基于单片机的无线传感器网络节点硬件设计

Iroiman

# j, Z" @) h/ t[摘要]传感器节 点是无线传感器网络的基本组成元素。本文通过对传感器节点的特性分析,采用MSP430和nRF905为主要芯片
& M$ I. M+ d& B9 e" m设计了一种无线传感器网络节点。经测试可满足节点微型化、低功耗、实时处理能力强、高可靠性等要求。
[关键词]无线传感器网络节点单片机
( R: b# S/ ]* r0 x& {引盲
无线传感器网络是继Internet之后，将对21世纪人类生活方式产
生重大影响的一种IT热点技术。2003 年著名的美国《商业周刊》在其
: M( A8 V) q/ o7 ?) d1 w9 k- L“未来技术专版"中发表文章指出，效用计算传感器网络塑料电子学
  P3 v4 j6 l! p- H2 _5 V6 @$ [和仿生人体器官是全球未来的四大高技术产业，它们J将掀起新的产业
浪潮。2003 年MIT技术评论Technology Review 在预测未来技术发展的
报告中认为,有十种新兴技术在不远的将来将改变世界,其中尤线传感
/ i0 U' R7 d( V) q器网络被列为首位。.
/ V! V* S$ Y, u传感器节点(seneor node)作为WSN的最基本的元素同时也是一个
很重要的元素。节点设计的好坏直接决定整个系统的功能能否实现各
/ B, e4 R/ X2 c* I4 }2 H3 W' s项性能指标能否符合要求。因此对节点的设计、分析是设计WSN的首
7 F/ m% r) W8 L3 `8 m" |. J- _5 G6 ~要任务。本文设计了一种基于MSP430和nRF905的传感器节点,该节
点具有高可靠性.低功耗、成本低的特点以及较好的容错性。
6 V& q4 k/ x7 v, e% \# q/ {/ t一、硬件节点设计
1 d0 S8 G% ^9 C( C
图1硬件节点框图
无线传感器节点具有微型化.低功耗、实时处理能力强、高可靠性、
高鲁棒性、高容错性等特点，因此在设计硬件节点时必须考虑诸多因
$ s5 `$ x. n* S5 ~素。
+ n4 j- C/ O4 ~* l9 m& ~: U  P$ l本方案的硬件节点框图如图1所示,包括节点必备的传感器模块、
5 |( J' K+ `4 A控制模块.无线收发模块,另外加了LCD显示模块,警报装置。由传感
器模块采集环境中的温度、湿度等信息,将信息传递给控制模块;控制
$ a/ p7 k6 ~: b7 }% [: q模块对采集到的数据进行处理、判断是否存在安全隐患、发送、显示;
$ ~. }0 |/ x6 @, Y4 dLCD模块实现数据的实时显示;警报装置在控制模块判断当前环境存
在安全隐患时报警;无线收发模块负责数据的发送与接收。
) C. `# u+ T' y+ ?* E: X该节点结构简单,可对环境中的温度、湿度等信息进行实时监控,
具有很强的可移植性,根据具体的需求改进后可用于工业生产、农业、
& R+ k9 A: k- b, h1 `& b科研基地等不同需要环境监测的领域，同时还可进- -步推广运用于城
市车流量监测、森林防火等多种需要监控的环境中。
. Y5 `% J/ {. U2 j9 f7 Z& i二、芯片选型
1、控制模块
! Z. E, T6 f8 K/ B2 J8 I控制模块选用MSP430单片机，该系列单片机是德州仪器(Texas
Instruments )公司推出的一种超低功耗的16位工业级混合信号微处理器。
' ~/ ]6 k5 B- N$ `1 a. D4 X& L它所具有的鲜明特点使其在许多行业都得到了广泛的应用。其主要优
  J/ {' m( b) x$ E. M点具体体现在:
! |( k& C) L5 E) Y' T' S8 u①低电压超低功耗
; V1 M5 i* g( v) P) ?灵活的时钟系统具有5种低功耗模式，可实现无可匹敌的超低功
# L( }# }4 K. I0 o2 F7 b: ?耗性能。MSP430 系列单片机在功耗上可以达到lμA;8μA实时时钟模
2 m. ]' b/ j; D2 q( `1 Q) `2 K式;250puA/MIPS工作状态。在实时时钟处于工作状态时,该系统正常待
机的耗流量可低至0.8μA。由于其指令执行速度较快,因此总功耗比同
+ A4 x$ D6 `" |, d5 \& L- @3 a类竞争器件低10倍,并且它能够在不足6us的时间内从待机状态进行
启动。
②强大的处理能力
MSP430系列单片机是16位单片机,采用RISC(Reduced Instruction
1 m7 {- m$ P; h( [9 Q0 hSet Computer)结构,具有丰富的寻址方式。同时其处理速度快,当采用
6 t  b) ]4 T* u& p3 @9 y8MHz晶振时,指令周期为125μs。
③高性能模拟技术
12位模1数转换器(ADC)有很高的转换速率,最高可达200kb/e,
适用于大多数数据采集的场合。另外模拟比较器可以进行模拟电压的
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本方案的硬件节点框图如图1所示,包括节点必备的传感器模块、 控制模块.无线收发模块,另外加了LCD显示模块,警报装置。由传感 器模块采集环境中的温度、湿度等信息,将信息传递给控制模块;控制) 模块对采集到的数据进行处理、判断是否存在安全隐患、发送、显示; LCD模块实现数据的实时显示;警报装置在控制模块判断当前环境存 在安全隐患时报警;无线收发模块负责数据的发送与接收。