摘 要: 本設(shè)計(jì)以超低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心，結(jié)合外圍傳感器和無線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。MSP430F149控制傳感器采集環(huán)境中的溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù)，并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，再由符合ZigBee協(xié)議的無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給相鄰節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的逐級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)最終發(fā)送回匯聚節(jié)點(diǎn)，再由它向監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。 關(guān)鍵詞: MSP430F149，IEEE802.15.4/ZigBee，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)，低功耗 Abstract: A design scheme of wireless sensor network node based on low power MCU MSP430F149 is given. The node is composed of MSP430F149,sensors,wireless communication module and batteries. MSP430F149 makes sensors to collect the temperature and vibration signals in environment, and processes the original data, after that sends the data to the neighboring nodes by wireless communication module which is complied with the IEEE802.15.4/ZigBee protocol. The processed data are sent to the sink node which is connected to the supervisor device. Finally, we can monitor the environment by the supervisor computer. Key Words: MSP430F149, IEEE802.15.4/ZigBee,Wireless Sensor Networks, Node, Low power cost 1 引 言 　　傳感器作為人們感官的延伸,在現(xiàn)代社會(huì)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展, 傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。本文以溫度傳感器為例, 使用模塊化設(shè)計(jì)思路, 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、短程無線通信技術(shù), 在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于環(huán)境科學(xué), 為科學(xué)家獲得野外的隨機(jī)數(shù)據(jù)提供方便; 可以應(yīng)用于醫(yī)療健康, 在病人身上安裝一些特殊的傳感器, 醫(yī)生可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)病人的身體情況; 在商業(yè)上, 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和中心主控計(jì)算機(jī)相結(jié)合, 能夠給人們提供更舒適、方便、人性化的家居環(huán)境。 　　普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的CPU模塊都采用TI公司的MSP系列單片機(jī)，MSP430系列單片機(jī)具有超低功耗性能，對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，這一點(diǎn)是很重要的。另外它具有8通道12位高精度A/D采樣，可以滿足各種需要的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控的應(yīng)用，具有一定的通用性。此外射頻部分采用Chipcon公司的符合IEEE802.15.4/ZigBee[2]協(xié)議的CC2420為核心組成射頻模塊，ZigBee對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說無疑是最合適的無線局域網(wǎng)通信協(xié)議。 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 　　2.1 WSN普通節(jié)點(diǎn)的硬件體系結(jié)構(gòu) 　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)的普通節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集起來并將其發(fā)送到鄰居節(jié)點(diǎn)，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 [align=center] 圖 1: WSN中普通Sensor Node結(jié)構(gòu)[/align] 　　2.2 WSN匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件體系結(jié)構(gòu) 　　匯聚節(jié)點(diǎn)的作用是將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)收集起來，并進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)優(yōu)化處理將其需要的格式發(fā)送給最終監(jiān)控計(jì)算機(jī)。 [align=center] 圖 2: WSN中匯聚Sink Node結(jié)構(gòu)[/align] 　　各部分的具體組成 　　中央處理器CPU部分： 　　由于整個(gè)設(shè)計(jì)要以低功耗為原則，一次選取了業(yè)界公認(rèn)的超低功耗處理器MSP430[6]系列單片機(jī)。 　　