1、摘要：设计了一种具有质量轻、体积小、低成本、低能耗的无线传感器网络节点。该节点由 MSP430 单片机、CC2420 射频收发器、FT232BM 转换芯片、SHT11 温度湿度传感器、外围芯片、电源电路以及 JTAG 调试接口组成。通过 JTAG 调试，以及安装TinyOS 操作系统，节点较好地实现了数据采集、无线传输以及无线网络功能。无线传感器网络是信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合传感器、嵌入式、现代网络以及无线通信、分布式信息处理等多种综合性的技术。传感器网络能够广泛用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械控制、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以
2、及机场、大型工业园区的安全监测等领域。文中设计了一种无线传感器节点，硬件设计基于 Moteiv 方案，采用超低功耗单片机 MSP430F1611作为数据处理芯片，以 CC2420 无线射频芯片作为收发芯片，并拥有 JTAG 以及其他扩展接口。通过硬件测试以及软件调试该节点符合设计指标。1 系统概述无线传感器网络由大量无线传感器节点组成，每个节点由传感器采集数据，数据处理芯片负责接收和处理传感器采集到的数据，通过无线射频芯片进行数据的无线传输与接收以及无线组网功能。USB 接口可以作为电源以及编程接口，一线硅序列号可作为节点的唯一标识，Flash 芯片用于存储数据，JTAG 口用于调试与编程。2
3、 硬件设计节点主要由 6 部分组成：电源单元、无线射频模块、传感器模块、USB 通信模块和微处理器。2.1 电源单元传感器节点体积微小，通常携带能量有限的电池。能量供应模块在无线传感器节点中至关重要，为传感器节点各部分提供能量。需要长时间数据采集的传感器有的需要太阳能等方式来维持节点的正常运转。节点的各部分也需要精心设计。节点微处理器的工作电压为 1.8 3.6V，无线射频芯片工作电压为 2.13.6V ， Flash 供电电压为2.73.6V ，USB 转换芯片由 USB 供电。因此电源可以选用 3V 纽扣电池供电，有效减少了节点的大小。另外 USB 也可以作为供电源，同时作为编程电源，电源
4、单元如图 2 所示。LC 滤波单元对交流电具有较好的滤波效果，同时又不会降低直流输出电压。低压差的稳压器 ADP3339 保证了电源较好的稳压性。2.2 无线射频模块节点中的无线收发机，采用 Chipcon 公司推出的一款兼容 2.4GHz IEEE802.15.4的无线收发芯片 CC2420。它基于 Chipeon 公司的 Smart RF03 技术，使用 0.18m CMOS 工艺生产，具有较高的集成度。该芯片体积小、功耗低，具有完全集成的压控振荡器，只需天线、16MHz 晶体等少量外围电路就能在 2.4GHz 频段上工作。CC2420 采用OQPSK 调制方式；超低电流消耗，接收灵敏度可
5、达到-94dBm，抗邻道干扰能力强，其选择性和敏感性指数超过了 IEEE802.15.4 标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输速率高达 250kbits-1，可实现多点对多点的快速组网。图 3 中无线射频模块的外围电路采用 CC2420 手册提供的典型应用电路的器件数值，这样保证了芯片能工作在正常状态。另外为达到最优性能，必须使用电源去耦，去耦电容和电源过滤的设置和大小对于在应用中获得最优性能起着关键作用，TI 提供一个紧凑的参考设计，必须严格按照该设计进行。同时增加数字、模拟电源采用电容滤波。CC2420 需要一个 16MHz 的参考时钟用于
6、传输速率为 250kbits-1 的数据收发，参考时钟可以来自外部时钟源，也可以由内部晶体振荡器产生，这里采用内部晶体振荡器产生的方式。天线阻抗匹配至关重要，为获得较好的发射功率，在原有基础上对部分电容、电感进行了适当的调整。CC2420 与微控制器的通信通过 4 线 SPI 总线实现 (SI、SO、SCLK、CSn)，通过控制 FIFO 和 FIFOP 管脚接口状态可以使芯片工作在发射或接收模式，另外 CCA 用于空闲信道评估，SFD 用于控制时钟或定时信息的输入。2.3 传感器模块传感器是无线传感器节点的数据采集单元，可以根据实际需要选用不同的传感器，节点采用温度、湿度传感器 SHT11。
