[基于nRF905的无线传感器网络监测系统的设计]无线传感器网络

　　摘要:针对传统监测系统的局限性,结合单片机控制技术和射频无线通信技术,设计了基于无线数据收发芯片nRF905、以MSP430F149 为主处理芯片的无线传感器网络监测系统,详细阐述了设计原理以及无线通信协议,并对部分基本电路和软件流程进行了介绍。无线监测系统相比有线监测系统应用灵活,可移动性强,将是未来监测系统发展的主要方向。
　　关键词:nRF905 低功耗 TDMA 无线传感器网络
　　
　　 随着计算机控制技术、电子信息技术和网络通信技术的广泛应用,现代监测系统的自动化程度越来越高。现代监测系统需要采集传感器所获取的数据,并将采集的数据传送到主机进行数据分析和处理。但随着监测环境的不断拓展,在无法或不便实现明线连接的场合,采用传统的有线数据传输已不能满足系统的需要。无线传感器网络具有组网快捷、灵活,不受有线网络约束的优点,可应用于多种场合,有着广阔的应用前景[1]。
　　 本文根据无线网络监测系统的特点,采用模块化设计方式,设计了基于无线芯片nRF905的无线传感器网络节点,研究网络通信协议。该无线传感器网络监测系统能够通过各类传感器协作地实时监测、感知和采集各种监测对象的数据,数据通过无线方式发送至用户监控终端,从而实现人们监测各种对象的目的。
　　
　　1 系统硬件设计
　　 系统由传感器数据采集节点和中心数据传递节点构成。传感器数据采集模块连接传感器,负责现场数据采集,该节点通过无线方式与中心数据传递节点通信,中心节点通过串口或其他总线方式连接到用户监控终端。中心节点与传感器节点之间采用无线通信的方式,一个中心节点可以与多个传感器节点进行通信。为了避免多个传感器节点在同一时间发送数据而产生冲突,系统通信采用基于TDMA (Time Division Multiple Access)控制协议。
　　 传感器节点由数据采集模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分组成。其中数据采集模块的主要功能是对环境信息(如温度、湿度、加速度、光电、液位、电磁感应、压力)进行感知、采集并做一定的数据转换;处理器模块的主要功能是负责控制整个传感器节点的操作,其核心任务包括从数据采集单元中获取各种数据,对数据进行标定,对数据收发单元进行初始化及其参数设置,以及收发数据流程的控制等;无线收发模块主要的功能是负责与中心节点进行无线通信、交换控制消息和收发采集数据;电源模块主要负责为传感器节点提供运行所需的能量,通常采用电池供电。
　　 中心节点实现两个通信网络(无线通信网络和485总线网络)之间数据的交换,实现两种协议(TDMA协议和RS-485协议)之间的通信协议转换,它发布监测计算机的监测任务,并把收集到的数据转发到监测计算机。其既可以说是一个增强功能的传感器节点,也可以是没有监测功能仅带无线通信接口的特殊网关设备。中心节点包括电源模块、处理器模块、无线通信模块、存储模块和串行通信模块。
　　1.1 电源模块
　　 电源模块为整个传感器节点提供电压。根据传感器节点各芯片的选择,整个系统采用3.3V供电即可。而二节干电池只能提供3V电压,又考虑到硬件系统要求电源具有稳压功能和文波小等特点,另外考虑到硬件系统低功耗的特点,电源模块采用TI公司的TPS60100芯片即可。该芯片能很好的满足硬件系统的要求,另外该芯片具有很小的封装,能有效的节约传感器节点设计的面积。
　　1.2 微处理器模块
　　 微处理器的功能,一方面负责数据采集,另一方面负责将采集到数据通过无线通信的方式传输给中心节点。系统设计要求单片机运行速度快、功耗低、集成高精度A/ D 转换器等。无线传感器网络的应用受能量有限限制,要求网络节点尽可能节能,选用TI公司超低功耗16位单片机MSP430F149作为核心处理器。MSP430系列微控制器将大量外围模块整合到片内,适合开发低功耗高性能的系统[2]。
　　1.3 存储模块
　　 存储模块选用AT24C02芯片,它是美国ATMEL公司推出AT24C系列两线制(串口型)电可擦除E2PROM芯片,这些芯片体积小,工作电压低,连线简单,工作可靠。这种E2PROM既具有ROM的长期非易失性,又具有RAM的随机可读性,因而广泛地用于信息记录和数据保护等方面。
　　1.4 无线通信模块
　　 无线通信模块使用的芯片是nRF905,图2是nRF905外围电路图。其电路主要包含与微处理器芯片MSP430F149接口电路、晶振电路和天线部分电路三部分。nRF905 采用抗干扰能力强的高斯频移键控(GFSK)调制方式;内置完整的通信协议和CRC 校验电路,曼彻斯特编码/ 解码由片内硬件完成;使用SPI 接口与微控制器通信,配置非常方便;其功耗非常低,内建空闲模式与关机模式,易于实现节能,适合系统长期工作的要求。
　　 nRF905可以支持多个频段, 其中选择那个频段是由nRF905的配置寄存器中的CH_NO和HFREQ_PLL来设置。计算公式如下:
　　 (1)
