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基于情况信息监测的无线传感器网络节点设计

泉源:RFID天下网 更新工夫:-- 阅读

       随着微电子技能,通讯技能的敏捷开展,将传感器技能、盘算机技能与通讯技能相联合的智能传感器以其比拟高的精度、精良的牢靠性、功用的多样性等劣势在进程控制以及信号监测中越来越多地失掉人们的关注,已成为当今国际外研讨的一大热门。本文设计了一种用于对情况信息停止及时监测的无线传感器网络节点,可以对情况参数停止精确的丈量并牢靠传输,充沛表现了传感器零碎的数字化、智能化、无线化的长处。
  该节点的设计以MSP430F1611超低功耗单片机为中心,设置装备摆设旧式的微型低功耗传感器,可及时地对所
测的情况中的温度、湿度、光照强度等参数停止丈量处置。接纳5号电池供电,信息的无线传输可防止远
间隔布线的繁琐,具有较好的布设灵敏性,实用于恶劣情况下肯定地区的情况信息丈量。
  
1 硬件节点设计
  依据无线传感器网络节点办理机制,把节点分红传感器节点、簇头节点和会聚节点3品种型。无线传
感网络的簇头节点和会聚节点次要完成数据接纳和发送功用,因而节点次要由微处置模块和无线通讯模块构成。而传感器节点次要是经过传感器收罗四周情况的数据(温度、湿度、光感度等),然落伍行A/D转换,经处置器处置后由射频模块发送到相邻节点,同时该节点也要实行数据转发功用,即把相邻节点发送的数据发送到会聚节点或离会聚节点更近的节点。整个硬件零碎次要分别为数据收罗、数据处置、无线传输和供电4个模块,硬件节点构造图如图1所示。此中数据收罗模块担任由传感器对四周情况参数信息停止采集;数据处置模块完成数据的剖析、处置和存储功用;无线传输模块担任低功耗短间隔节点间的通讯;供电模块选取体积小、容量高的电池,以确保节点的微型化和短命命。


   1.1 数据收罗模块
  数据收罗模块是使用传感器件收罗情况的温度、湿度、光照强度等参数,然后将收罗到的数据经过
A/D转换送给单片机停止处置。
  1.1.1 温湿度传感器
  温度、湿度的丈量接纳Sensirion公司消费的,具有I2C总线接口的温湿度集成于一体的数字式传感器
SHTll.SHTll为具有二线串行接口的单片全校准数字式新型绝对湿度和温度传感器,可用来丈量绝对湿度
、温度等参数,具无数字式输入、免调试、免标定、免核心电路及全交换等特点。
  微处置器与SHTll的衔接如图2所示,只需用2条I/O口线辨别作为数据线DATA和时钟线SCK,并在DATA端
接入1只上拉电阻,同时在VDD及GND端接入1只去耦电容,经过相应的软件设计,即可完成数据收罗与传输
。

      1.1.2 光照强度传感器
  在丈量太阳光辐照度局部,选用TI公司的TSL230B来丈量情况四周的光照强度。该器件由先辈的
LinCMOS电流频率集成转换器组成。不需求外接元件即可完成高辨别率的光照/频率转换。可将被测情况周围肯定光谱的光照强度转换成电流,再由电流/频率转换器转换成相应的买成频率。输入三角波或许方波的频率完全由光照幅度决议,辨别率较高,可以间接与微处置器相连,其衔接方法如图3所示。S0、S1为该传感器的敏捷度控制端;S2、S3是分频系数选择端;OUT为信号输入端,进入单片机的捕捉输出,经过计算两次捕捉的工夫内计数的数值差,便可以盘算出输入频率值,可以依据输入频率-辐照度干系比较,从
而失掉光芒强度(单元:W/cm2)。


