| 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。它集成了傳感器、微機(jī)電和無線通信三大技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的對(duì)象信息，并發(fā)送給觀察者；具有覆蓋區(qū)域廣、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、監(jiān)測精度高、布網(wǎng)快速和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、環(huán)保、醫(yī)療保健、空間探索、工業(yè)監(jiān)控、精細(xì)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均有非常良好的應(yīng)用前景。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括若干傳感器終端節(jié)點(diǎn)、一個(gè)sink節(jié)點(diǎn)和一套后臺(tái)監(jiān)控軟件。其中，傳感器終端節(jié)點(diǎn)具有本地?cái)?shù)據(jù)采集傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的雙重功能，可以在后臺(tái)管理軟件和sink節(jié)點(diǎn)的控制下采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳路由傳輸?shù)絪ink節(jié)點(diǎn)；sink匯聚節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的中心，具有協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)的作用，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的配置、管理和數(shù)據(jù)的匯集，并負(fù)責(zé)與用戶pc機(jī)后臺(tái)管理軟件的通信。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的硬件一般包括處理單元、無線傳輸單元、傳感采集單元和電源供應(yīng)單元。其中，處理單元負(fù)責(zé)控制傳感器節(jié)點(diǎn)的操作以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理；傳感采集單元負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集；無線傳輸單元負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間的無線通信；電源供應(yīng)單元負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)供電。sink節(jié)點(diǎn)功能更多，除包含上述功能單元以外，還包含與后臺(tái)監(jiān)控通信的接口單元。本文用串口作為sink節(jié)點(diǎn)與后臺(tái)監(jiān)控軟件的通信接口。
本設(shè)計(jì)中處理單元采用了ti公司的16位低功耗單片機(jī)msp430f1611，無線傳輸單元采用低功耗無線收發(fā)模塊cc1100，傳感采集單元采用溫濕度傳感器dht90，電源模塊采用兩節(jié)普通7號(hào)電池。此外，考慮到很多數(shù)據(jù)具有時(shí)間相關(guān)性，本設(shè)計(jì)還加入了實(shí)時(shí)時(shí)鐘ds1337構(gòu)成的時(shí)間控制單元。
2.1 處理單元
msp430f1611突出的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)極低的功耗。它有5種可編程的工作模式，其中活動(dòng)模式下工作電流僅需280μa，lpm4模式下僅需0.1 μa。msp30f1611內(nèi)部具有44 kb的flash存儲(chǔ)器和10 kb的ram，以及豐富的外設(shè)。本文中，msp430f1611使用i2c接口連接rtc，spi接口連接無線收發(fā)模塊，uart接口連接串口通信單元。
2.2 無線收發(fā)單元
無線收發(fā)單元選用chipcon公司的cc1100射頻芯片。該芯片體積小，功耗低，數(shù)據(jù)速率支持1.2～500 kbps的可編程控制，可以工作在915 mhz、868 mhz、433mhz、315 mhz四個(gè)波段，在所有頻段提供-30～10 dbm輸出功率。本文中cc1100工作在433 mhz的頻率上，采用fsk調(diào)制方式，數(shù)據(jù)速率為100 kbps，信道間隔為200khz。
cc1100與單片機(jī)采用spi接口連接，原理圖如圖4所示。spi總線接口技術(shù)是一種高速、高效率的串行接口技術(shù)，主要用于擴(kuò)展外設(shè)和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。msp430上spi接口的詳細(xì)介紹和實(shí)現(xiàn)方式請(qǐng)參考文獻(xiàn)[2]。
下面是利用spi與msp430f1611通信的示例代碼。
(1) 往cc1100指定寄存器寫入一個(gè)數(shù)值
(2) 讀單個(gè)寄存器值
2.3 數(shù)據(jù)采集單元
節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集單元可以根據(jù)實(shí)際需要和被監(jiān)測物理信號(hào)特征選擇合適的傳感器，如光照、壓力、振動(dòng)、溫度、濕度、土壤鹽堿度等。
本文數(shù)據(jù)采集單元采用了sensirion公司的數(shù)字式溫濕度傳感器dht90。dht90集成了溫度／濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理器、a／d轉(zhuǎn)換器和總線接口，能夠進(jìn)行全校準(zhǔn)數(shù)字輸出，可以直接提供溫度在-40℃～120℃范圍內(nèi)、分辨率為14位、濕度在0～100％rh范圍內(nèi)且分辨率為12位的數(shù)字輸出。
2.4 時(shí)間控制單元
時(shí)間控制單元用于設(shè)置、記錄數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，以便后臺(tái)用戶能夠依靠采集時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文選用maxim公司的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片ds1337作為時(shí)間控制單元。ds1337可以工作在1.8～5.5 v，并且具有很低的功耗，在休眠模式下僅需要15 μa。
2.5電源供應(yīng)單元
本文采用兩節(jié)7號(hào)堿性南孚電池為整個(gè)節(jié)點(diǎn)供電。為了能夠及時(shí)獲取節(jié)點(diǎn)電池的電量狀況，并根據(jù)電池的剩余電量狀況和放電特性來調(diào)整節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)，本文利用msp430f1611芯片內(nèi)部集成的adc12模塊測量電源正極電平值，并通過將所測電平值與參考電平進(jìn)行比較，得到轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)nadc，最后電源的電壓vin可以由下式得出：
