一种通用型无线传感器节点架构

邓洲++刘汉奎++邓翠兰

摘要：以MSP430F169芯片为控制核心，设计了构建通用型无线传感器网络的传感器节点和汇聚网关。传感器节点具有很强的扩展性，提供了I2C、UART、SPI以及模拟信号等四种接口类型，可以挂接主流的商用传感器，完成光强、温湿度、PH值、地理位置等数据的实时采集.采集的数据以无线通信方式传至汇聚网关，进而以有线的方式传到数据中心。传感器节点和汇聚网关之间的数据和指令交换采用NRF24L01射频模块来实现。现场测试证明传感器节点采集的数据是可靠的，能稳定地传回至汇聚网关。

关键词：无线传感网络 通用架构 传感器节点 MSP430F169

中图分类号：TP212.9；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）12-0039-02

1 引言

无线传感器网络（WSN）具有强大的远程监测和控制功能，在工业、农业、军事、交通、安全、抢险、医疗保健、以及环境控制等领域都有广泛的应用前景[1-2]。随着架构和维护成本的不断降低，对WSN的研究和应用兴趣也在日益增涨。特别是近年来，研究者设计和验证了一些应用于现代化农业、畜牧业、灾害预警、环境监控方面的无线传感器网络。但是，由于这些网络都是针对某一特定应用场景设计的，因而无论是传感器节点还是汇聚网关的硬件都具有专属性，满足不同应用需求的WSN在硬件平台、操作系统、通信协议等方面的差异是极为明显的。这种差异会使得WSN通用性差、功能扩展难。目前商用传感器种类繁多、功能强大，但接口类型也较多[3-5]。为使WSN应用更多样，功能易扩展，WSN的硬件必须支持各种接口的传感器。

本文以建构开放式WSN为目标，首先设计了兼容性强、功能易扩展的WSN节点。节点利用功能强大的MSP430F169芯片为控制核心，全面支持I2C，UART，SPI以及模拟输入，方便用户按需选配外接传感器，实现功能标准化扩展。其次，基于MSP430F169芯片设计了汇聚网关，通过射频通信，实现对周围WSN节点的数据收集和指令下行。这种设计易于通过上层应用软件调整网络结构、控制节点功耗、扩展网络节点数。

2 节点设计

如图1所示，通用无线传感器网络的节点由六个部分组成：传感器模块、无线通信模块、电源模块、显示模块、GPS模块以及中央控制单元。传感器模块主要是基于统一接口标准，集成多种传感器电路，采集感兴趣的特征数据，并送给中央控制单元进行处理和存储。无线通信模块将中央控制单元处理过的采集数据以无线方式上行至汇聚网关；同时也接收汇聚网关下行至节点的控制命令。显示模块用于节点功能检测时的实时显示。GPS模块提供节点的当前位置信息。电源模块提供整个节点的供电和节能管理。中央控制单元负责协调和控制其它模块的工作。

2.1 中央控制单元

中央控制单元选用TI公司的16位超低功耗MSP430F169芯片为控制核心，两个外接晶振频率分别为32.768kHz和8MHz[6]。该芯片提供ACLK、MCLK和SMCLK三种时钟信号。为了合理使用系统电源，尽可能降低整个系统功耗，在设计时根据实际需要选择合适的系统时钟频率，并通过程序进行低频/高频设置。本设计中，无线通信模块、光强传感器模块、温湿度传感器模块以及PH值模块分别采用8MHz、32.768kHz、1MHz、0.8MHz的MCLK信号时钟。同时，该芯片的12位A/D转换口用于PH值的模数转换.定时器用于无线通信模块的收发转换驱动。

2.2 传感器模块

考虑到目前商用传感器的接口模式主要有I2C、UART、SPI等，采集数据绝大多数以数字信号形式输出，因而在节点的传感器模块设计中采用CD4052和CD4097多路复用器对节点通信接口进行扩展和标准化[7]。这两种复用器与中央控制单元MSP430F169的2个USART和12位AD转换电路相结合，实现支持8路I2C、8路UART、4路SPI以及2路模拟输入。I2C和UART接口电路如图2所示，采用两个八选一多路复用器CD4097协同实现。P1-P8接口（为清晰起见，图2中仅给出了P1和P2的连接）均采用六线制，每个接口的2、3引脚分别依次连接第一个CD4097的X0-X7和Y0-Y7，提供I2C接口。每个接口的4、5引脚分别依次连接第二个CD4097的X0-X7和Y0-Y7，提供UART接口。每个CD4097的A、B、C三个引脚提供一个3位的二进制比特组合，每个组合将可选通P1-P8中的一个I2C或UART接口。同理，采用一个四选一多路复用器CD4052可实现SPI接口电路，如图3所示。图3给出了4路六线制SPI接口（为清晰起见，图3中仅给出了P11和P12的连接），2、3引脚分别为SDO和SDI，4引脚连接到主控单元P5.3引脚，获得时钟（CLK）信号；5引脚连接到主控单元P5.0引脚，提供SPI的片选（CS）使能信号。图4给出了2路模拟输入接口电路。

