基于单片机的无线传感器网络节点硬件设计

Iroiman

[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。
7 L, P1 x/ M) Y$ g& v' x[关键词]无线传感器网络节点单片机
+ T. N1 ^3 l/ u& A9 r/ P& J引盲
% t( s/ C! p; a0 k6 ]* [无线传感器网络是继Internet之后，将对21世纪人类生活方式产
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
  c2 x. [1 m3 K. S7 L6 k# |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
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
器网络被列为首位。.
0 e  p3 c% C- P+ E  s传感器节点(seneor node)作为WSN的最基本的元素同时也是一个
% J/ I& r8 p& ]4 _& u& Y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
6 Q, s6 Y, i6 T: q  M% z. Z+ X; T: l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
要任务。本文设计了一种基于MSP430和nRF905的传感器节点,该节
点具有高可靠性.低功耗、成本低的特点以及较好的容错性。
一、硬件节点设计
7 v8 P) P0 R( ~6 U/ g% A8 }
图1硬件节点框图
& E& o- c7 k1 H6 ?  V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、
7 W  ~2 [2 _0 `; ?0 P6 v8 G) P/ Q( g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。
: j# S) |& `& K9 y8 ]$ m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、
9 F2 N8 k4 h$ J& ^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
* K: |" Z* Z# ^. H' r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。
# P8 W2 a6 b4 g/ ^3 n6 z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,
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、
, e$ G. W* w7 c  G1 a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
, j, i3 N" w2 }: Y0 E3 Y1 k3 B! B- G2 L/ A市车流量监测、森林防火等多种需要监控的环境中。
二、芯片选型
1、控制模块
4 k4 N+ f% C0 O  z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
点具体体现在:
①低电压超低功耗
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
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
4 Q# m5 }9 V0 O* ~( d; w. K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
Set Computer)结构,具有丰富的寻址方式。同时其处理速度快,当采用
! B8 ?4 d. s" E7 F# u2 o# G* I8MHz晶振时,指令周期为125μs。
/ `, V, D  R- @$ X③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,
% G' V8 O/ N6 m5 q$ Z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
6 Y' q" D- Q! L
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7 I5 [3 D. X$ k$ t附件下载：

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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。