基于MSP430F149与Si4432的无线传感器网络的实现方法

　　无线传感器网络的应用领域非常广，包括环境的监测和保护、医疗护理、军事领域、工业领域等。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的十大技术之一。

　　无线传感器节点一般通过电池供电，硬件结构简单，通信带宽小，点到点的通信距离短，所以工作时间有限及通信距离短成为无线传感器网络的两个主要瓶颈。如果要求工作时间长同时通信距离远，就必须在软硬件上同时做处理。因此本设计在硬件上采用集成度高、功耗超低的MSP430F149作为控制芯片，以功能强大、外围电路简单、功耗低的Si4432作为无线收发芯片，并通过电源管理芯片TPS61200充分利用电池的能量(只要电池电压在0.2V～5V范围内整个系统即可正常工作)。在软件上，所有节点之间都具有自组织能力，通过转发、多跳等方式进行通信;通信可覆盖范围广。采用等待唤醒方式即休眠模式下经唤醒进入工作模式，完毕后再进入休眠模式的工作方式，大大降低了能量的消耗;充分考虑其工作坏境的恶劣性，采用E2PROM存储技术及看门狗技术，系统把所有有用信息保存在E2PROM中，当系统因外界干扰使程序进入非正常工作时，看门狗使系统复位，然后从E2PROM中读取有用信息继续工作，增强了系统的抗干扰能力。

　　1 系统总体方案

　　系统由基站节点、传感器节点和上位机组成。节点硬件主要包括7部分：处理器(MSP430F149)、Si4432射频收发模块、电源管理模块、串口通信模块、JITAG下载模块、传感器接口模块和E2PROM存储模块。基站节点没有传感器模块，传感器节点没有串口通信模块。基站节点由上位机USB接口供电。传感器节点使用2节5号电池供电。采用TPS61200作为电源管理器，只要电池电压在0.2V～5V范围内，系统即可以正常工作，大大地延长了电池的使用时间。为了调试方便，在节点上增加了拨码开关和LED信号指示灯。整个系统软件由上位机处理软件、基站节点软件、传感器节点软件三部分组成。在传感器节点软件设计上充分考虑了低功耗节能问题，因为它的能量主要消耗于无线射频模块，因此在组网时尽量使Si4432的输出能量设定为最小，且在没有收发信息时工作在睡眠模式，即等待唤醒模式。

　　2 自组织协议设计

　　在协议中，通过定义数据包的格式和关键字来实现节点的自组织。

　　2.1 协议格式

　　自组织协议格式如图1所示。

图1自组织协议格式

　　其中，Pre表示前导码，这些字符杂波不容易产生，通过测试和试验发现，噪声中不容易产生0x55和0xAA等非常有规律的信号，因此前导码采用0x55AA。Sync(同步字)在前导码之后，本系统设定的同步字为2B，同步字内容为0x2DD4，接收端在检测到同步字后才开始接收数据。Key表示关键字，高6位用来表示目标地址的级别，接收节点会根据高6位决定数据的去向(比本级节点大则向下级节点传，若小则反之，如果相等则判断目标地址是否为本节点地址，是则直接向目标表地址发送，否则向上级发送节点回复重发应答);低2位用来区分各种情况下的数据(命令信号、组网信息、采集信息、广播信息);接收节点会根据这些关键字低2位分别进入不同的数据处理单元。From表示源地址，是发送数据的节点地址;Mid表示接收信息的中转节点地址;Fina表示数据的目标地址;除广播信息外，每个信息都有唯一的源地址和目标地址;Data表示有效数据，这些数据随着关键字(Key)的不同而采用不同的格式，可携带不同的信息;Che表示检验位，说明采用何种校验方式(校验和还是CRC校验)，可避免接收错误的数据包;Flag表示数据包的结束标志位。Si4432内部集成有调制/解调、编码/解码等功能，从而Pre、Sync和Che都是硬件自动加上去的，用户只需设定数据包的组成结构和部分结构的具体内容(如前导码和同步字)。