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1、采用MSP430F1611的无线传感器网络节点设计1系统概述网络由大量无线传感器节点组成，每个节点由传感器采集数据，数据处理 芯片负责接收和处理传感器采集到的数据，通过芯片进行数据的无线传输与接 收以及无线组网功能。USB接口可以作为电源以及编程接口，一线硅序列号可 作为节点的唯一标识，Fla sh芯片用于存储数据，JTAG 口用于调试与编程。图1系统框图2硬件设计节点主要由6局部组成：电源单元、无线射频模块、传感器模块、USB通 信模块和。2. 1电源单元传感器节点体积微小，通常携带能量有限的电池。能量供应模块在无线传 感器节点中至关重要，为传感器节点各局部提供能量。需要长时间数据采集的 传
2、感器有的需要太阳能等方式来维持节点的正常运转。节点的各局部也需要精 心设计。节点微处理器的工作电压为L83. 6 V,无线射频芯片工作电压为 2.13.6V, Flash供电电压为2.73.6 V, USB转换芯片由USB供电。因此电 源可以选用3 V纽扣电池供电，有效减少了节点的大小。另外USB也可以作为 供电源，同时作为编程电源，电源单元如图2所示。LC滤波单元对交流电具有较好的滤波效果，同时又不会降低直流输出电压。低压差的稳压器ADP3339保 证了电源较好的稳压性。*图2电源单元2. 2无线射频模块节点中的无线收发机，采用Chipcon公司推出的一款兼容2. 4GHz IEEE 802
3、. 15. 4的无线收发芯片CC2420.它基于Chipeon公司的Smart RF03技术，使 用0. 18 um CMOS工艺生产，具有较高的集成度。该芯片体积小、功耗低，具有 完全集成的压控振荡器，只需天线、16 MHz晶体等少量外围电路就能在2.4GHz 频段上工作。CC2420采用0-QPSK调制方式；超低电流消耗，接收灵敏度可达 到-94dBni,抗邻道干扰能力强，其选择性和敏感性指数超过了 IEEE 802. 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 信设备支持数据传输速率高达250 kbit s-1,可实现多点对多点的快速组网。F图3无线射
4、频模块图3中模块的外围电路采用CC2420手册提供的典型应用电路的器件数值， 这样保证了芯片能工作在正常状态。另外为到达最优性能，必须使用电源去耦, 去耦电容和电源过滤的设置和大小对于在应用中获得最优性能起着关键作用， TI提供一个紧凑的参考设计，必须严格按照该设计进行。同时增加数字、模拟 电源采用电容滤波。CC2420需要一个16 MHz的参考时钟用于传输速率为250 kbit s-1的数据收发，参考时钟可以来自外部时钟源，也可以由内部晶体振 荡器产生，这里采用内部晶体振荡器产生的方式。天线阻抗匹配至关重要，为 获得较好的发射功率，在原有基础上对局部电容、电感进行了适当的调整。 CC2420
5、与的通信通过4线SPI总线实现（SK SO、SCLK、CSn）,通过控制 FIFO和FIFOP管脚接口状态可以使芯片工作在发射或接收模式，另外CCA用于 空闲信道评估，SFD用于控制时钟或定时信息的输入。2. 3传感器模块传感器是节点的数据采集单元，可以根据实际需要选用不同的传感器，节 点采用温度、湿度传感器SHT1LSHTH是一款将温度、湿度传感器、信号放大 调理器、A/D转换器和总线接口集成于一个芯片上的单片全校准数据输出传感 器，它可以直接提供温度在-40120范围内且分辨率为14 bit的数字输出和 湿度在0100%RH范围内且分辨率为12 bit的数字输出。传感器及外围模块如 图4所
6、示。HUM SCL100 nF100 nFGND DATA9HUM SDAlOkQSHTl I图4传感器模块SHT11电源供电要求为2.45.5V,电源和时钟信号均由提供，数据线管脚 三态输出，因此需要外界一个上拉电阻将信号拉高。2. 4 USB通信模块无线传感器网络由大量节点组成，这些节点按一定协议将采集的数据进行 融合、传输，最终将数据传送到个人电脑上进行处理和观察，同时节点工作需 要将特定的程序写入Flash中。目前个人电脑最常用的接口为USB,而微处理 器使用USART接口，为实现两种接口之间转换，节点使用FT232BM芯片作为转 换芯片。FT232BM是一种单片USB到异步串口转换芯
7、片，支持全握手和调制解 调接口信号，在TTL级数据传输速度范围为300 bit - s-13 Mbit - s-1.芯片通过USB总线供电，工作电压为4. 355. 25 V,采用外部6 MHz时钟。USB PID、 序列号和产品信息可以保存在外部EEPROM中。USB通信模块接口如图5所示。P-DVCC以IkHed Clear-404-1017-l-M)L-VCC0 u-vcc41品互6上品 lo.l uFjO.l U.l uFTin |1F73USB A Plug27 pF27 M乩 C.J ,HFUSB- o二旦C当榔那6Mllza.C Inductor 1/wv ,， Inductor
8、i c.J uL Ti FT232BML榔理 RTS# 加一般 CTS# TEST . SLEEP# l10 kQZ22GNDrI 1onMCP1700U-VCC3.3100 Q /l-VCC 花 1WGreen Clear-104-1021-NDRed Clear-404-1017-1-ND图5 USB通信模块2. 5微处理器模块微处理器是无线传感器节点的核心，传感器数据的数据处理，串行口以及 无线模块的传输与控制均需要微处理器的参与。节点微处理器TI公司的16为 超低功耗MSP430F1611.该微处理器工作电压为1.83.6 V,在RAM数据保持方 式下耗电仅为0.211A,在激活工作1
9、 MHz的情况下为330 nA,可以工作在5中 低功耗模式，唤醒时间6uni.Flash大小为48 kB, RAM大小为10 kB.芯片内 部有16位定时器Timer.A和Timer.B具有捕获/比拟功能；大量的捕获/比拟寄 存器可用于事件计数、时序发生等；多功能串口（USART）可以实现异步、同步 和12c串行通信，可以方便地实现多级通信的应用；具有较多的I/O端口，最 多达6X8条I/O 口线，Pl、P2 还可以接收外部上升或下降沿的中断输入； 12位A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200 kbit - s-1,能满足大多数 数据采集的应用。微处理器模块如图6所示。温度湿度传感器连接
10、P1 口 5、6、 7管脚，无线模块SPI接在P3 口 1、2、3和P4.4管脚，USB通信模块数据线连 接到P3D6、7管脚。其他管脚分别用于控制和扩展接口。外部晶振大小为 32MHzo，COI2C F-AWNIS9，COI2C F-AWNIS9II + :t f 4 5 f h b h b 11(DVCC/ Aci.k I ,/SOMI I /./SIMOI /S I El/./TB6/ ,/ I IM P, ./ I B3 。引衍、ji xni /1 rxin P JLRXDO0Y0(xL7d /0一二) 6500SO 200800)200 12800图10传感器数据4结束语文中所设计的一种无线传感器节点，硬件设计基于Moteiv方案，采用超低 功耗单片机MSP430F1611作为数据处理芯片，以CC2420芯片为收发芯片，并拥 有JTAG以及其他扩展接回，通过硬件测式以及软件调成该节点符合设计指标。