基于TinyOS的嵌入式无线传感器网络设计

0 引 言

　　无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统。由于它由大量体积小，成本低，具有无线通信、传感、数据处理能力的传感器网络节点组成。所以功耗、成本、体积、处理能力等受到严格的限制。以此超低功耗单片机MSP430为核心，结合无线收发模块nRF24E1，对无线传感器网络的普通节点和网关节点进行了设计。

　　1 无线传感器网络

　　由于传感器节点功率的限制，传递的距离非常有限，网络节点除了从外界环境采集数据外，还要接收邻近节点的数据，对数据进行处理、融合、转发。图1中节点A通过节点B，C，D将数据传送至网关节点E。再由网关节点与外部网络相联，将数据发送给用户。

　　2 硬件设计

　　无线传感器网络节点主要由传感器模块、处理器模块、无线收发模块、电源模块构成,如图2所示。

　　2．1 数据采集模块

　　数据采集模块直接与外界接触进行信息感知和采集。它将采集的物理量通过积分、放大电路的整形处理后经过A／D转化为数字信号送给处理器。

　　2．2 数据处理和控制模块

　　数据处理和控制模块是传感器节点的核心，它主要实现设备控制、任务调度、资源管理等功能。作为硬件平台的中心模块，应该具有集成度高，功耗低，运行速度快，I／O和扩展接口多等特点，并应适应整个网络的需要。基于以上原因，可以采用TI公司的 MSP430系列超低功耗处理器、高效的16位．RISC CPU确保任务的快速执行，以缩短工作时间；可以从睡眠模式到活动模式的6μs转换时间延长待机时间，降低电池的功耗；集成12位A／D转换器、温度传感器、FLASH程序存储器和2 KB RAM，具有丰富的端口资源，可以与各种传感器连接。

2．3 通信模块

　　无线收发模块主要完成传感器节点之间、节点与无线传感器网络网关之间的数据交换功能，这里采用Nordic公司的nRF24E1芯片。nRF24E1内部集成了2．4 GHz的nRF2401无线收发器，其增强型8051内核和9输入的10位A／D转换器无线收发模块能够实现点对点、点对多点的无线通信，具有体积小，功耗低和外围电路简单等特点。对于无线传感器网络中的一些只实现数据采集和传送功能的节点可以由nRF24E1内嵌的8051单片机进行控制处理，所以可直接采用nRF24E1和传感器模块构成传感器节点。然而，对于数据处理要求高，功能复杂，计算量大，要为通信协议、功能协调、应用处理等提供硬件支持的节点(如网关节点)，则采用MSP430作为处理器，nRF24E1作为无线通信模块，其连接图如图3所示。