基于MSP430和NRF2401的WSN節點設計

0 引 言
??? 無線傳感器網絡WSN(wireless sensor network)是一種自組織網絡，它由大量低成本、資源有限的傳感節點設備組成，節點間協同工作實現某一特定任務。由于無線傳感網絡所具有的易擴展、自組織、分布式結構和實時性的特點，無線傳感網絡的應用已經由軍事領域擴展到其他許多領域，例如環境監測、氣候監測、目標追蹤、工業自動化等方面，此外還為未來的遠程醫療和空間探索提供了很大的應用空間。
??? 無線傳感器網絡體系結構如圖1所示，通常包括傳感器節點、匯聚節點(sinknode)、外部網絡和用戶界面。大量傳感器節點隨機部署在感知區域(Sensorfield)內部或附近，能夠通過自組織方式構成網絡，傳感器節點將采集到的數據沿著其他傳感器節點逐跳進行傳輸，在傳輸過程中所采集的數據可能被多個節點處理，經過多跳路由后到匯聚節點，再由匯聚節點通過外部網絡把數據傳送到處理中心進行集中處理。

1 系統硬件設計
??? 無線傳感器網絡終端節點的硬件一般包括數據處理單元、無線傳輸單元、傳感采集單元和電源供應單元。如圖2所示，傳感采集單元可以根據應用背景選擇相應的測量物理量的傳感器，電源供應單元部分由于系統大部分處于低功耗模式，可以采用7號電池解決。下面著重介紹數據處理單元、無線傳輸單元。

1．1 數據處理單元
??? MSP430是具有超低功耗特點的16位單片機，本方案選用MSP430F148，其功耗電流已經達到了μA級。16位CPU和高效的RISC指令系統，無外擴的數據地址總線，在8MHz時可達到125ns的指令周期，具有16個快速響應中斷，能及時處理各種緊急事件。豐富的片內外圍功能模塊：12位的A／D轉換器ADC12內包括采樣／保持功能的ADC內核、轉換存儲邏輯、內部參考電平發生器、多種時鐘源、采樣及轉換時序電路。有8個外通道，4個內通道，高達200kbps的采樣速率，多種采樣方式。兩路USART通信串口，可用于UART和SPI模式；片內有精密硬件乘法器、兩個16位定時器，6個并行口P1～P6，48條I／O口線，其具有64KB的閃存，用于存儲采集數據。

1．2 無線傳輸單元
??? 本系統采用2．4GHz無線單片收發芯片nRF2401，它具有體積小、功耗低，外設少的特點，非常適合于無線傳輸應用系統。nRF2401可以由SPI接口與微處理器連接，通過這個接口完成設置和收發數據工作。許多單片機都集成了SPI控制器，例如MSP430，可以非常方便地通過軟件設置最多40bit地址，只有收到本機地址時才會輸出數據(提供一個中斷指示)，并且支持點對多點的操作，編程很方便。nRF2401與單片機采用SPI接口連接，原理圖如圖3所示。SPI總線接口技術是一種高速、高效率的串行接口技術，主要用于擴展外設和進行數據交換。

2 軟件設計
??? 軟件開發以IAR Workbench V3．1為平臺，采用C語言編寫，軟件編程的基本思路是：先對SPI、nRF2401控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，對nRF2401芯片初始化；開啟接收機后，就可以運行任務程序了，以實現接收或發送數據，對nRF2401操作流程如下：
??? nRF2401有4種工作模式：收發模式、配置模式、空閑模式和關機模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三個引腳決定。對nRF2401的操作主要是配置其工作方式和讀寫數據，所有配置命令字和數據都是通過同步串行口的CLK和DATA兩個引腳完成的。要將nRF2401設置于ShockBurstTM方式，首先使PWR_UP引腳為高電平，CE引腳為低電平。配置字從最高位開始，依次送入nRF2401，CLK下降沿鎖定數據。配置命令字發送完后，在CS的下降沿按新配置字的設置開始工作。使用nRF2401進行發送數據時，采用以下的步驟：1)CE置高，使nRF2401開始工作；2)逐位寫入接收機的地址；3)逐位寫入要傳送的數據；4)CE置低，激發nRF2401進行ShockBurstTM發射。nRF2401的ShockBurstTM發射過程是：給射頻前端供電，射頻數據打包(加字頭、CRC校驗碼)，高速發射數據包，發射完成，nRF2401進入空閑狀態。nRF2401的接口模塊引腳包括CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)，接收端依照以下流程進行數的接收：1)配置本機地址和即將接收的數據包大小；2)進入接收狀態，CE置高；3)200μs后，nRF2401進入監視狀態，等待數據包的到來；4)當接收到正確的數據包時，nRF2401自動除去字頭、地址和CRC；5)nRF2401通過把DR1(可用作中斷信號)置高來通知微控制器；6)微控制器把數據從nRF2401逐位移出；7)所有數據移完，nRF2401把DR1置低，此時如果CE為高，則等待下一個數據包，如果CE為低，開始其他工作流程。

?程序中用到的部分代碼如下：
??? /*invariable*/
??? unsigned char Comm_ok_flag；／*主從機連接OK標志*／
??? unsigned char DR1_flag；／*DR1為高標志*／
??? unsigned char Nrf_on_flag；／*2401開關標志*／
??? unsigned char Shake_hand_flag；／／握手成功標志
??? unsigned char Config_word[W_CFGWORD]；／*存儲配置字15字節*／
??? unsigned char Shock_word[W_SHOCKWORD]；／*存儲一幀協議數據30字節*／
??? unsigned char Rxdata_buffer[W_PAYLOAD]；／*存儲接收數據按協議26字節*／
??? unsigned char Txdata_buffer[N_DATA]；／*存儲發送數據暫定10字節*／
??? unsigned char Order；／*提取數據幀功能碼*／
??? unsigned char Frq_set_value；／*頻道設置數據*／
??? /*function*/
??? void Buildspiword(void)；
??? void Spinrf2401(void)；
??? void Shockburst(void)；
??? void Receiveshock(void)；
??? void Dospiclk(void)；
??? void Nrf2401_on(void)；
??? void Nrf2401_off(void)；
??? void Set_config(void)；
??? void Set_standby(void)；
??? void Set_tx(void)；
??? void Set_rx(void)；
??? void Clr_Payload(void)；
??? void Soft_delay_01ms(int iUs)；
??? void Set_address(void)；
??? void Clr_shock_word(void)；
??? 考慮到點對多點通信的可靠性，數據在底層無線傳輸中需要增加必要的協議規范。設計中對有效數據進行打包，格式為：前導碼、地址、有效數據載荷、校驗碼。

3 結束語
??? 基于MSP430和NRF2401的無線傳感器網絡節點設計在實驗中表現出比較好的效果，可以實現監測區域內信號的采集傳輸與處理。但是由于射頻芯片本身的原因，傳輸距離會受到障礙物的影響和設置頻率而有變化，這些問題都有待更深入的研究。隨著無線網絡技術的成熟無線傳感器網絡的應用必將廣泛深入環境監測、目標追蹤、工業自動化等各領域。