无线传感器网络系统设计

无线传感器网络是由大量的具有通信和计算能力的传感单元构成的智能测控网络系统，它综合了传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信 技术及分布式信息处理技术等，是新兴的交叉研究领域，具有重要的研究价值和广阔的应用前景，成为当今信息领域的研究热点。

在 军事应用中，大量的传感器节点通过人工布设、火炮发射、飞行器空投等方式布放至监控区域，以自组织的方式构成无线传感器网络，并采集声音、震动、磁、温 度、湿度等各种环境信息或监测对象的信息，实现感应、检测、定位、监视和警戒等多方面的应用，提高战场信息的感知、传输和处理能力。无线传感器网络预示着 为战场带来新的电子眼和电子耳，将成为网络中心战和现代电子信息战的重要组成部分。

无线传感器网络概述

无 线传感器网络是将大量具有通信与计算能力的微小传感器节点，通过人工布设、空投、火炮投射等方法部署在预定的监控区域，构成的"智能"自治测控网络系统。 使用无线传感器网络的目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并传送到观察者。感知对象、传感器网络和观察者构成了无线传感器网络的 三个要素。

一个典型的无线传感器网络体系结构包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机布设在监测区域内，通过自组织的方式构成网络。

无 线传感器网络与传统的无线ad-hoc网络虽然有很多相似之处和共同特点，但二者之间也存在一些本质的区别。无线ad-hoc网络的目的是通过动态路由和 移动管理技术，为用户提供高质量的数据传输服务，本质上是一种数据网，节点的计算和通讯能力较强，并有持续的能量供给。无线传感器网络以监控物理世界为主 要目标，是一种测控网络，节点的计算和通讯能力较弱，能量供给严重受限。归纳起来，无线传感器网络具有如下特点：规模大、密度高；无中心、自组织；网络动 态性强；节点资源受限；多跳路由；以数据为中心。

系统整体方案设计

本文针对战场侦察监控的应用需求，基于MSP430F149单片机和无线射频芯片nRF905，设计了一种无线传感器网络系统。

无线传感器网络系统主要由普通传感器节点、汇聚节点和上位机监控平台组成。普通传感器节点散布在观察区域内，负责采集和观察对象相关的数据，并将协同处理后的数据传送到汇聚节点。汇聚节点将网络中的数据在上位机监控平台上进行处理和显示。

无线传感器网络节点设计的好坏直接影响到整个网络的质量，无线传感器网络节点主要由数据处理单元、无线通讯单元、传感器单元、电源单元组成，如图1所示。

针对野外条件下的无线传感器网络实时监测和突发事件处理的应用需求，无线传感器网络节点在设计上，重点考虑以下几个方面：①低功耗、低成本、小体积；②稳定性；③扩展性和灵活性。

无线传感器网络节点由处理器/射频通讯板和传感器板组成。处理器/射频通讯板采用了超低功耗的MSP430F149单片机和具有多种工作模式的无线射频芯片 nRF905，传感器板采用了声音、加速度和磁性三种传感器，用于实现对环境数据的采集和目标信息的探测，同时通过蜂鸣器、麦克风以及音频信号的接收放大 和解码电路实现节点间的测距。系统采用两节5号电池供电。汇聚节点采用与普通传感器节点相同的结构设计。

系统硬件设计

微处理器选型

MSP430 系列单片机是美国TI公司推出的16位超低功耗、高性能类型的混合信号控制器，专为超低功耗应用精心设计。其在1.8V~3.6V电压下工作，适合于电池 供电使用。高度灵活的时钟系统、多种操作模式可大幅降低功耗，显著地延长电池的使用寿命。同时，该产品将大量的外围模块整合在片内，适合于设计片上系统； 有丰富的系列型号器件可供选择，给设计者带来很大的灵活性。MSP430单片机的这些特性，非常适合应用在无线传感器网络系统中。

无线通讯单元设计

nRF905 是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9V~3.6V，工作于433/868/915MHz三个ISM（工业、科学和医学）频道，频道之间的 转换时间小于650µs。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表面滤波器。Shock Burst工作模式，能自动处理字头和CRC（循环冗余码校验）；通过SPI串口与微控制器通讯。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时， 电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。这些特点使得nRF905非常适合在无线传感器网络中 应用。

nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两