基于单片机的无线传感器网络节点硬件设计

Iroiman

$ z0 a5 d- \  |+ h1 M& Z' Q[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
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
引盲
: M! o6 K- u& K- \, \无线传感器网络是继Internet之后，将对21世纪人类生活方式产
0 u8 }, U0 K' C, m+ x4 j, D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
“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
( p4 a1 T- Q6 e" \& Y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
2 D9 s$ M  Q3 o$ h8 s4 t: y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
0 v$ h# T* u; I" `0 y  @. n! f器网络被列为首位。.
* I, e  U6 J! y  F) f% K传感器节点(seneor node)作为WSN的最基本的元素同时也是一个
; F: a. {& @: ~" K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
: T; i4 g+ r$ b4 x& j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
/ P/ I/ e! e  e" P& c要任务。本文设计了一种基于MSP430和nRF905的传感器节点,该节
9 j0 w- I& ^' Y& {点具有高可靠性.低功耗、成本低的特点以及较好的容错性。
0 _) |% p4 `! Q4 R$ C, ^5 q4 X一、硬件节点设计
0 F) v& e4 {( f+ u# Q
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、
9 t( L6 E8 i0 J- s! p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
素。
* \  m5 A+ a! x/ D0 E4 X- V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。
' _9 y0 D! R2 [5 J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,
. o* F' V- Y4 B$ d# z) i, n" W; o/ Y6 I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、
; i5 q+ k# [/ \) t) ?6 z3 _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
. L% u; D" d$ k* k( s) H! u市车流量监测、森林防火等多种需要监控的环境中。
' R+ a4 P# ^8 M! A' _5 a二、芯片选型
! n( N1 x& e! M1 ]1、控制模块
& x. c; s, R4 i& [5 L/ N) n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。
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
5 B1 i. e9 ~1 U: S. o  u1 X点具体体现在:
5 A. W, R  H! l1 N# ~7 [①低电压超低功耗
- Q% z/ @( W0 q; O5 K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
耗性能。MSP430 系列单片机在功耗上可以达到lμA;8μA实时时钟模
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
2 [% v8 i3 u4 W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
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
- U1 ]; n+ u5 D& y3 ISet Computer)结构,具有丰富的寻址方式。同时其处理速度快,当采用
8MHz晶振时,指令周期为125μs。
3 F" s; h, f) d③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
' N( [3 [# |; H/ I


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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。