2.3 无线通信模块

传感器节点与汇聚网关之间的数据和指令传递通过无线传输方式实现。为保证高速和低能耗的要求，采用工作在2.4～2.5GHz频段NRF24L01射频模块，以半双工方式进行通信[8]。该模块提供125个频道，可采用多点通信和跳频通信，具有很强的抗干扰性，特别适合通讯环境复杂的场合。NRF24L01射频模块具有四种工作模式，其中收发模式又有三设置，最高传输速率达2Mbps。在发射模式下，当发射功率为0dBm时，电流消耗仅为11.3mA；在接收模式下，仅为12.3mA；在关机模式下，仅为1uA。

2.4 定位模块

无线传感器网络既可应用于固定场所，也可根据需要临时布暑。在很多实际应用中，传感器节点除收集和发回监测数据外，往往还需附加相应的地理信息数据。借助一些数学处理模型和分析方法，将能准确地给出一个区域内相关数据的连续分布情况，而不仅仅限于直接布暑了传感器节点的有限离散点。为此，在节点设计中，采用了ATK-NEO-6MGPS定位模块[9]，定位精度达到2.5mCEP，捕获灵敏度达-161dBm，更新速率达5Hz。定位模块工作电压为5v，由电源模块提供，而且兼容单片机系统。

2.5 电源模块

传感器节点的电源模块设计成双电源供电，即可用干电池，也可用太阳能（或风力）发电设备供电。输入电源经LM1117MP-3.3和LM1117IMPX-5.0稳压后，分别输出3.3V和5V电压。3.3V为中央控制单元MSP430F169和射频通信模块NRF24L01供电；5V为GPS定位模块、复用器CD4097和CD4052、传感器模块接口以及液晶显示模块等电路供电。为使整个传感器节点更节能，电路中设计了一个体积小、灵敏度高的电子开关对5V电源进行开/关控制.当中央控制单元的P1.0引脚输出高电平时，LM1117IMPX-5.0处于工作状态，5V电源供电的所有模块正常工作，采集传感数据；当中央控制单元的P1.0引脚输出低电平时，5V电源模块进入关闭状态，此时只剩下MSP430F169和NRFL2401工作，节点进入低功耗模式。

3 工作模式

传感器节点设计成两种工作模式：自动模式和触发模式。在自动模式下，系统在初始化后，传感器节点按照汇聚网关下行到节点的指定周期，周期性的启动外接传感器采集数据，并将数据发送到汇聚网关，同时接收汇聚网关的下行新指令，然后关闭传感器模块、通信模块和GPS模块，进入休眠状态，直到下一周期到来，再次重复上述过程。在触发模式下，传感器节点按照汇聚网关下行到节点的指定周期，周期性的启动外接传感器采集数据，当数据超过设定的阀值时，则启动通讯模块上传数据至汇聚网关，否则直接转入休眠状态，直到下一周期到来，再次重复上述过程。

4 现场测试

基于MSP430F169的传感器节点如图5所示。节点测试时，采用光强传感器为I2C接口的BH1750，空气温湿度传感器为I2C接口的SHT11，土壤温湿度传感器为I2C接口的埋入式SHT11，PH值传感器为模拟的复合电极。基于MSP430F169的汇聚网关如图6所示。现场测试中，光强范围为0-5000lx，温度范围为10℃-35℃，湿度范围0-100%RH，PH值范围为3-10。图5和6中液晶屏上显示为实时测量数据。通过软件调试，对所有传感器进行初始校准后，大量实测数据与相应专用设备测得的数据几乎完全一致。传感器节点的液晶屏仅用于开发调试，在产品化时，将被去除，实现微功耗。

5 结语

以MSP430F169为中央控制核心，设计了无线传感网络中的两个关键单元：传感器节点和汇聚网关。两单元具有电路设计简洁、集成度高、成本低廉、通用性强以及良好的可扩展性。传感器节点提供I2C、UART、SPI以及模拟信号等接口类型，可以直接挂接各种主流商用传感器。对基于传感器节点和汇聚网关构建的无线传感器网络进行现场测试，结果表明该网络工作稳定、数据采集准确，能适应较为复杂的通信环境。

参考文献

[1]张小斌，郑可锋，张建成等.无线传感网在浙江设施农业大棚中的应用探讨[J].浙江农业学报，2011，23（2）：400-403.

[2]Nandurkar S R，Thool V R，Thool R C.Design and development of precision agriculture system using wireless sensor network[A].First International Conference on Automation，Control，Energy and Systems[C].2014，1-6.

[3]Linderman L E，Jo H，Spencer B F.Low-Latency Data Acquisition Hardware for Real-Time Wireless Sensor Applications[J].IEEE Sensors Journal.2015，15（3）：1800-1809.

[4]Folea S C，Mois G.A Low-Power Wireless Sensor for Online Ambient Monitoring[J].IEEE Sensors Journal，2015，15（2）：742-749.

[5]Imran M， Shahzad K， Ahmad N， et al. Energy-Efficient SRAM FPGA-Based Wireless Vision Sensor Node： SENTIOF-CAM [J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology， 2014， 24（12） ：2132-2143.

[6]“MSP430F169技术文档”，http：//www.ti.com/product/msp430f169，（2015/1/20）.

[7]梁庭，王凯，李颖，雷程.多量程紫外光离子化气体传感器的设计[J].制造业自动化，2013，35（7）：46-48.

[8]杨江，高红亮，梅扬.基于nRF24L01智能环境监测系统设计[J].自动化技术与应用，2014，22（3）：734-744.

[9]赵燕，李炜，基于STC单片机的GPS定位显示系统设计[J].南京工业职业技术学院学报，2014，14（4）：25-27.