开放式的无线传感器网络节点平台设计

摘要：无线传感器网络是一种应用相关的网络。不同的应用背景需求不同的无线传感器网络节点。硬件的相关性太强不利于向其他平台移植。为解决该问题，利用硬件的模块化的设计思想，我们设计了一种开放的可扩展的无线传感器网络节点平台。该平台以MSP430F5438微处理器作为主控芯片，以CC2420作为射频控制芯片。实验证明该平台具有低功耗、开放式以及可扩展等特点。
关键词：无线传感器网络；开放性；节点平台；MSP430F5438；CC2420

无线传感器网络(Wireless sensor network，WSN)是一种全新的信息获取平台，由大量廉价的静止的或移动的传感器模块以自组网络和多跳的方式构成无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内监测对象的信息，并报告给用户。WSN在军事、农业、环境监测、医疗卫生、工业、智能交通、建筑物监测、空间探索等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值，被认为是未来改变世界的十大技术之一、全球未来4大高技术产业之一。
传感器技术、嵌入式技术、微机电技术以及无线通信技术的不断进步推动了低功耗、多功能WSN的飞速发展。WSN的研究人员设计了很多无线传感器网络硬件平台，其大致分为两类：专用平台和通用平台。孙鹏等设计了一款基于Si1000的无线传感器网络节点用于监测粮食的储备环境；韦然设计了一款基于MSP430F1611的无线传感器网络节点用于温湿度检测；郭燕红设计了一款基于MSP430F149的无线传感器网络节点用于对楼宇空调的智能监控；王新忠等设计了一款基于Atmega128L的无线传感器网络节点用于丘陵葡萄园环境信息和土壤墒情的无线监测。上述节点数据采集模块固定只能针对具体的工作要求完成具体的任务，属于专用节点。张伟等设计了一款基于ARM7的开放式的无线传感器网络平台；周应宾设计了一款基于ARM处理器S3C2410的无线传感器网络平台。上述节点具有可扩展性而且具有较强的数据处理功能，属于通用节点。上述节点平台可以应用于不同的任务背景，但是ARM处理器相对于普通低速的单片机如，MSP430往往需要更多的能耗，这将大大缩减此类平台的生命周期。能耗问题是无线传感器网络的一个重要的限制因素，如何高效使用能量来最大化延长网络生命周期是传感器网络所面临的重要挑战。这里我们设计了一款基于MSP4305438微处理器的开放式的无线传感器网络节点。相对于一般的专用无线传感器网络节点我们的节点具有很好的开放性和可扩展性，可以根据实际应用背景实现不同的功能。此外，相对于ARM处理器为主控芯片的节点我们的节点具有更低的能耗。

1 系统总体设计
我们的系统在低功耗的基础上要求其具备开放性和可扩展性。为了实现这一目的我们在该系统的硬件设计时采用模块化设计思想。一般的无线传感器网络节点包括以下四个模块：电源模块、数据采集模块、处理器以及存储模块和无线通信模块。当一个无线传感器网络节点的主控芯片给定后，根据不同的应用背景无线传感器网络节点的差异性主要体现在数据采集模块和无线通信模块。数据采集模块决定了其完成什么功能、无线通信模块决定其使用哪种通信协议。
MSP430F5438微处理器具有丰富的外设，它具有多达10个8位I＼O口。我们可以预留多个I＼O口作为传感器模块接口、无线通信模块接口以及通用接口。最后我们将数据采集模块和无线通信模块单独设计最后通过接插件(插针和穿焊空)和处理器模块预留的接口连接。这样我们在针对不同的应用背景就可以方便地使用不同的传感器模块和无线通信模块而不用再去设计处理器模块甚至电源模块。系统框图如图1所示。

2 硬件设计
节点主要包括6个模块：电源模块、JTAG模块、传感器模块、处理器模块、无线通信模块以及串口通信模块。
2．1 电源及JTAG模块
无线传感器网络节点体积微小，通常以能量十分有限的电池供电。无线传感器网络节点通常分布在环境复杂甚至人不能到达的地方，而且分布范围广数量多，所以通过更换电池或充电的方式来补充能源是不可能的。由于成本和技术的限制，利用太阳能和风能发电来补充能量的方法目前也很难得到应用。如何高效的使用能量来最大化延长无线传感器网络的生命周期是无线传感器网络所面临的首要挑战，这也是我们在无线传感器网络节点的软硬件设计过程中应该重点考虑的问题。
选用TI公司的MSP430F5438作为主控芯片，并利用JTAG仿真器通过JTAG接口将程序写入flash。JTFAG接口是一个双向串行端口，可以控制MSP430的运行、刷新Flash以及读写寄存器等等。MSP430单片机内部集成了遵循边界扫描故障诊断的电路。这样仅需要一个接口，就可以连接电脑进行程序下载和调试了。这样的好处是：传统的仿真器是特殊设计的CPU，价格较贵，增加了开发学习的成本。而TI公司给出了JTAG仿真器的电路设计，使用者可以自己制作，单片机自带仿真接口，所以能够降低用户的开发成本。由于可以通过JTAG口访问MCU内部程序存储器，在发布产品时要将JTAG口切断，否则产品可能会被别人仿制，从而造成损失。MSP430单片机的JTAG端口设计有一个熔丝。熔断熔丝后就无法再通过仿真器进行调试，而这种熔断是不可逆转的物理毁坏，所以能够有效地保护用户的程序不被盗用。