【正文】 2768Hz 和 8M 兩個 外部晶振。 在睡眠喚醒時 ， 點路上的擾動要比系統(tǒng)上電時小得多 ， 起振就很不容易。 這是因為 低供電電壓 提供給 晶體的激勵功率減小， 造成晶體起振很慢 或者 根本不起振 。 適應 工業(yè)級的運行環(huán)境 MSP430F149 單片機 的 運行環(huán)境 溫度為 40℃ ~+85℃ ， 因此適合于工業(yè)運行環(huán)境下 的 前端節(jié)點系統(tǒng)使用。 該FET 是 一種完整的集成開發(fā)環(huán)境， 包括 源代碼級調試器 、 仿真器 、 C 編譯器 等 。它具有 60KB 的 程序 ROM、 256 字節(jié) 的 信息 ROM 和 2KB 的 RAM， 能夠完全滿足系統(tǒng)程序 駐留 和用戶程序 存儲 的要求 。其中 LFXT1 提供給 外圍設備 32768Hz 的 時鐘， LFXT2 可以 提供高達 8MHz 的時鐘供單片機運行使用 ， DCO 為單片機內部提供 ， 并具有鎖相環(huán) ， 為系統(tǒng)提供一個內部時鐘源， 當 XTALT2 沒有提供時 ， 系統(tǒng)依靠 DCO 運行， 整個時鐘配置可以通過DCOCTL、 BCSCTL BCSCTL2 和 SR等 控制寄存器中 的 相應的位來選擇和 控制，非常靈活 ， 方便了系統(tǒng)的開發(fā)應用。 豐富的資源 滿足了前端節(jié)點的外圍 接口電路 的要求。如果晶體振蕩器 在用作 CPU 時鐘 時發(fā)生故障， DCO 會 自動啟動， 保證系統(tǒng)正常運行； 如果程序跑飛，可用 看 門狗將其復位。 系統(tǒng)工作穩(wěn)定 上電復位時 ， 先由 DCO 振蕩器 啟動 CPU，保證程序從正確的位置 開始運 行，使晶體振蕩器有足夠的時間起振和穩(wěn)定。 圖 33 MSP430F149 結構與功能 框圖 低電壓和超低功耗 工作電壓 在 ~ 之間 ， 在 供電電壓、 1MHz主頻時鐘頻率下 ， 活動模式 的工作電流為 280μ A， 關閉模式時的電流 為 A；具有 16 個 中斷源， 并且可以任意嵌套 ， 使用 靈活方便 ； 從備用狀態(tài)喚醒只需要 6μ s， 可編制出實時性較高的源代碼。 圖 32 MSP430F149 外觀 示意圖 第三章 前端節(jié)點的硬件設計 11 作為 前端節(jié)點的核心部件， MSP430F149 微控制器是 MSP430 家族的一款FLASH 型 單片機 ， 其結構與功能如圖 33 所示。 MSP430 微處理器模塊 的 設計與實現 傳感器 節(jié)點的 功耗 、體積 要求 決定了 其器件的選擇除 要求功能上的完備 還必須綜合考慮功耗 、 設計復雜程度 、 對應用環(huán)境 的適應能力 等 因素 。 電源模塊 是節(jié)點能量來源。 電子科技大學學士學位論文 10 采集模塊負責將 環(huán)境信息 轉化為系統(tǒng)可處理 的數據信息， 它是節(jié)點數據的原始來源 ， 該部分通常 包含一個或多個 各種類型 的傳感器， 傳感器 的數量 和 類型選擇 由具體的應用 而決定 。 圖 31 節(jié)點總體結構設計圖 處理器模塊 主要 進行節(jié)點數據的處理 ， 按照既定協(xié)議進行裝載 ， 并協(xié)調整個節(jié)點系統(tǒng) 各部分的工作 ， 它是節(jié)點的核心控制部分 ，對于無線傳感器網絡節(jié)點，處理器模塊通常由 低功耗控制器及其外圍設備構成 ，本課題使用 TI的 MSP430F149作為 主芯片 。 總體結構設計 本課題 的無線傳感器網絡節(jié)點 的 基本組成 包括如下 四個基本模塊： 采集模塊 、處理器模塊、 通信模塊 以及電源模塊。 所以在硬件體系上 要求足夠靈活 ， 可以適應多種應用需求 ，因此節(jié)點要具有不同的傳感器接口 ， 能夠與不同的傳感器結合。 （ 4）靈活性 。 傳感器的穩(wěn)定性和安全性 是 網絡穩(wěn)定和安全的基礎 。 傳感器網絡 的硬件開發(fā)和維護 會耗費較大的成本 。 實際應用 中 ， 傳感器節(jié)點數目多， 節(jié)點的成本 也成為硬件設計中 的 重要因素。 多數傳感器采用電池供電方式 ， 而且工作環(huán)境差異較大 ， 節(jié)點數目較多 ， 一般較難完成額外能量補充 ， 因此 節(jié)能是硬件設計非常關鍵的 考慮因素 ， 通過 節(jié)能以延長傳感器網絡的使用壽命。數據采集應用 的主要功能 是在一定的時間跨度內 ， 傳感器節(jié)點可以采集所需數據并將其通過無線網絡 傳遞到用戶 手中 。 無線傳感器網絡應用范圍 非常廣泛， 結合實際應用 ， 本小節(jié) 將對應用于 數據采集 的 節(jié)點 設計要求 進行簡要分析 。 本章 主要從 前端節(jié)點 的 各個功能模塊 的 角度， 對節(jié)點的 硬件構架 進行研究 和設計。 硬件平臺 的構建 直接 決定了節(jié)點的功耗、體積 、 安全性能等 等 。 