供电单元 - 自组织无线传感器网络设计方案

　　实现节点设计的微型化，节点可采用输出电压3.6V可充电锂离子纽扣电池LIR2032供电。该类电池自放电率小于10%/月，但额定容量较小，限制了节点的生存期。

　　若以两节普通5号AA电池供电，则可维持更长的工作时间。在以网络形式工作状态下，通过合理的设置节点发射机的接收、发射以及待机状态，可有效地延长节点的使用寿命。针对节点供电单元不便于更换的无线传感器网络，新的能源解决方法研究及网络系统的低功耗设计也是当前值得关注的课题。

　　1.2　sink点(数据汇集点)设计

　　传感探测网络内的信息与外部网络或处理中心的连接需要通过sink点来实现。sink点是无线传感器网络与有线设备连接的中转站，负责发送上层命令(如查询、分配ID地址等)、接收下层节点的请求和数据，具有数据融合、请求仲裁和路由选择等功能，是无线传感器网络中最重要的一部分。设计中sink点由上位PC机与无线通信适配单元组成，如图4所示。

　　图4　无线传感器网络sink点模型

　　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。

　　图5　无线传感器网络节点工作流程图

　　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、Delphi和微软的VisualBasic都是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，按厂家建议在支持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小数据包长，以缩短该数据包在传输链路的生存期，数据包末尾增加“校验码”

　　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。

　　图6　无线传感器网络探测系统框图

　　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，因此各节点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(SensorProtocolforInformationviaNegotiation)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，传感器各节点只有在相应的请求时，才有目的地发送数据信息。SPIN协议中有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。

　　4 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广泛深入环境监测、医疗保健、空间探索和灾害预测等各领域。