0 引 言

　　無線傳感器網絡是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統。由于它由大量體積小，成本低，具有無線通信、傳感、數據處理能力的傳感器網絡節點組成。所以功耗、成本、體積、處理能力等受到嚴格的限制。以此超低功耗單片機MSP430為核心，結合無線收發模塊nRF24E1，對無線傳感器網絡的普通節點和網關節點進行了設計。

　　1 無線傳感器網絡

　　由于傳感器節點功率的限制，傳遞的距離非常有限，網絡節點除了從外界環境采集數據外，還要接收鄰近節點的數據，對數據進行處理、融合、轉發。圖1中節點A通過節點B，C，D將數據傳送至網關節點E。再由網關節點與外部網絡相聯，將數據發送給用戶。

　　2 硬件設計

　　無線傳感器網絡節點主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線收發模塊、電源模塊構成,如圖2所示。

　　2．1 數據采集模塊

　　數據采集模塊直接與外界接觸進行信息感知和采集。它將采集的物理量通過積分、放大電路的整形處理后經過A／D轉化為數字信號送給處理器。

　　2．2 數據處理和控制模塊

　　數據處理和控制模塊是傳感器節點的核心，它主要實現設備控制、任務調度、資源管理等功能。作為硬件平臺的中心模塊，應該具有集成度高，功耗低，運行速度快，I／O和擴展接口多等特點，并應適應整個網絡的需要。基于以上原因，可以采用TI公司的 MSP430系列超低功耗處理器、高效的16位．RISC CPU確保任務的快速執行，以縮短工作時間；可以從睡眠模式到活動模式的6μs轉換時間延長待機時間，降低電池的功耗；集成12位A／D轉換器、溫度傳感器、FLASH程序存儲器和2 KB RAM，具有豐富的端口資源，可以與各種傳感器連接。

2．3 通信模塊

　　無線收發模塊主要完成傳感器節點之間、節點與無線傳感器網絡網關之間的數據交換功能，這里采用Nordic公司的nRF24E1芯片。nRF24E1內部集成了2．4 GHz的nRF2401無線收發器，其增強型8051內核和9輸入的10位A／D轉換器無線收發模塊能夠實現點對點、點對多點的無線通信，具有體積小，功耗低和外圍電路簡單等特點。對于無線傳感器網絡中的一些只實現數據采集和傳送功能的節點可以由nRF24E1內嵌的8051單片機進行控制處理，所以可直接采用nRF24E1和傳感器模塊構成傳感器節點。然而，對于數據處理要求高，功能復雜，計算量大，要為通信協議、功能協調、應用處理等提供硬件支持的節點(如網關節點)，則采用MSP430作為處理器，nRF24E1作為無線通信模塊，其連接圖如圖3所示。

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　　通過配置特殊寄存器，可使nRF24E1工作在ShockBurst無線方式。數據低速輸入高速發送，功耗極低，并可通過軟件控制開關進一步降低能耗。用MSP430的P1口控制nRF24E1，通過配置CE，PWR，CS三個控制管腳，使芯片工作在不同的模式。當nRF24E1工作在發送方式時，接口引腳為CE，CLK1和DATA；當CPU請求發送數據時，置CE為高電平。此時，將接收機地址和有效載荷數據送入nRF24E1，置CE為低電平，激活ShockBurst發射；當nRF24E1工作在接收方式時，接口引腳為CE，DR1，CLK1和DATA。在正確設置射頻包輸入載荷的地址和大小后，置CE為高電平。此后，nRF24E1監測信息輸入，若收到有效數據包，則給處理器一個中斷，并置DR1為高電平，使處理器將有效載荷數據取走，待系統收到全部數據后再置DR1為低。此時，如果CE保持高電平，則等待新的數據包；若CE置低電平，則開始其他工作流程。

　　2．4 電源模塊

　　傳感器網絡能量有限，目前主要解決節約電能的方法是采用休眠機制，即節點在沒有事件發生時盡快進入休眠狀態；而在有事件發生時及時自動醒來，并喚醒鄰居節點，形成數據轉發的拓撲結構。在光線充足的地方采用太陽能電池代替化學電池，使節點有更長的工作時間。