴(kuò)展的WSN節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)利用功能強(qiáng)大的MSP430F169芯片為控制核心，全面支持I2C，UART，SPI以及模擬輸入，方便用戶按需選配外接傳感器，實(shí)現(xiàn)功能標(biāo)準(zhǔn)化擴(kuò)展。其次，基于MSP430F169芯片設(shè)計(jì)了匯聚網(wǎng)關(guān)，通過射頻通信，實(shí)現(xiàn)對周圍WSN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集和指令下行。這種設(shè)計(jì)易于通過上層應(yīng)用軟件調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、控制節(jié)點(diǎn)功耗、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

如圖1所示，通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)由六個(gè)部分組成：傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊、顯示模塊、GPS模塊以及中央控制單元。傳感器模塊主要是基于統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，集成多種傳感器電路，采集感興趣的特征數(shù)據(jù)，并送給中央控制單元進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。無線通信模塊將中央控制單元處理過的采集數(shù)據(jù)以無線方式上行至匯聚網(wǎng)關(guān)；同時(shí)也接收匯聚網(wǎng)關(guān)下行至節(jié)點(diǎn)的控制命令。顯示模塊用于節(jié)點(diǎn)功能檢測時(shí)的實(shí)時(shí)顯示。GPS模塊提供節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前位置信息。電源模塊提供整個(gè)節(jié)點(diǎn)的供電和節(jié)能管理。中央控制單元負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和控制其它模塊的工作。

2.1 中央控制單元

中央控制單元選用TI公司的16位超低功耗MSP430F169芯片為控制核心，兩個(gè)外接晶振頻率分別為32.768kHz和8MHz[6]。該芯片提供ACLK、MCLK和SMCLK三種時(shí)鐘信號(hào)。為了合理使用系統(tǒng)電源，盡可能降低整個(gè)系統(tǒng)功耗，在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，并通過程序進(jìn)行低頻/高頻設(shè)置。本設(shè)計(jì)中，無線通信模塊、光強(qiáng)傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊以及PH值模塊分別采用8MHz、32.768kHz、1MHz、0.8MHz的MCLK信號(hào)時(shí)鐘。同時(shí)，該芯片的12位A/D轉(zhuǎn)換口用于PH值的模數(shù)轉(zhuǎn)換.定時(shí)器用于無線通信模塊的收發(fā)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)。

2.2 傳感器模塊

考慮到目前商用傳感器的接口模式主要有I2C、UART、SPI等，采集數(shù)據(jù)絕大多數(shù)以數(shù)字信號(hào)形式輸出，因而在節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊設(shè)計(jì)中采用CD4052和CD4097多路復(fù)用器對節(jié)點(diǎn)通信接口進(jìn)行擴(kuò)展和標(biāo)準(zhǔn)化[7]。這兩種復(fù)用器與中央控制單元MSP430F169的2個(gè)USART和12位AD轉(zhuǎn)換電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)支持8路I2C、8路UART、4路SPI以及2路模擬輸入。I2C和UART接口電路如圖2所示，采用兩個(gè)八選一多路復(fù)用器CD4097協(xié)同實(shí)現(xiàn)。P1-P8接口（為清晰起見，圖2中僅給出了P1和P2的連接）均采用六線制，每個(gè)接口的2、3引腳分別依次連接第一個(gè)CD4097的X0-X7和Y0-Y7，提供I2C接口。每個(gè)接口的4、5引腳分別依次連接第二個(gè)CD4097的X0-X7和Y0-Y7，提供UART接口。每個(gè)CD4097的A、B、C三個(gè)引腳提供一個(gè)3位的二進(jìn)制比特組合，每個(gè)組合將可選通P1-P8中的一個(gè)I2C或UART接口。同理，采用一個(gè)四選一多路復(fù)用器CD4052可實(shí)現(xiàn)SPI接口電路，如圖3所示。圖3給出了4路六線制SPI接口（為清晰起見，圖3中僅給出了P11和P12的連接），2、3引腳分別為SDO和SDI，4引腳連接到主控單元P5.3引腳，獲得時(shí)鐘（CLK）信號(hào)；5引腳連接到主控單元P5.0引腳，提供SPI的片選（CS）使能信號(hào)。圖4給出了2路模擬輸入接口電路。

2.3 無線通信模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)和指令傳遞通過無線傳輸方式實(shí)現(xiàn)。為保證高速和低能耗的要求，采用工作在2.4～2.5GHz頻段NRF24L01射頻模塊，以半雙工方式進(jìn)行通信[8]。該模塊提供125個(gè)頻道，可采用多點(diǎn)通信和跳頻通信，具有很強(qiáng)的抗干擾性，特別適合通訊環(huán)境復(fù)雜的場合。NRF24L01射頻模塊具有四種工作模式，其中收發(fā)模式又有三設(shè)置，最高傳輸速率達(dá)2Mbps。在發(fā)射模式下，當(dāng)發(fā)射功率為0dBm時(shí)，電流消耗僅為11.3mA；在接收模式下，僅為12.3mA；在關(guān)機(jī)模式下，僅為1uA。

