基于MSP430和nRF401的無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

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(jī)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(diǎn)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)溫濕度和光照信號(hào)的采集。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)制作的傳感器節(jié)點(diǎn)在信號(hào)采集和傳輸中有較高的實(shí)用性。

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

中圖分類號(hào)： TP 393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 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(jí)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(diǎn)。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(diǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)階段[1]。本研究在硬件上采用低功耗MSP430F149單片機(jī)作為控制芯片，以功能強(qiáng)大、功耗低的nRF401作為無線收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。在軟件上，所有節(jié)點(diǎn)之間都具有自組織能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)溫濕度和光照信號(hào)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(diǎn)，傳感器各節(jié)點(diǎn)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(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

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(diǎn)。其中，數(shù)據(jù)采集單元通過傳感器負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的待測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)處理單元由MSP430F149單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲(chǔ)；無線傳輸單元負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)之間通信；電源選取高容量的電池，以確保傳感器節(jié)點(diǎn)的微型化和長時(shí)間工作。傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1.1 傳感探測(cè)單元

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

2.1.2 微控制單元

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

其主要實(shí)現(xiàn)溫度、濕度和感光強(qiáng)度探測(cè)數(shù)據(jù)的處理，同時(shí)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(jī)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(gè)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(cuò)信道編碼技術(shù)，提高了數(shù)據(jù)抗突發(fā)干擾和隨機(jī)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(jì)簡單，射頻信號(hào)輸出設(shè)計(jì)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(diǎn)中目前耗能最大的模塊就是無線傳輸模塊。但是，為了實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的小型化，本次設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)5號(hào)電池供電，只要能合理的設(shè)置節(jié)點(diǎn)的接收、發(fā)射和待機(jī)，就可以延長電池的使用壽命。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)用于傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jī)和無線收發(fā)模塊nRF401芯片組成。

3 軟件設(shè)計(jì)流程

傳感器節(jié)點(diǎn)采用MSP430F149單片機(jī)作為處理器，MSP430F149單片機(jī)支持匯編語言和C語言程序設(shè)計(jì)，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(diǎn)的工作流程。

4 結(jié)束語

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

對(duì)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(diǎn)越密，定位精度就越高。同時(shí)，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)通過更換電池補(bǔ)充能量是不實(shí)際的。無線傳感器節(jié)點(diǎn)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)：

[1] 史永彬，葉湘斌. 基于MSP430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J]. 單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（7）：5-7，20.

[2] 徐久強(qiáng)，王進(jìn)雷，趙海，等. 基于MSP430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2008（9）：1652-1656.

[3] 郭棟，秦明芝，王偉敏. 基于CC2430的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2011（1）：41-43.

[4] 徐敬東，趙文耀，李淼，等. 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程2010（5）：110-112.

[5] 張春元. 實(shí)時(shí)低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[M]. 儀表技術(shù)與傳感器，2013（1）：89-91.

[6] 曹廣華，王玥，宋鴻遠(yuǎn). 一種低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2016，35（2）：67-71.