無線傳感器網絡的應用領域非常廣，包括環(huán)境的監(jiān)測和保護,、醫(yī)療護理,、軍事領域、工業(yè)領域等,。美國商業(yè)周刊和MIT技術評論在預測未來技術發(fā)展的報告中,，分別將無線傳感器網絡列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的十大技術之一。
無線傳感器節(jié)點一般通過電池供電,，硬件結構簡單,，通信帶寬小，點到點的通信距離短,，所以工作時間有限及通信距離短成為無線傳感器網絡的兩個主要瓶頸,。如果要求工作時間長同時通信距離遠，就必須在軟硬件上同時做處理,。因此本設計在硬件上采用集成度高,、功耗超低的MSP430F149作為控制芯片，以功能強大,、外圍電路簡單,、功耗低的Si4432作為無線收發(fā)芯片，并通過電源管理芯片TPS61200充分利用電池的能量（只要電池電壓在0.2V～5V范圍內整個系統(tǒng)即可正常工作）,。在軟件上,，所有節(jié)點之間都具有自組織能力，通過轉發(fā)、多跳等方式進行通信,；通信可覆蓋范圍廣,。采用等待喚醒方式即休眠模式下經喚醒進入工作模式，完畢后再進入休眠模式的工作方式,，大大降低了能量的消耗,；充分考慮其工作壞境的惡劣性，采用E2PROM存儲技術及看門狗技術,，系統(tǒng)把所有有用信息保存在E2PROM中,，當系統(tǒng)因外界干擾使程序進入非正常工作時，看門狗使系統(tǒng)復位,，然后從E2PROM中讀取有用信息繼續(xù)工作,，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。
1 系統(tǒng)總體方案
系統(tǒng)由基站節(jié)點,、傳感器節(jié)點和上位機組成,。節(jié)點硬件主要包括7部分：處理器（MSP430F149）、Si4432射頻收發(fā)模塊,、電源管理模塊,、串口通信模塊、JITAG下載模塊,、傳感器接口模塊和E2PROM存儲模塊,。基站節(jié)點沒有傳感器模塊,，傳感器節(jié)點沒有串口通信模塊,。基站節(jié)點由上位機USB接口供電,。傳感器節(jié)點使用2節(jié)5號電池供電,。采用TPS61200作為電源管理器，只要電池電壓在0.2V～5V范圍內,，系統(tǒng)即可以正常工作,，大大地延長了電池的使用時間。為了調試方便,，在節(jié)點上增加了撥碼開關和LED信號指示燈,。整個系統(tǒng)軟件由上位機處理軟件、基站節(jié)點軟件,、傳感器節(jié)點軟件三部分組成,。在傳感器節(jié)點軟件設計上充分考慮了低功耗節(jié)能問題，因為它的能量主要消耗于無線射頻模塊,，因此在組網時盡量使Si4432的輸出能量設定為最小,，且在沒有收發(fā)信息時工作在睡眠模式,，即等待喚醒模式。
2 自組織協(xié)議設計
在協(xié)議中,，通過定義數據包的格式和關鍵字來實現節(jié)點的自組織,。
2.1 協(xié)議格式
自組織協(xié)議格式如圖1所示。
圖1自組織協(xié)議格式
其中,，Pre表示前導碼,，這些字符雜波不容易產生，通過測試和試驗發(fā)現,，噪聲中不容易產生0x55和0xAA等非常有規(guī)律的信號,，因此前導碼采用0x55AA。Sync（同步字）在前導碼之后,，本系統(tǒng)設定的同步字為2B，同步字內容為0x2DD4,，接收端在檢測到同步字后才開始接收數據,。Key表示關鍵字，高6位用來表示目標地址的級別,，接收節(jié)點會根據高6位決定數據的去向（比本級節(jié)點大則向下級節(jié)點傳,，若小則反之，如果相等則判斷目標地址是否為本節(jié)點地址,，是則直接向目標表地址發(fā)送,，否則向上級發(fā)送節(jié)點回復重發(fā)應答）；低2位用來區(qū)分各種情況下的數據（命令信號,、組網信息,、采集信息、廣播信息）,；接收節(jié)點會根據這些關鍵字低2位分別進入不同的數據處理單元,。