無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量微型傳感器節(jié)點通過無線自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。它集成了傳感器、微機電和無線通信三大技術(shù)，能夠?qū)崟r地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的對象信息，并發(fā)送給觀察者；具有覆蓋區(qū)域廣、可遠程監(jiān)控、監(jiān)測精度高、布網(wǎng)快速和成本低等優(yōu)點，在軍事、環(huán)保、醫(yī)療保健、空間探索、工業(yè)監(jiān)控、精細農(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) 如圖1所示，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、一個Sink節(jié)點和一套后臺監(jiān)控軟件。其中，傳感器終端節(jié)點具有本地數(shù)據(jù)采集傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)鄰節(jié)點數(shù)據(jù)的雙重功能，可以在后臺管理軟件和Sink節(jié)點的控制下采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳路由傳輸?shù)絊ink節(jié)點；Sink匯聚節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的中心，具有協(xié)調(diào)器和網(wǎng)關(guān)的作用，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的配置、管理和數(shù)據(jù)的匯集，并負責(zé)與用戶PC機后臺管理軟件的通信。 2、系統(tǒng)硬件設(shè)計 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點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，處理單元負責(zé)控制傳感器節(jié)點的操作以及數(shù)據(jù)的存儲和處理；傳感采集單元負責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集；無線傳輸單元負責(zé)節(jié)點間的無線通信；電源供應(yīng)單元負責(zé)為節(jié)點供電。Sink節(jié)點功能更多，除包含上述功能單元以外，還包含與后臺監(jiān)控通信的接口單元。本文用串口作為Sink節(jié)點與后臺監(jiān)控軟件的通信接口。 本設(shè)計中處理單元采用了TI公司的16位低功耗單片機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號電池。此外，考慮到很多數(shù)據(jù)具有時間相關(guān)性，本設(shè)計還加入了實時時鐘DS1337構(gòu)成的時間控制單元。節(jié)點組成如圖2所示，節(jié)點實物圖如圖3所示。 2.1 處理單元 MSP430F1611突出的特點是可以實現(xiàn)極低的功耗。它有5種可編程的工作模式，其中活動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)，主要用于擴展外設(shè)和進行數(shù)據(jù)交換。 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數(shù)值 （2） 讀單個寄存器值 圖5和圖6為利用CC1100進行數(shù)據(jù)收發(fā)的流程圖。 2.3 數(shù)據(jù)采集單元 節(jié)點的數(shù)據(jù)采集單元可以根據(jù)實際需要和被監(jiān)測物理信號特征選擇合適的傳感器，如光照、壓力、振動、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、信號放大調(diào)理器、A／D轉(zhuǎn)換器和總線接口，能夠進行全校準(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 時間控制單元 時間控制單元用于設(shè)置、記錄數(shù)據(jù)采集的時間，以便后臺用戶能夠依靠采集時間對數(shù)據(jù)進行處理。本文選用Maxim公司的串行實時時鐘芯片DS1337作為時間控制單元。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號堿性南孚電池為整個節(jié)點供電。為了能夠及時獲取節(jié)點電池的電量狀況，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： 式中：VR+為參考電壓正極，VR-為參考電壓負極，Vin為ADC12轉(zhuǎn)換得到的電壓值，NADC為單片機轉(zhuǎn)換寄存器值。 2.6 串口通信單元 網(wǎng)絡(luò)中只有Sink節(jié)點才包含串口通信單元，終端節(jié)點無需串口通信單元。Sink節(jié)點的處理單元MSP430F1611通過串口通信單元與后臺監(jiān)控主機通信。Sink節(jié)點通過串口通信模塊可以將自身收集的全網(wǎng)信息數(shù)據(jù)傳送給后臺監(jiān)控主機，研究人員根據(jù)監(jiān)控軟件對收集數(shù)據(jù)的智能處理結(jié)果向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)布數(shù)據(jù)和命令。 3、協(xié)議軟件設(shè)計 3.1 拓撲結(jié)構(gòu) 制定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議首先要確定的是網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用簇-樹（cluster-tree）拓撲。簇-樹拓撲是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（coordinator）展開生成樹狀的拓撲結(jié)構(gòu)，適合于節(jié)點靜止或者移動較少的場合；不需要存儲路由表，具有路由算法復(fù)雜度低、無初始延時等優(yōu)點。 3.2 通信協(xié)議棧 無線通信協(xié)議的設(shè)計目的是使具體的通信機制與上層的應(yīng)用分離，為傳感器節(jié)點提供網(wǎng)絡(luò)通信的功能。為了降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的復(fù)雜性，采用分層設(shè)計，參考OSI模型，將整個協(xié)議分為4層：物理層，提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)；MAC層，負責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；網(wǎng)絡(luò)層，主要負責(zé)路由生成和路由選擇；應(yīng)用層，包括一系列基于監(jiān)測任務(wù)的應(yīng)用層軟件。系統(tǒng)通信協(xié)議構(gòu)架如圖7所示。 整個系統(tǒng)協(xié)議設(shè)計包括Sink節(jié)點協(xié)議設(shè)計和終端節(jié)點協(xié)議設(shè)計。由于篇幅有限，本文僅介紹終端節(jié)點的軟件協(xié)議和系統(tǒng)主程序。 如圖8所示，終端節(jié)點在初始化成功后進入信道掃描偵聽狀態(tài)，當(dāng)偵聽到有鄰居節(jié)點活動時便向鄰居節(jié)點請求時標(biāo)幀；節(jié)點依據(jù)接收到的時標(biāo)幀同步自己的時鐘，節(jié)點時鐘同步后進入接入狀態(tài)，接人成功后節(jié)點進入業(yè)務(wù)狀態(tài)。處于業(yè)務(wù)狀態(tài)的節(jié)點，執(zhí)行后臺和Sink節(jié)點發(fā)布的命令，進行數(shù)據(jù)的傳感采集與傳輸，以及對鄰節(jié)點數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點為了實現(xiàn)低功耗，必須在業(yè)務(wù)狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間進行輪換。 4、系統(tǒng)節(jié)能問題 在整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計中，節(jié)約能量一直是考慮的重中之重。系統(tǒng)的節(jié)能，一靠硬件系統(tǒng)本身的低功耗，二靠軟件協(xié)議的低功耗。在硬件方面，本文節(jié)點選擇的都是低功耗的芯片，布板也充分考慮了低功耗要求；在軟件方面，除了采用休眠機制以外，還采用了基于電池能量模型的路由協(xié)議，使得節(jié)點能夠根據(jù)電池能量特性來工作，從而延長了電池的使用壽命。 結(jié)語 本文主要介紹了一種基于MSP430F1611單片機和CC1100無線收發(fā)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)精確采集環(huán)境溫濕度信息的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計方案。在實際組網(wǎng)測試中，筆者構(gòu)建了19個終端節(jié)點和1個Sink節(jié)點的演示系統(tǒng)，節(jié)點每休眠兩個小時醒來一次，節(jié)點醒來之后采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給觀察者。實驗表明，采用這種方式構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時準(zhǔn)確，而且能以極低的功耗進行工作。