无线传感器网络在海洋水环境监测系统的应用

是传感网络中最重要的部分，其硬件包括微处理器单元、一个zigbee通信模块及电源管理模块；汇聚节点硬件包括微处理器单元、两个Zigbee通信模块及电源管理模块；网关节点硬件包括微处理器单元、一个Zigbee通信模块、一个GPRS模块及电源管理模块。

　　2.1 节点微处理器MSP430F149单片机

　　由于无线传感器网络节点需要将传感器输出的模拟信号转换为数字信号，可选择一款集成有AD转换功能的微控制器。另外，无线传感器网络节点除完成数据采集功能外，还要完成数据转发和路由功能，因而要有足够的处理能力、程序空间及数据空间。本设计MCU采用的是MSP-430F149单片机，它是TI公司生产的一种16位超低功耗混合信号处理器，称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供"单片"解决方案。其突出优点是低电源电压、超低功耗。由于为FLASH型，所以可以在线对单片机进行调试和下载程序。

　　MSP430F149低频辅助时钟采用32kHz时钟晶振直接驱动，可作为后台实时时钟实现自唤醒功能。集成的高速数字控制振荡器（DCO）频率为8MHz,可作为CPU的主系统时钟（MSLK）源，也可以作为CPU的子系统时钟（SMCLK）源。

　　2.2 节点Zigbee通信模块CC2420

　　本系统中无线传感器网络硬件中的Zigbee通信模块采用低功耗高性能的无线网络模块CC2420来实现，它工作在全球通用的2.4GHz频段。CC2420是一款符合IEEE802.15.4标准的射频收发器，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和灵敏度指数超过IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性，利用此芯片开发的无线通信设备支持数传速率高达250kb/s,可实现多点对多点的快速组网。 CC2420发送数据时，使用直接正交上变频。基带信号的同相分量和正交分量直接被DAC转换为模拟信号，通过低频滤波器，直接变频到设定的信道上，再由天线发射出去。

　　Zigbee通信模块CC2420与单片机的连接电路，如图3所示。

CC2420只需要极少的外围电路，包括时钟电路、射频I/O匹配电路和微控制器接口电路三部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可以由内部电路提供。由内部电路提供时需要外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。例如当采用16MHz晶振时，其电容约为22pF.射频I/O匹配电路主要用来匹配芯片的输入/输出阻抗。CC2420与微处理器的连接非常方便，它使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA四个引脚表示收发数据的状态；微处理器通过SPI接口与CC2420交换数据、发送命令等。

　　CC2420收到物理帧的SFD字段后，会在SFD引脚输出高电平，直到接收完该帧。如果启动了地址辨识，在地址辨识失败后，SFD引脚立即转为输出低电平。FIFO和FIFOP引脚表示接收FIFO的缓存区状态，如果接收FIFO缓存区有数据，FIFO引脚输出高电平；当接收FIFO缓存区为空，FIFO引脚输出低电平；当FIFO引脚在接收FIFO缓存区的数据超过某个临界值时，或在CC2420接收到一个完整的帧以后输出高电平临界值时，可以通过CC2420的寄存器设置。CCA引脚在信道上有信号时输出高电平，它只在接收状态下有效，在CC2420进入接收状态至少8个符号周期后，才会在CCA引脚上输出有效的信道状态信息。

　　SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引脚组成，微处理器通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储器。在访问过程中，CC2420是SPI接口的从设备，接收来自微处理器的时钟信号和片选信号并在微处理器的控制下执行输入/输出操作。SPI接口接收或者发送数据时，都与时钟下降沿对齐，CC2420与MSP430F149是通过SPI连接的，其中MSP430F149处于主模式，CC2420处于从模式。MSP430F149还有4个I/O口与CC2420相连，主要起查询CC2420状态的作用。

　　电源管理模块为传感器单元、处理器单元、无线通信模块提供能源，并对电源进行管理，以提高能量的利用率。

　　2.3 系统IEEE802.15.4工作模式

　　IEEE802.15.4规范中规定使用DSSS调制方式，CC2420中的调制和扩频功能框图如图4所示。

每个字节分为两组符号，4位一组，低位符号首先传送，对于多字节域，则是低位字节首先传送，但是，与安全有关的域先传送高位字节。每个符号映射为一个超过16位的伪随机序列，即32位片码序列。片码序列以2Mchip/s的速率传送，对于每个符号，首先传送低位片码。

　　调制方式为偏移正交相移键控，具有半个正弦的形状，相当于最小频移键控（MFSK）调制，每片的形状通过半个正弦波交替在同相和正交相位信道传送。

　　2.4 数据通信帧格式设置

同步头包括前导序列和开始帧分隔符，在CC242