From表示源地址，是發(fā)送數據的節(jié)點地址,；Mid表示接收信息的中轉節(jié)點地址,；Fina表示數據的目標地址；除廣播信息外,，每個信息都有唯一的源地址和目標地址,；Data表示有效數據，這些數據隨著關鍵字（Key）的不同而采用不同的格式,，可攜帶不同的信息,；Che表示檢驗位，說明采用何種校驗方式（校驗和還是CRC校驗）,，可避免接收錯誤的數據包,；Flag表示數據包的結束標志位,。Si4432內部集成有調制/解調、編碼/解碼等功能,，從而Pre,、Sync和Che都是硬件自動加上去的，用戶只需設定數據包的組成結構和部分結構的具體內容（如前導碼和同步字）,。
2.2 自組織算法
網絡由一個基站和若干個傳感器節(jié)點組成,，基站上電初始化后就馬上進入低功耗狀態(tài)（Si4432射頻模塊處于睡眠狀態(tài)）；傳感器節(jié)點隨機地部署在需要采集信息的區(qū)域內,，上電初始化后開始組網,。首先發(fā)送請求基站分配級別的命令，若收到基站應答則定義為一級并把自身信息（包括地址,、級別等）發(fā)給基站,；反之若發(fā)送次數達到設定值，則向周圍節(jié)點發(fā)送廣播信號,，通過周圍節(jié)點應答信息整理得出自身的網絡級別,，并向周圍節(jié)點及基站發(fā)送自身信息。如果還是未能分配到級別則延時等待其他節(jié)點分配好級別后重新請求入網,。每個入網的傳感器節(jié)點都保存有周圍節(jié)點（上級,、同級、下級節(jié)點）信息（級別及對應的地址）,，最后就形成了網絡拓撲結構,。
自組織算法流程圖如圖2所示。
圖2 自組織算法流程圖
3 節(jié)點硬件設計
傳感器節(jié)點要求低功耗,、體積小,，因此選用的芯片都是集成度高、功耗低,、體積小的芯片,，其他器件基本上采用貼片封裝。節(jié)點硬件框圖如圖3所示,。
本設計中MCU采用TI公司生產的一種混合信號處理器MSP430F149,，內部資源豐富，具有兩個16位定時器,、一個14路的12bit的模數轉換器,、6組I/O、一個看門狗,、兩路USART通信端口等,；因此節(jié)點的外部電路非常簡單，并且還具有功耗超低的突出特點,，當工作頻率為1MHz,、電壓為2.2V時全速工作電流僅為280μA,，待機狀態(tài)下電流低至1.6μA。它的工作電壓范圍為1.8V～3.6V,，非常適合應用于電池供電的節(jié)能系統(tǒng)中,。
Si4432芯片是SiliconLabs公司推出的一款高集成度、低功耗,、寬頻帶EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片,。其工作電壓1.8V～3.6V，可工作頻率范圍為240MHz～930MHz,；內部集成分集式天線,、功率放大器、喚醒定時器,、數字調制解調器,、64B的發(fā)送和接收數據FIFO，以及可配置的GPIO等[4],。Si4432在使用時所需的外部元件很少,，1個30MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng),，設計簡單,，且成本低,。預留了大量外接傳感器接口,，外接傳感器的信號能以中斷方式喚醒節(jié)點。