本章小結 本章 對無線傳感器 網絡節(jié)點 功能 及結構進行闡述分析 ， 針對 節(jié)點的嵌入式 系統(tǒng)結構對 嵌入式系統(tǒng) 的 設計進行了介紹 。 采集模塊 、無線通信模塊、 電源模塊可視作處理器的外圍電路。 本次 設計根據 工業(yè) 應用需求， 將 節(jié)點通信距離 要求 為 200 米 。 （ 4）無線通信模塊實現了 節(jié)點間的通信， 完成 數據 收發(fā)及 命令發(fā)送 功能。處理器模塊 負責處理 存儲傳感器采集的數據并 協(xié)調 傳感器 節(jié)點各模塊 部分 的 工作 ， 同時 處理器模塊 需要負責 處理其他節(jié)點發(fā)來的數據信息 。 很多傳感器采集的數據 為 模擬量， 需將其轉換為數字量方便處理 ， 所以 節(jié)點應在硬件設計上 具有 AD 采樣 的功能。 （ 2）傳感器模塊 用于獲取 被檢測對象的信息 以及相關物理量 。 在不同的應用環(huán)境 和 應用目的下， 可以采取 不同的組態(tài)以滿足工作需要 。按節(jié)點 在 無線傳感器網絡 中 所處的具體位置 不同， 電路組成結構 不完全相同 [20]~[22]， 無線傳感器網絡節(jié)點 一般可以按照功能上劃分為 四個部分 ， 分別是電源模塊 、 傳感器模塊、 處理器模塊和 無線通信模塊 。 無線傳感器網絡 節(jié)點 的 硬件 結構 無線傳感器網絡節(jié)點 是典型的嵌入式系統(tǒng)， 遵循通用嵌入式系統(tǒng)設計原則 ，以應用為核心 ， 軟硬件可裁剪 ， 滿足功能 、可靠性、 成本 、功耗 等 設計要求。 節(jié)點地位不固定。 電子科技大學學士學位論文 6 節(jié)點自組織構成網絡。 節(jié)點的能源和處理資源有限 。 無線傳感器網絡節(jié)點 的特點 無線傳感器網絡節(jié)點是一種比較典型的嵌入式應用系統(tǒng) ， 它不同于傳統(tǒng)意義上的無線通信系統(tǒng)，主要有以下特點 ： 構成網絡的節(jié)點數量龐大， 分布密集 [16]。 節(jié)點隨機分布在監(jiān)測區(qū)域， 通過自組織構成網絡 ， 通過節(jié)點內集成不同的傳感器 采集外部環(huán)境信息， 節(jié)點對收發(fā)到的 數據信息進行處理 并發(fā)送到下一個節(jié)點 ， 完成信息的傳遞 [13]。前端節(jié)點 采用 220V 供電 ，包括 3 路 0~10V A/D； 支持 RS485總線 ；支持工業(yè)級無線通信；通信距離要求 200 米 ；具有掉電保護功能；信號必須隔離。 課題方向 ： 本課題 基于 M2M（ machinetomachine）的 工業(yè)無線互聯網應用架構，結合了有線和無線兩種通信模式 。 課題重點 ： 設計前端節(jié)點的 硬件電路圖 。 在 水環(huán)境應用中， 它 針對水環(huán)境監(jiān)測 和 無線傳感器網絡各自的特性， 重點研究 數據融合 和 聚焦技術， 以保證 水污染 等 報警的正確率 ；研究實時的信息路由技術 ， 使 報警 的 信息能夠以最快的速度 報告給 遠程服務器 ； 研電子科技大學學士學位論文 4 究多網信息融合問題， 使無線傳感器網絡與 英特網 和 已有的 其他 監(jiān)測網絡進行無縫連接。 它 具有 自組織 、 多跳式通信組網功能 和 分布式組網 的 高度靈活性 ， 以解決井下 無線通信距離有限 這一瓶頸。 在 國內， 關于 無線傳感器網絡 主要 研究 在于以下 方面： （ 1） 煤礦監(jiān)測 [8]。 會議 討論了 WSN 技術 及其 在 中國的發(fā)展問題。中國科學院 于 1999 年《知識創(chuàng)新工程試點領域方向研究》將 無線傳感器網絡 作為 重大 項目之一 ，國家 “十五 ”科技攻關項目同樣把 WSN 列為重大研究項目 。 Chipcon 在 射頻芯片研發(fā)具有很強的實力 ，將 8051 處理模塊和 射頻模塊集成到一起 ， 開發(fā)出 CC2431 和 CC2510 兩款 片上系統(tǒng)芯片 [7]， 有效地減小了體積，使得其 能夠 應用于小型設備 的無線通信場合 ， 但他們并非針對 無線傳感器網絡節(jié)點 而設計的， 用于 無線傳感器網絡節(jié)點還有些問題。 由于其只是測試平臺 ，功耗和體積 還難以達到 較為理想的設計要求 [6]。 為了 研發(fā)無線傳感器網絡節(jié)點 PicoNode， 設計了 PicoRadio Test Bed 研發(fā)平臺。 采用 光通信 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 射頻， 同時采用了 多種 先進的 微加工技術 ， 使得它的長控制度 在 5mm之內 。 由于 FPGA 開發(fā) 具有 較好 的靈活性， 便于對 設計進行優(yōu)化和第一章 引言 3 改進 ，在 FPGA 驗證完成后 ， 通過先進的工藝設計 專用集成電路 芯片 ， 可以大幅降低節(jié)點功耗、 體積并且 提高 其性能可靠性。 