基于MSP430的无线传感器网络设计

    无线收发模块仍采用nrf401芯片配以环形差分天线。以3v电压供电，ttl与rs232电平转换单元选用max3316芯片，该芯片在2.25－3.0v供电即可实现两通道双向电平转换，可直接操作nrf401芯片串行数据线din/dout、控制线txen。但实验结果表明，该设计方式中上位pc机通过api函数调用零或串口控件方式来操作口线会产生较高的误码率，须涉及更底层的寄存器操作才能高效地实现数据提取，这无疑增加了设计的复杂性，故sink点在实际制作中选用具备2路uart通道的msp430f149芯片作为无线与有线串行传输的连接与处理单元，实现数据初级的封装与分解，为上位机提供便携的接口方式。

2 软件设计流程

传感器节点的处理器msp430系列单片机支持c语言程序设计，适用于msp430系列的c语言与标准c语言兼容程度高，大大提高了软件设计开发的工作效率，增强了程序代码的可靠性、可读性和可移植性，图5为传感器节点的工作流程图。  

   

     上位pc机作为控制中心必须具备网络唤醒、数据处理、路由维护功能，c＋＋builder、delp hi和微软的visual basic都可选的快速开发工具。上层软件功能由delphi实现，图6为无线传感器网络探测系统框图。

考虑到点对点通信的可靠性、数据在底层无线传输中需要增加必要的协议规范，设计中对有效数据进行打包，格式为：前导码、地址、有效数据载荷、校验码。针对nrf40x系列芯片，按厂家建议支持uart方式下使用0x55ff（十六进制）作为"前导码"；"地址"作为不同应答点的标识。"有效数据载荷"则包含满足上层设计协议格式的数据包，该部分需根据应用要求尽量减少数据包长，以缩短该数据包在传输链路的生存期，数据包末尾增加"检验码"可以验证数据的有效性，crc（循环冗余码）是一种简单易行的处理方法，数据封装与处理全部由微控制单元实现。

3 组网技术研究

对应nrf401使用的434.33mhz频点，在组网设计中通信方式采用tdma（时分复用）方式：sink点分时段对网络中节点进行查询，若节点有突发事件探测，则随机选择空闲时隙将数据上传。当信道处于阻塞状态则采用随机退避机制，等待信道处于空闲状态再进行数据传输，因此各节在通信过程中必须避免长时间对信道的占用。

网络的可靠性和高效性关键是合理的通信协议设计，spin（sensor protocol forinformation vianegotiation）是以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制来避免数据传输过程中的"内爆"和"重叠"问题，传感器各节点只有相应的请求时，才有目的地发送数据信息，spin协议中也3种类型的消息：adv广播数据发送、req请求数据接收和data数据封装。

自组织无线传感器网络的网络拓扑可分为3种：1）基于簇（cluster）的分层结构，簇头就是分布式处理中心，收集簇成员数据并完成数据处理和融合，最后将数据由其他簇头多跳转发或直接传回sink点，2）基于网（mesh）的平面结构，在这种结构下传感器网络连成一张网，临近节点直接通信，在个别链路和传感器节点发生失效时不会引起网络分立。3）基于链（chain）的线结构，在这种结构下传感器节点被串联在一条或多条链上，链尾与用户节点相连。由于链型结构更易于在网络初始化中实现，因此设计中采用该种网络拓扑。

实现超低功耗即可延长节点和网络的寿命。节点的能量消耗有3方面：传感器件数据采集、微控制单元的数据存储与处理和无线模块数据接收/发射。其中能量消耗最大的是在射频信号发射过程中，因此必须合理地前切换芯片收发，并设置节点休眠与唤醒状态，以最大限度降低能量消耗。

结语

基于msp430的无线传感器网络设计在小规模实验中表现出良好稳定的效果，可在特殊环境下实现监测区域内信号的采集传输与处理，伴随无线自组织网络技术的成熟和新的能量解决方案的提出，无线传感器网络的应用必将生活环境监测、医疗保健、空间探索和灾害预测等各领域。