4 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)軟件設計注重低功耗,、數據采集實時性,、系統(tǒng)穩(wěn)健性及可靠性，在低功耗設計中采用智能控制策略,，讓系統(tǒng)需要工作時處于全速工作模式,，其他時刻處于低功耗模式。數據采集實時性設計中關鍵是路由選擇,，主要依據是跳數最少路徑最短原則（兼顧能量優(yōu)先原則）,。系統(tǒng)穩(wěn)健性設計部分，當傳感器節(jié)點因能量耗盡或其他原因不能工作或者有新的傳感器節(jié)點請求加入網絡時,，整個網絡會馬上重新組網,，形成新的網絡拓撲結構。在系統(tǒng)可靠性設計中采用看門狗等技術增強系統(tǒng)抗干擾能力,。系統(tǒng)軟件框圖如圖4所示,。
圖4 系統(tǒng)軟件結構
4.1 基站軟件
基站節(jié)點通過上位機USB供電所以一直工作在全速狀態(tài)，加快了對外部的響應速度,。上電初始化后,，根據中斷程序中的標志位值對獲得的信息進行相應處理,，處理完后把標志位置零，循環(huán)執(zhí)行此操作,?；竟?jié)點通過串口與上位機相連；因此外部事件包括串口中斷事件和接收到數據中斷事件,。
為了防止串口通信過程中丟失數據,，軟件設計上加了握手協(xié)議。當基站節(jié)點每發(fā)送一個數據包給上位機時,，上位機都會向基站節(jié)點發(fā)送應答信號,，直到數據包發(fā)送給上位機。上位機接收到數據包后,，馬上進入中斷處理,，處理完后把相應標志位置1，通過主程序做進一步處理,。
4.2 傳感器節(jié)點軟件
傳感器節(jié)點主程序主要是實現組網,，當節(jié)點上電初始化后設定發(fā)射功率為最小，請求入網,。如果入網不成功則加大發(fā)射功率,，繼續(xù)請求入網。經試驗證實,，發(fā)射功率越小,，電池的使用壽命就越長。入網成功后,，保存入網信息,，并馬上進入低功耗狀態(tài)，同時使用兩個中斷,，一個外部接收數據中斷,，一個定時器采集中斷。程序流程圖分別如圖5,、圖6所示,。數據發(fā)送放在定時中斷程序里完成。
圖5 接收數據中斷
圖6 串口中斷流程
當多個傳感器節(jié)點同時發(fā)送數據時,，則會出現掙搶信道的現象,。為了避免多個傳感器節(jié)點同時與某個傳感器節(jié)點通信造成數據丟失，軟件上采用一定的退避機制,。一方面,，利用射頻芯片Si4432的載波偵聽信號來產生隨機延時，以避免同時發(fā)送信號,；另一方面,，當一個傳感器節(jié)點與某個傳感器節(jié)點建立了通信通道時,，其他發(fā)送數據的節(jié)點會增加發(fā)射數據的次數。
4.3 上位機軟件
上位機主要功能有發(fā)送重組網命令,、向任意傳感器節(jié)點發(fā)送采集信息命令,、建立良好的人機界面用于觀察傳感器采集來的信息、幫助基站節(jié)點處理數據減輕基站的負擔等,。人機界面采用VisualBasic（VB）來設計,，利用VB的MSComm控件實現上、下位機的串口通信,。利用其他控件實現對無線傳感器網絡的分析,、顯示和操作，在此不再詳細說明,。
本文采用MSP430F149作為處理器,，Si4432作為無線收發(fā)器，利用它們的高集成度,、超低功耗等優(yōu)勢設計了一種無線傳感器網絡系統(tǒng),。該系統(tǒng)節(jié)點上電后會自行組網，當向網絡加入新節(jié)點或移除某個節(jié)點時系統(tǒng)會重新組網,，并且不會對系統(tǒng)通信產生毀壞性影響,。系統(tǒng)節(jié)點最多可達256個，覆蓋范圍廣,。Si4432的緩沖寄存器為64KB,，一次性可發(fā)送接收信息量可多達62KB?；竟?jié)點通過串口跟上位機相連,，在上位機建立良好的人機界面可以觀察每個傳感器采集來的信息,，并且可以控制每個節(jié)點的工作狀態(tài),。本系統(tǒng)已在實際中成功應用。