學術領域代表性的研究 成果 有： （ 1） 美國加州大學 巴克利分校 的 Smart Dust 和 PicoRadio 采用的 就是片上系統(tǒng)技術 。 （ 4） Intel推出基于無線傳感器網絡的 家庭護理技術 ，通過在家中的家具和 電氣設備 嵌入無線傳感器節(jié)點芯片， 來幫助老年人的日常生活。 （ 2） 美國 Dust Networks 公司的“智能塵埃 Smart Mote”。 從 21 世紀 開始， 憑借其廣泛的應用前景， 逐漸受到學術界 和 工業(yè)界的極大關注 ， 國外一些公司 和 研究所 相繼開始了許多有關無線傳感器網絡的研究計劃 ， 目前在國內一些大學 也 已開始對無線傳感器網絡 的 片上系統(tǒng)進行研究[3]~[4]。而工業(yè)自動化，對無線數據通信的需求越來越強烈，而且，對于工業(yè)現場，這種無線傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現場的各種電磁干擾。 在藍牙技術的使用過程中，人們發(fā)現藍牙技術盡管有許多優(yōu)點，但仍存在許多缺陷。 無線傳感器網絡 (WSN)由部署在監(jiān)測區(qū)域內的大量小型傳感器節(jié)點組成 ,通過無線通訊方式形成一個多跳的自組織的網絡系統(tǒng) ,其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息 ,并發(fā)送給觀察者 [2]。 隨著無線傳感器網絡 的深入研究 和廣泛應用， 傳感器網絡將逐漸深入 到 人類生活 的各個領域， 并對 人類未來的生活方式產生 深遠的影響 。因此 發(fā)展無線傳感器網絡技術 越來越受到人們 的重視。 而在這種環(huán)境 指標 檢測和監(jiān)測過程中 不可避免地 會遇到人類無法或難以操作 的 情況， 如工廠高溫加熱爐的溫度檢測 、 野外地質 變化 、 水文情況等。 一方面 ， 人類需要及時而準確地 從 自然環(huán)境中采集 所需要 的數據， 對采集數據 進行技術分析， 從而做出 相應的預測。 無線傳感器網絡技術融合了 嵌入式技術、 傳感器技術 、 網絡及無線通信技術、 分布式信息處理技術 ， 它能夠通過 各類集成化 的 微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、 感知 和 采集 各種環(huán)境 或檢測對象 的 信息 ， 再通過嵌入式技術對信息進行處理 ， 通過 隨機自組織無線通信網絡以 多跳 中繼方式將 所采集信息 傳送到 用戶終端 [1]。 關鍵字： WSN， MSP430， 溫度采集 ， RS485， 節(jié)點硬件設計 ABSTRACT Ⅱ ABSTRACT Wireless sensor works(WSN) technology, which bines sensor technology, embedded puting technology, modern work and wireless munications technology, has the potential for development. As a basic unit of wireless sensor works, wireless sensor work nodes play a very important role in wireless sensor work system. Node technology, which directly determines the performance of the entire work, has a close relationship in upgrading and development of wireless sensor work. In this dissertation, based on the background of temperature monitoring in the industrial environment, the wireless sensor work note is researched and designed. Firstly, the structure of the nodes is studied. MSP430F149 is selected as the nucleus of the work node. According to the procedure of the embedded system, the ponents which are needed in nodes design are selected. After analyzing the rules of modular design carefully, the PCB board