无线传感器网络节点的设计与实现

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。
关键词 无线传感器网络；无线传感器节点；MSP430；CC2420；SHT11，TinyOS

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，Fla sh芯片用于存储数据，JTAG口用于调试与编程。

2 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1．8～3．6 V，无线射频芯片工作电压为2．1～3．6 V，Flash供电电压为2．7～3．6 V，USB转换芯片由USB供电。因此电源可以选用3 V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 IEEE 802．15．4的无线收发芯片CC2420。它基于Chipeon公司的Smart RF03技术，使用0．18μm 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、16 MHz晶体等少量外围电路就能在2．4GHz频段上工作。CC2420采用O—QPSK调制方式；超低电流消耗，接收灵敏度可达到-94dBm，抗邻道干扰能力强，其选择性和敏感性指数超过了IEEE 802．15．4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250 kbit·s-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16 MHz的参考时钟用于传输速率为250 kbit·s-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。