傳感节点案例分析.docx

传感节点案例分析　随着微电子技术，通信技术的迅速发展，将传感器技术、计算机技术与通信技术相结合的智能传感器以其比较高的精度、良好的可靠性、功能的多样性等优势在过程控制以及信号监测中越来越多地得到人们的关注，已成为当今国内外研究的一大热点。本文设计了一种用于对环境信息进行实时监测的无线传感器网络节点，能够对环境参数进行准确的测量并可靠传输，充分体现了传感器系统的数字化、智能化、无线化的优点。　该节点的设计以MSP430F1611超低功耗单片机为核心，配置新式的微型低功耗传感器，可实时地对所测的环境中的温度、湿度、光照强度等参数进行测量处理。采用5号电池供电，信息的无线传输可避免远距离布线的繁琐，具有较好的布设灵活性，适用于恶劣环境下一定区域的环境信息测量。　1 硬件节点设计　根据无线传感器网络节点管理机制，把节点分成传感器节点、簇头节点和汇聚节点3种类型。无线传感网络的簇头节点和汇聚节点主要完成数据接收和发送功能，因此节点主要由微处理模块和无线通信模块组成。而传感器节点主要是通过传感器采集周围环境的数据(温度、湿度、光感度等)，然后进行A/D转换，经处理器处理后由射频模块发送到相邻节点，同时该节点也要执行数据转发功能，即把相邻节点发送的数据发送到汇聚节点或离汇聚节点更近的节点。整个硬件系统主要划分为数据采集、数据处理、无线传输和供电4个模块，硬件节点结构图如图1所示。其中数据采集模块负责由传感器对周围环境参数信息进行采集;数据处理模块实现数据的分析、处理和存储功能;无线传输模块负责低功耗短距离节点间的通信;供电模块选取体积小、容量高的电池，以确保节点的微型化和长寿命。　?　　1.1 数据采集模块　数据采集模块是应用传感器件采集环境的温度、湿度、光照强度等参数，然后将采集到的数据通过A/D转换送给单片机进行处理。　　1.1.1 温湿度传感器　温度、湿度的测量采用Sensirion公司生产的，具有I2C总线接口的温湿度集成于一体的数字式传感器SHTll.SHTll为具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换等特点。　微处理器与SHTll的连接如图2所示，只需用2条I/O口线分别作为数据线DATA和时钟线SCK,并在DATA端接入1只上拉电阻，同时在VDD及GND端接入1只去耦电容，通过相应的软件设计，即可完成数据采集与传输。　　1.1.2 光照强度传感器　在测量太阳光辐照度部分，选用TI公司的TSL230B来测量环境周围的光照强度。该器件由先进的LinCMOS电流频率集成转换器构成。不需要外接元件即可完成高分辨率的光照/频率转换。可将被测环境周围一定光谱的光照强度转换成电流，再由电流/频率转换器转换成相应的买成频率。输出三角波或者方波的频率完全由光照幅度决定，分辨率较高，可以直接与微处理器相连，其连接方式如图3所示。S0、S1为该传感器的灵敏度控制端;S2、S3是分频系数选择端;OUT为信号输出端，进入单片机的捕获输入，通过计算两次捕获的时间内计数的数值差，便可以计算出输出频率值，可以根据输出频率-辐照度关系对照，从而得到光线强度(单位：W/cm2)。　　　1.2 微控制器模块　微控制器是整个节点的核心，其设计性能决定了整个节点工作的性能。MSP430F1611是Texas Instruments公司开发的的高集成度、高精度的单芯片系统，是目前工业界中具有最低功耗的16位RISC混合信号处理器。具有极低的工作电压，在1.8~3.6 V之间均可正常工作;极小的功耗，在话动模式时，工作电流仅需330μA,在休眠模式下只需要1.1μA,在关闭状态仅仅需要0.2μA.MSP430F1611具有丰富的外设，具有8路12位的A/D,2路12位的D/A转换器，大大简化了系统的硬件设计，并提高了系统的性价比。系统具有3个时钟信号，包括1个高频时钟，1个低频时钟和1个DCO,灵活的时钟选择使得系统可以在最合理的时钟频率下工作，大大降低了系统的功耗，方便了系统的设计;它还有着丰富的外围接口，包括标准串口，SPI接口，I2C接口，方便连接多种设备。MSP430F1611内部具有10 kB的RAM和48 kB的Fash,充足的存储空间可以保证协议的正常运行，方便协议的设计与实现。另外系统具有中断唤醒功能，可以通过中断使单片机从休眠模式转为活动模式，非常适合应用于无线传感器网络节点的设计。　　1.3 射频通信模块　担负着无线传感器网络节点间的通信任务。随着集成电路的发展，芯片的集成度越来越高，能耗越来越少，因此，传感器节点的能量主要是消耗在通信上。所以，选择一款低能耗的通信器件将节省节点能量，延长工作寿命。在本方案设计中选用TI公司的CC2420射频芯片。在无