      1.2 微控制器模块
  微控制器是整个节点的中心,其设计功能决议了整个节点任务的功能。MSP430F1611是Texas
Instruments公司开辟的的高集成度、高精度的单芯片零碎,是现在产业界中具有最低功耗的16位RISC混合信号处置器。具有极低的任务电压,在1.8~3.6 V之间均可正常任务;极小的功耗,在话动形式时,任务电流仅需330μA,在休眠形式下只需求1.1μA,在封闭形态仅仅需求0.2μA.MSP430F1611具有丰厚的外设,具有8路12位的A/D,2路12位的D/A转换器,大大简化了零碎的硬件设计,并进步了零碎的性价比。零碎具有3个时钟信号,包罗1个高频时钟,1个低频时钟和1个DCO,灵敏的时钟选择使得零碎可以在最公道的时钟频率下任务,大大低落了零碎的功耗,方便了零碎的设计;它另有着丰厚的核心接口,包罗规范串口,SPI接口,I2C接口,方便衔接多种设置装备摆设。MSP430F1611外部具有10 kB的RAM和48 kB的Fash,富足的存储空间可以包管协议的正常运转,方便协议的设计与完成。别的零碎具有中缀叫醒功用,可以经过中缀使单片机从
休眠形式转为运动形式,十分合适使用于无线传感器网络节点的设计。
  1.3 射频通讯模块
  担负着无线传感器网络节点间的通讯义务。随着集成电路的开展,芯片的集成度越来越高,能耗越来
越少,因而,传感器节点的能量次要是耗费在通讯上。以是,选择一款低能耗的通讯器件将节流节点能量,延伸任务寿命。在本方案设计中选用TI公司的CC2420射频芯片。在无线传感器网络使用中,射频收发器CC2420任务在从机形式,MSP430F1611任务在主机形式,经过SPI接口设置装备摆设CC2420存放器参数和读写缓冲器内的数据,细致的引脚衔接如图4所示。该芯片是一款支持IEEE802.1.5.4、低功耗、任务于2.4 GHz频段、有源RF收发器件。它接纳间接序列扩频(DSSS)技能;250 kb/s无效数据传输速率;低功耗:接纳18.8 mA,发射17.4 mA;低电源电压:运用外部电压调理器时2.1~3.6 V,运用内部电压调理器时1.6~2.0 V;可编程控
制发射功率;独立的128字节发射、接纳数据缓冲器;电池电量监控。  

接图图4 MCU与CC2420引脚衔接图

      CC2420可经过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的任务形式、完成读/写缓存数据及读/写状态存放器等。
  1.4 供电模块
  无线传感器网络普通部署在无人值守或是情况恶劣的地域,有些具有挪动性,以是节点大少数需求采
用电池供电,该项目在元器件的选取中,曾经思索到了只管即便低落零碎的功耗,各模块的供电电压都比拟低,综合比拟,2.4~3.6 V的电压可以使一切模块正常任务。因而,可以接纳2节AA电池停止供电。依照
1.5A/h的电池容量,每隔1 min停止1次温湿度、光照丈量,预算至多可以任务半年。
  1.5 硬件零碎设计要点
  无线传感器网络使用的特别性要求其节点体积越小越好,因而在元器件的选择受骗然是选择同范例中
体积最小的。但是节点体积越小,在设计电路板布线时能够会由于线路间隔太小而发生搅扰,因而抗搅扰设计是节点设计时的重点题目。可以把电路板设计成4层板,未布线的地区用敷铜并接地,CC2420底部通过多个过孔与地层衔接。滤波电容只管即便接近器件安排,同时,为了抗电磁搅扰,最好把数字电源和模仿电源、数字地和模仿地断绝开来,普通可接纳0 Ω电阻或磁珠来停止断绝。别的,节点布设地位应只管即便避开
树木,以增加对电磁波的吸取,影响传输波动性。
  
2 节点软件设计
  通讯协议接纳规范开放零碎互联模子OSI(Open System Interconnection model),设计的节点思索到
通用型和便于开辟,接纳了TI公司提供的ZigBee协议栈Z-Stack.ZigBee协议是由ZigBee同盟订定的、用于短间隔无线通讯技能的规范之一,次要用于低功耗、低本钱设置装备摆设的低速互连,其特点契合情况监测网络应用的要求。IEEE802.15.4满意OSI界说的最上面的两层:物理层(PHY:Physical Layer)和媒质参与控制(MAC:Medium Access Control)子层。ZigBee同盟提供了网络层(NMK:Network)和使用层(APL:Application Layer)框架的设计,此中使用层的框架包罗了使用支持子层、ZigBee设置装备摆设工具等。ZigBee协议栈体系构造模子如图5所示。层与层之间经过效劳接入点衔接,包罗数据效劳和办理效劳,每层都经过一套效劳原语为其下层或上层提供效劳。


      Z-Stack接纳操纵零碎的头脑来构建,接纳事情轮循机制。现在始化之后,零碎进入低功耗形式,当事情发作时,叫醒零碎,开端进入中缀处置事情,完毕后持续进入低功耗形式。假如同时有几个事情发作,判别优先级,逐次处置事情。
  这种软件构架可以极大地低落零碎的功耗。
  软件开辟以IAR Workbench V4.30为平台,接纳C言语编写,因而进步了软件设计开辟的任务服从,增
强了顺序代码的牢靠性、可读性和可移植性。节点主流程图如图5所示。
  3 完毕语
  本文次要引见了一种低功耗、用于情况信息监测的无线传感器网络节点的设计方案,并对此中的各个
模块停止了细致的引见,对通讯协媾和软件任务流程停止了剖析。由该节点构成的无线传感器网络在小规模实行中已体现出精良的任务结果,可在特别情况下完成监测地区内信号的收罗、处置与传输。