　　 式中,HFREQ_PLL为1位寄存器:0为工作在433MHz频段;1为工作在868/915MHz频段。CH_ON是9位的寄存器,用来选择具体的频道。还有PA_PWR可以设置发送的功率(默认值为00):00为-10dBm;01为-2dBm;10为+6dBm;11为+10dBm。
　　
　　图1无线通信模块电路
　　1.5 接口电路
　　 微处理器MSP430F149通过控制nRF905 的PWR、TXEN和TRX_CE这三个引脚的电平高低设置nRF905是在工作模式还是节能模式。nRF905有3个引脚CD(载波检测)、AM(地址匹配)和DR(数据就绪),用于状态输出,反馈信息给处理器。MSP430F149通过SPI总线配置nRF905的内部寄存器,实现nRF905的数据收发。nRF905的SPI总线包括4个引脚: SCK(SPI时钟)、MISO(主入从出)、MOSI(主出从入)和CSN(SPI使能),他们别与MSP430F149的P5.0、P5.1、P5.2和P5.3相连。
　　
　　2 系统软件设计
　　2.1 微处理器工作流程
　　 微处理器负责各功能模块的初始化,数据的接收及处理,模块相应状态的设置。其工作流程包括:
　　 (1) 对各功能模块进行初始化(包括各功能接口的初始化、节点地址的读取),使nRF905进入数据接收模式,等待并接收中心节点发的同步信号,对接收到的同步信号进行解析,确定是返回数据命令还是返回地址命令,并确定返回数据或命令的时隙。
　　 (2)采集数据:通过MSP430F149发送命令给传感器数据采集点采集数据,在采集数据期间,使nRF905处于掉电模式,充分节约节点耗电。
　　 (3)延时发送数据:采样结束后,根据同步信号确定的时隙设置定时器,做相应延时,MSP430F149处于休眠状态,延时时间到达,使nRF905处于发送模式,在属于自己的时隙发送温度数据。
　　 (4)进入休眠状态:nRF905发送完数据,关闭nRF905, nRF905休眠,MSP430F149休眠,等待下一个中心节点的同步命令,进入下一个时帧周期。
　　2.2 无线通信协议
　　 为了避免多个传感器节点在同一时间发送数据而产生冲突,系统通信采用基于TDMA (Time Division Multiple Access)控制协议。为了使TDMA网络按时分多址方式正确地工作,网内所有节点对时元和时隙的划分必须有统一的标准,使每一次数据收发都以统一的时钟起点作定时基准[3]。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　 本系统中,中心节点在T0时刻(时帧的起始时刻)开始发同步信号,到T1时刻同步信号发完。设同步信号帧长为P(bit),发送速率为R(bit/s),则发完报头所需的时间为△T = T1 �T0 = P /R。传感器节点在t0时刻开始接收报头,到t1时刻报头收完。对于传感器节点来说,自己并不知道在t0时刻已经开始接收同步信号,但到t1时刻,当同步信号收完时,经相关运算,该传感器节点能判定已经收到同步信号。换句话说,传感器节点可以知道t1时刻的位置,此时传感器节点就可以设置自身的定时器,开始采集温度数据,并计算出给中心节点发送数据的时隙,在属于自己的时隙发送出采集到的温度数据。
　　 TDMA网络时隙的划分方法应根据实际的通信过程来决定。网络的时隙划分必须满足通信的实时性需要,同时也应考虑网络的效率。本系统的时隙按传感器节点数来分配,同时考虑传感器节点采集到的温度数据变化率。
　　 传感器节点将信道按时间轴划分成周期性的时元,每个时元划分成4个时间长短不一的时帧:接收同步信号时帧、采集温度数据时帧、延时发送数据时帧和休眠时帧。
　　 传感器节点一个时帧周期的运行过程是:在没有进入时帧周期前,传感器节点处于休眠状态,等待中心节点的命令;在接收到中心节点传来的同步信号后,传感器节点启动自身时钟和定时器,并进入采集数据时帧,采集数据,准备好向中心节点发送数据;延时时间(由微处理器和定时器控制)到达,启动无线射频发射天线发送数据,数据发送完成,进入休眠时帧。
　　
　　3 结语
　　 无线网络监控系统相比传统有线监测系统有着很大优势。本文基于无线数据收发芯片nRF905和微处理器MSP430F149技术,设计的无线网络节点模块硬件电路简单、可靠性强,软件设计合理、效率高,数据传输速度快,而且具有易扩展、易安装等特性。实验表明,系统能长时间连续工作,误码率低,可靠性高,通信距离能满足要求。
　　
　　参考文献
　　[1] 李晓维.无线传感器网络技术.北京:北京理工大学出版社.2007.8.
　　 [2] 沈建华,杨艳琴,翟骁曙. MSP430系列16位超低功耗单片机实践与系统设计.北京:清华大学出版社,2005.
　　 [3] Shu T, Krunz M. Energy-efficient power/rate control and scheduling in hybrid TDMA/CDMA wireless sensor networks[J]. COMPUTER NETWORKS. 2009 (9): 1395-1408.
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