2.4 定位模塊

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)既可應(yīng)用于固定場所，也可根據(jù)需要臨時(shí)布暑。在很多實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)除收集和發(fā)回監(jiān)測數(shù)據(jù)外，往往還需附加相應(yīng)的地理信息數(shù)據(jù)。借助一些數(shù)學(xué)處理模型和分析方法，將能準(zhǔn)確地給出一個(gè)區(qū)域內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)的連續(xù)分布情況，而不僅僅限于直接布暑了傳感器節(jié)點(diǎn)的有限離散點(diǎn)。為此，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，采用了ATK-NEO-6MGPS定位模塊[9]，定位精度達(dá)到2.5mCEP，捕獲靈敏度達(dá)-161dBm，更新速率達(dá)5Hz。定位模塊工作電壓為5v，由電源模塊提供，而且兼容單片機(jī)系統(tǒng)。

2.5 電源模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)的電源模塊設(shè)計(jì)成雙電源供電，即可用干電池，也可用太陽能（或風(fēng)力）發(fā)電設(shè)備供電。輸入電源經(jīng)LM1117MP-3.3和LM1117IMPX-5.0穩(wěn)壓后，分別輸出3.3V和5V電壓。3.3V為中央控制單元MSP430F169和射頻通信模塊NRF24L01供電；5V為GPS定位模塊、復(fù)用器CD4097和CD4052、傳感器模塊接口以及液晶顯示模塊等電路供電。為使整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)更節(jié)能，電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)體積小、靈敏度高的電子開關(guān)對5V電源進(jìn)行開/關(guān)控制.當(dāng)中央控制單元的P1.0引腳輸出高電平時(shí)，LM1117IMPX-5.0處于工作狀態(tài)，5V電源供電的所有模塊正常工作，采集傳感數(shù)據(jù)；當(dāng)中央控制單元的P1.0引腳輸出低電平時(shí)，5V電源模塊進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)只剩下MSP430F169和NRFL2401工作，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗模式。

3 工作模式

傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成兩種工作模式：自動(dòng)模式和觸發(fā)模式。在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)在初始化后，傳感器節(jié)點(diǎn)按照匯聚網(wǎng)關(guān)下行到節(jié)點(diǎn)的指定周期，周期性的啟動(dòng)外接傳感器采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚網(wǎng)關(guān)，同時(shí)接收匯聚網(wǎng)關(guān)的下行新指令，然后關(guān)閉傳感器模塊、通信模塊和GPS模塊，進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下一周期到來，再次重復(fù)上述過程。在觸發(fā)模式下，傳感器節(jié)點(diǎn)按照匯聚網(wǎng)關(guān)下行到節(jié)點(diǎn)的指定周期，周期性的啟動(dòng)外接傳感器采集數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閥值時(shí)，則啟動(dòng)通訊模塊上傳數(shù)據(jù)至匯聚網(wǎng)關(guān)，否則直接轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，直到下一周期到來，再次重復(fù)上述過程。

4 現(xiàn)場測試

基于MSP430F169的傳感器節(jié)點(diǎn)如圖5所示。節(jié)點(diǎn)測試時(shí)，采用光強(qiáng)傳感器為I2C接口的BH1750，空氣溫濕度傳感器為I2C接口的SHT11，土壤溫濕度傳感器為I2C接口的埋入式SHT11，PH值傳感器為模擬的復(fù)合電極?；贛SP430F169的匯聚網(wǎng)關(guān)如圖6所示。現(xiàn)場測試中，光強(qiáng)范圍為0-5000lx，溫度范圍為10℃-35℃，濕度范圍0-100%RH，PH值范圍為3-10。圖5和6中液晶屏上顯示為實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)。通過軟件調(diào)試，對所有傳感器進(jìn)行初始校準(zhǔn)后，大量實(shí)測數(shù)據(jù)與相應(yīng)專用設(shè)備測得的數(shù)據(jù)幾乎完全一致。傳感器節(jié)點(diǎn)的液晶屏僅用于開發(fā)調(diào)試，在產(chǎn)品化時(shí)，將被去除，實(shí)現(xiàn)微功耗。

5 結(jié)語

以MSP430F169為中央控制核心，設(shè)計(jì)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)關(guān)鍵單元：傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚網(wǎng)關(guān)。兩單元具有電路設(shè)計(jì)簡潔、集成度高、成本低廉、通用性強(qiáng)以及良好的可擴(kuò)展性。傳感器節(jié)點(diǎn)提供I2C、UART、SPI以及模擬信號(hào)等接口類型，可以直接掛接各種主流商用傳感器。對基于傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚網(wǎng)關(guān)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)果表明該網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，能適應(yīng)較為復(fù)雜的通信環(huán)境。

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