基于MSP430和NRF2401的WSN节点设计 2011-06-02 11:05:55来源:互联网
0 引 言
无线传感器网络WSN(wireless sensor network)是一种自组织网络，它由大量低成本、资源有限的传感节点设备组成，节点间协同工作实现某一特定任务。由于无线传感网络所具有的易扩展、自组织、分布式结构和实时性的特点，无线传感网络的应用已经由军事领域扩展到其他许多领域，例如环境监测、气候监测、目标追踪、工业自动化等方面，此外还为未来的远程医疗和空间探索提供了很大的应用空间。
无线传感器网络体系结构如图1所示，通常包括传感器节点、汇聚节点(sinknode)、外部网络和用户界面。大量传感器节点随机部署在感知区域(Sensorfield)内部或附近，能够通过自组织方式构成网络，传感器节点将采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中所采集的数据可能被多个节点处理，经过多跳路由后到汇聚节点，再由汇聚节点通过外部网络把数据传送到处理中心进行集中处理。

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1 系统硬件设计
无线传感器网络终端节点的硬件一般包括数据处理单元、无线传输单元、传感采集单元和电源供应单元。如图2所示，传感采集单元可以根据应用背景选择相应的测量物理量的传感器，电源供应单元部分由于系统大部分处于低功耗模式，可以采用7号电池解决。下面着重介绍数据处理单元、无线传输单元。


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1．1 数据处理单元
MSP430是具有超低功耗特点的16位单片机，本方案选用MSP430F148，其功耗电流已经达到了μA级。16位CPU和高效的RISC指令系统，无外扩的数据地址总线，在8MHz时可达到125ns的指令周期，具有16个快速响应中断，能及时处理各种紧急事件。丰富的片内外围功能模块：12位的A／D转换器ADC12内包括采样／保持功能的ADC内核、转换存储逻辑、内部参考电平发生器、多种时钟源、采样及转换时序电路。有8个外通道，4个内通道，高达200kbps的采样速率，多种采样方式。两路USART通信串口，可用于UART和SPI模式；片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器，6个并行口P1～P6，48条I／O口线，其具有64KB的闪存，用于存储采集数据。

1．2 无线传输单元
本系统采用2．4GHz无线单片收发芯片nRF2401，它具有体积小、功耗低，外设少的特点，非常适合于无线传输应用系统。nRF2401可以由SPI接口与微处理器连接，通过这个接口完成设置和收发数据工作。许多单片机都集成了SPI控制器，例如MSP430，可以非常方便地通过软件设置最多40bit地址，只有收到本机地址时才会输出数据(提供一个中断指示)，并且支持点对多点的操作，编程很方便。nRF2401与单片机采用SPI接口连接，原理图如图3所示。SPI总线接口技术是一种高速、高效率的串行接口技术，主要用于扩展外设和进行数据交换。


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2 软件设计
软件开发以IAR Workbench V3．1为平台，采用C语言编写，软件编程的基本思路是：先对SPI、nRF2401控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，对nRF2401芯片初始化；开启接收机后，就可以运行任务程序了，以实现接收或发送数据，对nRF2401操作流程如下：
nRF2401有4种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三个引脚决定。对nRF2401的操作主要是配置其工作方式和读写数据，