基于MSP430和NRF2401的WSN節(jié)點設計 2011-06-02 11:05:55來源:互聯(lián)網
0 引 言
無線傳感器網絡WSN(wireless sensor network)是一種自組織網絡，它由大量低成本、資源有限的傳感節(jié)點設備組成，節(jié)點間協(xié)同工作實現(xiàn)某一特定任務。由于無線傳感網絡所具有的易擴展、自組織、分布式結構和實時性的特點，無線傳感網絡的應用已經由軍事領域擴展到其他許多領域，例如環(huán)境監(jiān)測、氣候監(jiān)測、目標追蹤、工業(yè)自動化等方面，此外還為未來的遠程醫(yī)療和空間探索提供了很大的應用空間。
無線傳感器網絡體系結構如圖1所示，通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點(sinknode)、外部網絡和用戶界面。大量傳感器節(jié)點隨機部署在感知區(qū)域(Sensorfield)內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡，傳感器節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳進行傳輸，在傳輸過程中所采集的數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經過多跳路由后到匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點通過外部網絡把數(shù)據(jù)傳送到處理中心進行集中處理。

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1 系統(tǒng)硬件設計
無線傳感器網絡終端節(jié)點的硬件一般包括數(shù)據(jù)處理單元、無線傳輸單元、傳感采集單元和電源供應單元。如圖2所示，傳感采集單元可以根據(jù)應用背景選擇相應的測量物理量的傳感器，電源供應單元部分由于系統(tǒng)大部分處于低功耗模式，可以采用7號電池解決。下面著重介紹數(shù)據(jù)處理單元、無線傳輸單元。


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1．1 數(shù)據(jù)處理單元
MSP430是具有超低功耗特點的16位單片機，本方案選用MSP430F148，其功耗電流已經達到了μA級。16位CPU和高效的RISC指令系統(tǒng)，無外擴的數(shù)據(jù)地址總線，在8MHz時可達到125ns的指令周期，具有16個快速響應中斷，能及時處理各種緊急事件。豐富的片內外圍功能模塊：12位的A／D轉換器ADC12內包括采樣／保持功能的ADC內核、轉換存儲邏輯、內部參考電平發(fā)生器、多種時鐘源、采樣及轉換時序電路。有8個外通道，4個內通道，高達200kbps的采樣速率，多種采樣方式。兩路USART通信串口，可用于UART和SPI模式；片內有精密硬件乘法器、兩個16位定時器，6個并行口P1～P6，48條I／O口線，其具有64KB的閃存，用于存儲采集數(shù)據(jù)。

1．2 無線傳輸單元
本系統(tǒng)采用2．4GHz無線單片收發(fā)芯片nRF2401，它具有體積小、功耗低，外設少的特點，非常適合于無線傳輸應用系統(tǒng)。nRF2401可以由SPI接口與微處理器連接，通過這個接口完成設置和收發(fā)數(shù)據(jù)工作。許多單片機都集成了SPI控制器，例如MSP430，可以非常方便地通過軟件設置最多40bit地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)(提供一個中斷指示)，并且支持點對多點的操作，編程很方便。nRF2401與單片機采用SPI接口連接，原理圖如圖3所示。SPI總線接口技術是一種高速、高效率的串行接口技術，主要用于擴展外設和進行數(shù)據(jù)交換。


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2 軟件設計
軟件開發(fā)以IAR Workbench V3．1為平臺，采用C語言編寫，軟件編程的基本思路是：先對SPI、nRF2401控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，對nRF2401芯片初始化；開啟接收機后，就可以運行任務程序了，以實現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，對nRF2401操作流程如下：
nRF2401有4種工作模式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關機模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三個引腳決定。對nRF2401的操作主要是配置其工作方式和讀寫數(shù)據(jù)，