TI 公司的MSP430 系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，能夠在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作;其控制器具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè);帶60k Flash ROM存儲(chǔ)器的單片機(jī)可以存儲(chǔ)大量的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集信息還可以方便高效地進(jìn)行在線仿真和編程。MSP430 系列單片機(jī)最顯著的特點(diǎn)就是它的超低功耗，在1.8V～3.6V 電壓、1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行，耗電電流在0.1mA～400mA 之間，RAM 在節(jié)電模式耗電為0.1mA，等待模式下僅為0.7mA。能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，節(jié)點(diǎn)必須依靠電池供電。所以采用MSP430F149 是最佳選擇。 　　無線通信模塊設(shè)計(jì)： 　　采用挪威半導(dǎo)體公司Chipcon 推出的CC2420 是全球首顆符合802.15.4/ZigBee 聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz 射頻芯片。CC2420基于Chipcon 公司的SmartRF03 技術(shù),采用0118μm 工藝。為了保持和ZigBee[4] 標(biāo)準(zhǔn)一致,CC2420 支持250kbps數(shù)據(jù)傳輸率。芯片具有50個(gè)寄存器：33個(gè)控制、狀態(tài)寄存器;15個(gè)命令選通寄存器;2個(gè)先入先出緩存控制寄存器。 　　本設(shè)計(jì)的一個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新之處在于選取了硬件上支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層中的LLC子層，因此這時(shí)我們只需在協(xié)議層上實(shí)現(xiàn)上層的安全層，MAC層和用戶的應(yīng)用層協(xié)議。下面介紹ZigBee協(xié)議在新一代無線通信中的特點(diǎn)和對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。 　　低功耗:由于ZigBee 的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。ZigBee 設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5 號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月到2 年左右的使用時(shí)間,這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。 　　成本低: ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右,并且ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee 也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。 　　時(shí)延短:通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短,典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms ,休眠激活的時(shí)延是15ms ,活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee 技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等） 應(yīng)用。 　　網(wǎng)絡(luò)容量大:一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備,而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。 　　可靠:采取了碰撞避免策略（CSMA-CA）,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。 　　安全:ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證,采用了AES-128 的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 　　CPU和RF接口設(shè)計(jì)如圖所示： [align=center] 圖 3: MCU與RF之間的接口[/align] 　　單片處理器通過4線制SPI總線接口和射頻芯片CC2420通信，單片微處理器可以通過編程使CC2420工作在不同的狀態(tài)，讀、寫緩存數(shù)據(jù)，讀CC2420回饋的信息。 　　在與射頻芯片的接收、發(fā)送FIFO接口時(shí)用FIFO和FIFIOP引腳進(jìn)行狀態(tài)的控制和讀取信息; 　　射頻天線部分的原理圖如圖5所示，在2.4G HZ的無線通信系統(tǒng)中設(shè)計(jì)采用的對(duì)信號(hào)屏蔽和保護(hù)效果很好的環(huán)形天線設(shè)計(jì)，采用帶屏蔽層的四層PCB設(shè)計(jì)，在實(shí)際中取得了很好的效果，天線部分的阻抗匹配電路原理圖如下面所示。 [align=center] 圖4：射頻天線部分的信號(hào)保護(hù)原理圖[/align] 　　USB-UART[5]轉(zhuǎn)換模塊： 　　USB 2.0標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成為現(xiàn)在計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)通信接口。這樣用戶可以很方便的攜帶移動(dòng)設(shè)備，設(shè)備之間可以達(dá)到很快的數(shù)據(jù)傳輸速度并達(dá)到很好的抗干擾性，一邊是設(shè)備穩(wěn)定可靠的工作。 　　這個(gè)模塊選用FTDI-232BM總線芯片實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的串行RS232轉(zhuǎn)換USB的電路，下面簡(jiǎn)述此款總線芯片的接口：只有三個(gè)接口，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB口，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)RS232串口，還有一個(gè)多功能口。如圖所示總線轉(zhuǎn)接芯片周圍電路原理圖。 [align=center] 圖5: USB轉(zhuǎn)232總線芯片原理圖[/align] 　　數(shù)據(jù)采集電路[4]： 　　節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集部分可根據(jù)實(shí)際需要選定合適的傳感器，如振動(dòng)、聲響、溫度、光線等，因?yàn)檎麄€(gè)模塊由電池供電，這就要求傳感器體積小、低功耗、外圍電路簡(jiǎn)單，最好采用不需要信號(hào)調(diào)理電路的數(shù)字式傳感器。本設(shè)計(jì)采用AD公司的兩維數(shù)字加速度計(jì)ADXL202和Maxim公司的一線式數(shù)字溫度計(jì)DS18B20是很好的選擇。 3 底層軟件和協(xié)議棧層軟件設(shè)計(jì) 　　3.1 底層軟件設(shè)計(jì) 　　底層軟件[6]設(shè)計(jì)： 　　數(shù)據(jù)采集部分程序： 　　ADC12Init：初始化CPU的AD采集通道數(shù)，采集時(shí)間，位數(shù)，等基本信息，并開定時(shí)器中斷; 　　ADC12_ISR： 中斷子程序，定時(shí)器中斷到時(shí)后將AD緩存中的數(shù)字量存儲(chǔ)到堆棧數(shù)組中去，等待發(fā)送。 　　MCU操作CC2420中的寄存器的時(shí)序參見[4]。SPI操作設(shè)置CC2420程序設(shè)計(jì)分為基本的異步串行口發(fā)送接收程序，設(shè)置控制狀態(tài)寄存器的函數(shù);讀取、更新射頻芯片狀態(tài)寄存器。具體的API函數(shù)可以參考文中表一的設(shè)計(jì)。 　　表一 射頻控制API函數(shù) 　　3.2 通信協(xié)議程序設(shè)計(jì) 　　IEEE802.15.4/ZigBee傳輸?shù)膸袷郊捌渥饔? 　　在IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)中,定義了一套新的安全協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,本方案中,采用的無線模塊根據(jù)IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn),定義了一套幀格式來傳輸各種數(shù)據(jù)。如圖所示是本論文設(shè)計(jì)中的符合標(biāo)準(zhǔn)的在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層中各種幀的一般格式。 　　命令幀主要功能是在全功能設(shè)備和對(duì)精簡(jiǎn)功能設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的行為和狀態(tài)進(jìn)行控制和監(jiān)視;數(shù)據(jù)型數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的作用是把指定的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)中指定節(jié)點(diǎn)上的外部設(shè)備中,具體的接收目標(biāo)也由這兩種幀結(jié)構(gòu)中的“目標(biāo)地址”給定。返回幀是返回型數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的作用是無線模塊將發(fā)送數(shù)據(jù)接收情況反饋給自身的幀。 [align=center] 圖6： 符合IEEE 802.15.4/ZigBee通信協(xié)議幀[/align] 　　程序中定義發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體包括下列信息：發(fā)送幀序列號(hào)、發(fā)送設(shè)備源地址、PAN網(wǎng)絡(luò)的地址、幀長(zhǎng)度、接收數(shù)據(jù)指針等信息。 　　本文的幀發(fā)送和接收程序設(shè)計(jì)符合ZigBee協(xié)議的要求，對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送接收在軟件上實(shí)現(xiàn)了最可靠的形式。下圖所示為發(fā)送程序的流程圖。 　　接收程序流程圖 4 結(jié) 語 　　考慮到WSN的應(yīng)用低功耗性，本設(shè)計(jì)采用低功耗的MSP430系列單片機(jī)，完成了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件電路設(shè)計(jì)，其中包括基于超低功耗MCU最小系統(tǒng)的核心控制模塊、無線射頻收發(fā)模塊、以及一種能夠通過USB-COM端口對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接口供電、編程和控制的功能模塊，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了外部接口。針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)這個(gè)特殊的背景選取了具有多種優(yōu)勢(shì)的ZigBee通信協(xié)議，并對(duì)ZigBee協(xié)議棧的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)了ZigBee無線通信協(xié)議棧的通信程序，能夠很好的符合無線傳感網(wǎng)絡(luò)的各種需求。通過軟件設(shè)計(jì)的無線通信協(xié)議。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 孫利民，李建中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。清華大學(xué)出版社，2003.5 　　[2] IEEE 802.15.4 2003: Wireless Media Access Control （MAC） and Physical Layer （PHY） Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks （LR-WPANs）. 　　[3] ZigBee Alliance, ZigBee Specification.v1.0, Dec 14, 2004. 　　[4] Chipcon AS SmartRF CC2420 Preliminary Datasheet （rev 1.2）, 2004-06-09. 　　[5] 張卓亮，王振清. 基于USB總線的振動(dòng)頻率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2004，12-1：44-45. 　　[6] MSP430 series MCU Datasheet, TI Corp. 　　[7] 吳明輝，嵌入式開發(fā)與應(yīng)用。人民郵電出版社。2004.