實現(xiàn)節(jié)點設計的微型化，節(jié)點可采用輸出電壓3.6V可充電鋰離子紐扣電池LIR2032供電。該類電池自放電率小于10%/月，但額定容量較小，限制了節(jié)點的生存期。

　　若以兩節(jié)普通5號AA電池供電，則可維持更長的工作時間。在以網(wǎng)絡形式工作狀態(tài)下，通過合理的設置節(jié)點發(fā)射機的接收、發(fā)射以及待機狀態(tài)，可有效地延長節(jié)點的使用壽命。針對節(jié)點供電單元不便于更換的無線傳感器網(wǎng)絡，新的能源解決方法研究及網(wǎng)絡系統(tǒng)的低功耗設計也是當前值得關注的課題。

　　1.2　sink點(數(shù)據(jù)匯集點)設計

　　傳感探測網(wǎng)絡內(nèi)的信息與外部網(wǎng)絡或處理中心的連接需要通過sink點來實現(xiàn)。sink點是無線傳感器網(wǎng)絡與有線設備連接的中轉(zhuǎn)站，負責發(fā)送上層命令(如查詢、分配ID地址等)、接收下層節(jié)點的請求和數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合、請求仲裁和路由選擇等功能，是無線傳感器網(wǎng)絡中最重要的一部分。設計中sink點由上位PC機與無線通信適配單元組成，如圖4所示。

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　　圖4　無線傳感器網(wǎng)絡sink點模型

　　無線收發(fā)模塊仍采用nRF401芯片配以環(huán)形差分天線。以3V電壓供電，TTL與RS232電平轉(zhuǎn)換單元選用MAX3316芯片。該芯片在2.25～3.0V供電即可實現(xiàn)兩通道雙向電平轉(zhuǎn)換，可直接操作nRF401芯片串行數(shù)據(jù)線DIN/DOUT、控制線TXEN。但實驗結(jié)果表明，該設計方式中上位PC機通過API函數(shù)調(diào)用或串口控件方式來操作口線會產(chǎn)生較高的誤碼率，須涉及更底層的寄存器操作才能高效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)提取。這無疑增加了設計的復雜性，故sink點在實際制作中選用具備2路UART通道的MSP430F149芯片作為無線與有線串行傳輸?shù)倪B接與處理單元，實現(xiàn)數(shù)據(jù)初級的封裝與分解，為上位機提供便攜的接口方式。

　　2　軟件設計流程

　　傳感器節(jié)點的處理器MSP430系列單片機支持C語言程序設計，適用于MSP430系列的C語言與標準C語言兼容程度高，大大提高了軟件設計開發(fā)的工作效率，增強了程序代碼的可靠性、可讀性和可移植性。圖5為傳感器節(jié)點的工作流程圖。

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　　圖5　無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點工作流程圖

　　上位PC機作為控制中心必須具備網(wǎng)絡喚醒、數(shù)據(jù)處理、路由維護功能，C++Builder、Delphi和微軟的VisualBasic都是可選的快速開發(fā)工具。上層軟件功能由Delphi實現(xiàn)，圖6為無線傳感器網(wǎng)絡探測系統(tǒng)框圖。

　　考慮到點對點通信的可靠性，數(shù)據(jù)在底層無線傳輸中需要增加必要的協(xié)議規(guī)范。設計中對有效數(shù)據(jù)進行打包，格式為：前導碼、地址、有效數(shù)據(jù)載荷、校驗碼。針對nRF40x系列芯片，按廠家建議在支持UART方式下使用0x55FF(十六進制)作為“前導碼”;“地址”作為不同應答點的標識;“有效數(shù)據(jù)載荷”則包含滿足上層設計協(xié)議格式的數(shù)據(jù)包，該部分需根據(jù)應用要求盡量減小數(shù)據(jù)包長，以縮短該數(shù)據(jù)包在傳輸鏈路的生存期，數(shù)據(jù)包末尾增加“校驗碼”

　　可以驗證數(shù)據(jù)的有效性，CRC(循環(huán)冗余碼)是一種簡單易行的處理方法，數(shù)據(jù)封裝與處理全部由微控制單元實現(xiàn)。

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　　圖6　無線傳感器網(wǎng)絡探測系統(tǒng)框圖

　　3　組網(wǎng)技術(shù)研究

　　對應nRF401使用的434.33MHz頻點，在組網(wǎng)設計中通信方式采用TDMA(時分復用)方式：sink點分時段對網(wǎng)絡中節(jié)點進行查詢，若節(jié)點有突發(fā)事件探測，則隨機選擇空閑時隙將數(shù)據(jù)上傳。當信道處于阻塞狀態(tài)則采用隨機退避機制，等待信道處于空閑狀態(tài)再進行數(shù)據(jù)傳輸，因此各節(jié)點在通信過程中必須避免長時間對信道的占用。

　　網(wǎng)絡的可靠性和高效性關鍵是合理的通信協(xié)議設計，SPIN(SensorProtocolforInformationviaNegotiation)是以數(shù)據(jù)為中心的自適應路由協(xié)議，通過協(xié)商機制來避免數(shù)據(jù)傳輸過程中的“內(nèi)爆”和“重疊”問題，傳感器各節(jié)點只有在相應的請求時，才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。SPIN協(xié)議中有3種類型的消息：ADV廣播數(shù)據(jù)發(fā)送、REQ請求數(shù)據(jù)接收和DATA數(shù)據(jù)封裝。

　　自組織無線傳感器網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲可分為3種：

　?、倩诖?Cluster)的分層結(jié)構(gòu)。簇頭就是分布式處理中心，收集簇成員數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)處理和融合，最后將數(shù)據(jù)由其他簇頭多跳轉(zhuǎn)發(fā)或直接傳回sink點。

　?、诨诰W(wǎng)(Mesh)的平面結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下傳感器網(wǎng)絡連成一張網(wǎng)，臨近節(jié)點直接通信;在個別鏈路和傳感器節(jié)點發(fā)生失效時不會引起網(wǎng)絡分立。

　　③基于鏈(Chain)的線結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下傳感器節(jié)點被串聯(lián)在一條或多條鏈上，鏈尾與用戶節(jié)點相連。由于鏈型結(jié)構(gòu)更易于在網(wǎng)絡初始化中實現(xiàn)，因此設計中采用該種網(wǎng)絡拓撲。

　　實現(xiàn)超低功耗即可延長節(jié)點和網(wǎng)絡的壽命。節(jié)點的能量消耗有3方面：傳感器件數(shù)據(jù)采集、微控制單元的數(shù)據(jù)存儲與處理和無線模塊數(shù)據(jù)接收/發(fā)射。其中能量消耗最大的是在射頻信號發(fā)射過程中，因此必須合理地切換芯片收發(fā)，并設置節(jié)點休眠與喚醒狀態(tài)，以最大限度降低能量消耗。

　　4 結(jié)語

　　基于MSP430的無線傳感器網(wǎng)絡設計在小規(guī)模實驗中表現(xiàn)出良好穩(wěn)定的效果，可在特殊環(huán)境下實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信號的采集傳輸與處理。伴隨無線自組織網(wǎng)絡技術(shù)的成熟和新的能量解決方案的提出，無線傳感器網(wǎng)絡的應用必將廣泛深入環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、空間探索和災害預測等各領域。