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(多图) 由MSP430和CC1100构成的无线传感器网络

来源:单片机及嵌入式系统应用/孙维明 石江宏?? 2007年09月17日 ?? 收藏0

  2.5电源供应单元

  本文采用两节7号碱性南孚电池为整个节点供电。为了能够及时获取节点电池的电量状况,并根据电池的剩余电量状况和放电特性来调整节点的通信状态,本文利用MSP430F1611芯片内部集成的ADC12模块测量电源正极电平值,并通过将所测电平值与参考电平进行比较,得到转换数据NADC,最后电源的电压Vin可以由下式得出:

公式

  式中:VR+为参考电压正极,VR-为参考电压负极,Vin为ADC12转换得到的电压值,NADC为单片机转换寄存器值。

  2.6 串口通信单元

  网络中只有Sink节点才包含串口通信单元,终端节点无需串口通信单元。Sink节点的处理单元MSP430F1611通过串口通信单元与后台监控主机通信。Sink节点通过串口通信模块可以将自身收集的全网信息数据传送给后台监控主机,研究人员根据监控软件对收集数据的智能处理结果向传感器网络发布数据和命令。

  3 协议软件设计

  3.1 拓扑结构

  制定网络协议首先要确定的是网络的拓扑结构。本文所设计的无线传感器网络协议采用簇-树(cluster-tree)拓扑。簇-树拓扑是由网络协调器(coordinator)展开生成树状的拓扑结构,适合于节点静止或者移动较少的场合;不需要存储路由表,具有路由算法复杂度低、无初始延时等优点。

  3.2 通信协议栈

  无线通信协议的设计目的是使具体的通信机制与上层的应用分离,为传感器节点提供网络通信的功能。为了降低网络设计的复杂性,采用分层设计,参考 OSI模型,将整个协议分为4层:物理层,提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术;MAC层,负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制;网络层,主要负责 路由生成和路由选择;应用层,包括一系列基于监测任务的应用层软件。系统通信协议构架如图7所示。

通信协议栈

  整个系统协议设计包括Sink节点协议设计和终端节点协议设计。由于篇幅有限,本文仅介绍终端节点的软件协议和系统主程序。

  如图8所示,终端节点在初始化成功后进入信道扫描侦听状态,当侦听到有邻居节点活动时便向邻居节点请求时标帧;节点依据接收到的时标帧同步自己的时钟,节点时钟同步后进入接入状态,接人成功后节点进入业务状态。处于业务状态的节点,执行后台和Sink节点发布的命令,进行数据的传感采集与传输,以及对邻节点数据的中继转发。节点为了实现低功耗,必须在业务状态与休眠状态之间进行轮换。

终端节点的软件协议

  4 系统节能问题

  在整个网络系统的设计中,节约能量一直是考虑的重中之重。系统的节能,一靠硬件系统本身的低功耗,二靠软件协议的低功耗。在硬件方面,本文节点选择的都是低功耗的芯片,布板也充分考虑了低功耗要求;在软件方面,除了采用休眠机制以外,还采用了基于电池能量模型的路由协议,使得节点能够根据电池能量特性来工作,从而延长了电池的使用寿命。

  结 语

  本文主要介绍了一种基于MSP430F1611单片机和CC1100无线收发模块,能够实现精确采集环境温湿度信息的无线传感器网络硬件设计和软件设计方案。在实际组网测试中,笔者构建了19个终端节点和1个Sink节点的演示系统,节点每休眠两个小时醒来一次,节点醒来之后采集数据并发送给观察者。实验表明,采用这种方式构建的无线传感器网络系统数据采集及时准确,而且能以极低的功耗进行工作。


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