7、SHT11 是一款将温度、湿度传感器、信号放大调理器、A/D 转换器和总线接口集成于一个芯片上的单片全校准数据输出传感器，它可以直接提供温度在-40120范围内且分辨率为 14 bit 的数字输出和湿度在 0100%RH 范围内且分辨率为 12bit 的数字输出。传感器及外围模块如图 4 所示。 SHT11 电源供电要求为 2.45.5V ，电源和时钟信号均由微处理器提供，数据线管脚三态输出，因此需要外界一个上拉电阻将信号拉高。2.4 USB 通信模块无线传感器网络由大量节点组成，这些节点按一定协议将采集的数据进行融合、传输，最终将数据传送到个人电脑上进行处理和观察，同时节点工作需要将特定的程
8、序写入Flash 中。目前个人电脑最常用的接口为 USB，而微处理器使用 USART 接口，为实现两种接口之间转换，节点使用 FT232BM 芯片作为转换芯片。FT232BM 是一种单片 USB到异步串口转换芯片，支持全握手和调制解调接口信号，在 TTL 级数据传输速度范围为300bits-13Mbits-1。芯片通过 USB 总线供电，工作电压为 4.355.25V ，采用外部 6MHz 时钟。USB PID、序列号和产品信息可以保存在外部 EEPROM 中。USB 通信模块接口如图 5 所示。2.5 微处理器模块微处理器是无线传感器节点的核心，传感器数据的数据处理，串行口以及无线模块的传输
9、与控制均需要微处理器的参与。节点微处理器 TI 公司的 16 为超低功耗MSP430F1611。该微处理器工作电压为 1.83.6V，在 RAM 数据保持方式下耗电仅为0.2A，在激活工作 1MHz 的情况下为 330A，可以工作在 5 中低功耗模式，唤醒时间6m。Flash 大小为 48kB，RAM 大小为 10kB。芯片内部有 16 位定时器 Timer_A和 Timer_B 具有捕获 /比较功能；大量的捕获/比较寄存器可用于事件计数、时序发生等；多功能串口(USART)可以实现异步、同步和 I2C 串行通信，可以方便地实现多级通信的应用；具有较多的 I/O 端口，最多达 68 条 I/O
10、 口线， P1、P2 口还可以接收外部上升或下降沿的中断输入；12 位 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbits-1，能满足大多数数据采集的应用。微处理器模块如图 6 所示。温度湿度传感器连接 P1 口5、 6、 7 管脚，无线模块 SPI 接在 P3 口 1、2、3 和 P4.4 管脚，USB 通信模块数据线连接到 P3 口 6、7 管脚。其他管脚分别用于控制和扩展接口。外部晶振大小为 32MHz。2.6 电路板设计电路板根据不同的标准有不同的分类，在设计中大多数根据板的数目分类，在电气连接关系复杂的电路板设计中，双面板难以满足电路布线的要求，这时就必须考虑使用多层板。本节
11、点采用 4 层板，顶层主要是 USB 模块和无线模块，底层为微处理器模块，内部层为电源层和地层。设计结果如图 7 所示。 节点实物如图 8 所示。3 设计验证3.1 无线模块验证为对设计的节点功能进行验证，首先使用 IAR 集成开发环境编写 CC2420 的测试程序，通过 JTAG 将程序烧入 Flash，经过检测，射频部分较好地满足了预期。芯片工作频带范围为 2.42.48GHz ，发射功率为 0dBm。经过频谱仪和频率计验证设计符合要求，验证结果如图 9 所示。3.2 传感器和 USB 转换模块验证TinyOS 是 UC Berkeley 开发的开放源代码操作系统，专为嵌入式无线传感器设计
12、，操作系统基于构件的架构使得快速更新成为可能，而这又减小了受传感器网络存储器限制的代码长度。TinyOS 的构件包括 网络协议、分布式服务器 、传感器驱动及数据识别工具。其良好的电源管理源于事件驱动执行模型，该模型也允许时序安排具有灵活性。因此对于整个无线传感器网络的验证采用 TinyOS 操作系统，设计为两个节点，节点 A 负责采集温度湿度数据，然后将采集到的数据发送到另一个节点 B，节点 B 接收到数据后，通过 USB将数据传输到个人电脑，并将该数据通过图表显示，如图 10 所示。4 结束语文中所设计的一种无线传感器节点，硬件设计基于 Moteiv 方案，采用超低功耗单片机MSP430F1611 作为数据处理芯片，以 CC2420 无线射频芯片为收发芯片，并拥有JTAG 以及其他扩展接回，通过硬件测式以及软件调成该节点符合设计指标。