| 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。它集成了傳感器、微機(jī)電和無線通信三大技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的對(duì)象信息，并發(fā)送給觀察者；具有覆蓋區(qū)域廣、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、監(jiān)測精度高、布網(wǎng)快速和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、環(huán)保、醫(yī)療保健、空間探索、工業(yè)監(jiān)控、精細(xì)農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均有非常良好的應(yīng)用前景。
1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括若干傳感器終端節(jié)點(diǎn)、一個(gè)sink節(jié)點(diǎn)和一套后臺(tái)監(jiān)控軟件。其中，傳感器終端節(jié)點(diǎn)具有本地?cái)?shù)據(jù)采集傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的雙重功能，可以在后臺(tái)管理軟件和sink節(jié)點(diǎn)的控制下采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳路由傳輸?shù)絪ink節(jié)點(diǎn)；sink匯聚節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的中心，具有協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)的作用，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的配置、管理和數(shù)據(jù)的匯集，并負(fù)責(zé)與用戶pc機(jī)后臺(tái)管理軟件的通信。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的硬件一般包括處理單元、無線傳輸單元、傳感采集單元和電源供應(yīng)單元。其中，處理單元負(fù)責(zé)控制傳感器節(jié)點(diǎn)的操作以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理；傳感采集單元負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集；無線傳輸單元負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)間的無線通信；電源供應(yīng)單元負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)供電。sink節(jié)點(diǎn)功能更多，除包含上述功能單元以外，還包含與后臺(tái)監(jiān)控通信的接口單元。本文用串口作為sink節(jié)點(diǎn)與后臺(tái)監(jiān)控軟件的通信接口。
本設(shè)計(jì)中處理單元采用了ti公司的16位低功耗單片機(jī)msp430f1611，無線傳輸單元采用低功耗無線收發(fā)模塊cc1100，傳感采集單元采用溫濕度傳感器dht90，電源模塊采用兩節(jié)普通7號(hào)電池。此外，考慮到很多數(shù)據(jù)具有時(shí)間相關(guān)性，本設(shè)計(jì)還加入了實(shí)時(shí)時(shí)鐘ds1337構(gòu)成的時(shí)間控制單元。
2.1 處理單元
msp430f1611突出的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)極低的功耗。它有5種可編程的工作模式，其中活動(dòng)模式下工作電流僅需280μa，lpm4模式下僅需0.1 μa。msp30f1611內(nèi)部具有44 kb的flash存儲(chǔ)器和10 kb的ram，以及豐富的外設(shè)。本文中，msp430f1611使用i2c接口連接rtc，spi接口連接無線收發(fā)模塊，uart接口連接串口通信單元。
2.2 無線收發(fā)單元
無線收發(fā)單元選用chipcon公司的cc1100射頻芯片。該芯片體積小，功耗低，數(shù)據(jù)速率支持1.2～500 kbps的可編程控制，可以工作在915 mhz、868 mhz、433mhz、315 mhz四個(gè)波段，在所有頻段提供-30～10 dbm輸出功率。本文中cc1100工作在433 mhz的頻率上，采用fsk調(diào)制方式，數(shù)據(jù)速率為100 kbps，信道間隔為200khz。
cc1100與單片機(jī)采用spi接口連接，原理圖如圖4所示。spi總線接口技術(shù)是一種高速、高效率的串行接口技術(shù)，主要用于擴(kuò)展外設(shè)和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。msp430上spi接口的詳細(xì)介紹和實(shí)現(xiàn)方式請(qǐng)參考文獻(xiàn)[2]。
下面是利用spi與msp430f1611通信的示例代碼。
(1) 往cc1100指定寄存器寫入一個(gè)數(shù)值
(2) 讀單個(gè)寄存器值
2.3 數(shù)據(jù)采集單元
節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集單元可以根據(jù)實(shí)際需要和被監(jiān)測物理信號(hào)特征選擇合適的傳感器，如光照、壓力、振動(dòng)、溫度、濕度、土壤鹽堿度等。
本文數(shù)據(jù)采集單元采用了sensirion公司的數(shù)字式溫濕度傳感器dht90。dht90集成了溫度／濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理器、a／d轉(zhuǎn)換器和總線接口，能夠進(jìn)行全校準(zhǔn)數(shù)字輸出，可以直接提供溫度在-40℃～120℃范圍內(nèi)、分辨率為14位、濕度在0～100％rh范圍內(nèi)且分辨率為12位的數(shù)字輸出。
2.4 時(shí)間控制單元
時(shí)間控制單元用于設(shè)置、記錄數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，以便后臺(tái)用戶能夠依靠采集時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本文選用maxim公司的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片ds1337作為時(shí)間控制單元。ds1337可以工作在1.8～5.5 v，并且具有很低的功耗，在休眠模式下僅需要15 μa。
2.5電源供應(yīng)單元
本文采用兩節(jié)7號(hào)堿性南孚電池為整個(gè)節(jié)點(diǎn)供電。為了能夠及時(shí)獲取節(jié)點(diǎn)電池的電量狀況，并根據(jù)電池的剩余電量狀況和放電特性來調(diào)整節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)，本文利用msp430f1611芯片內(nèi)部集成的adc12模塊測量電源正極電平值，并通過將所測電平值與參考電平進(jìn)行比較，得到轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)nadc，最后電源的電壓vin可以由下式得出：
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