2.3 數據采集單元

　　節點的數據采集單元可以根據實際需要和被監測物理信號特征選擇合適的傳感器，如光照、壓力、振動、溫度、濕度、土壤鹽堿度等。

　　本文數據采集單元采用了Sensirion公司的數字式溫濕度傳感器DHT90。DHT90集成了溫度／濕度傳感器、信號放大調理器、A／D轉換器和總線接口，能夠進行全校準數字輸出，可以直接提供溫度在-40℃～120℃范圍內、分辨率為14位、濕度在0～100％RH范圍內且分辨率為12位的數字輸出。

2.4 時間控制單元

　　時間控制單元用于設置、記錄數據采集的時間，以便后臺用戶能夠依靠采集時間對數據進行處理。本文選用Maxim公司的串行實時時鐘芯片DS1337作為時間控制單元。DS1337可以工作在1.8～5.5 V，并且具有很低的功耗，在休眠模式下僅需要15 μA。

2.5電源供應單元

　　本文采用兩節7號堿性南孚電池為整個節點供電。為了能夠及時獲取節點電池的電量狀況，并根據電池的剩余電量狀況和放電特性來調整節點的通信狀態，本文利用MSP430F1611芯片內部集成的ADC12模塊測量電源正極電平值，并通過將所測電平值與參考電平進行比較，得到轉換數據NADC，最后電源的電壓Vin可以由下式得出：

　　式中：VR+為參考電壓正極，VR-為參考電壓負極，Vin為ADC12轉換得到的電壓值，NADC為單片機轉換寄存器值。

2.6 串口通信單元

　　網絡中只有Sink節點才包含串口通信單元，終端節點無需串口通信單元。Sink節點的處理單元MSP430F1611通過串口通信單元與后臺監控主機通信。Sink節點通過串口通信模塊可以將自身收集的全網信息數據傳送給后臺監控主機，研究人員根據監控軟件對收集數據的智能處理結果向傳感器網絡發布數據和命令。

3 協議軟件設計

3.1 拓撲結構

　　制定網絡協議首先要確定的是網絡的拓撲結構。本文所設計的無線傳感器網絡協議采用簇-樹(cluster-tree)拓撲。簇-樹拓撲是由網絡協調器(coordinator)展開生成樹狀的拓撲結構，適合于節點靜止或者移動較少的場合；不需要存儲路由表，具有路由算法復雜度低、無初始延時等優點。

3.2 通信協議棧

　　無線通信協議的設計目的是使具體的通信機制與上層的應用分離，為傳感器節點提供網絡通信的功能。為了降低網絡設計的復雜性，采用分層設計，參考OSI模型，將整個協議分為4層：物理層，提供簡單但健壯的信號調制和無線收發技術；MAC層，負責數據成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制；網絡層，主要負責路由生成和路由選擇；應用層，包括一系列基于監測任務的應用層軟件。

　　整個系統協議設計包括Sink節點協議設計和終端節點協議設計。由于篇幅有限，本文僅介紹終端節點的軟件協議和系統主程序。

　　終端節點在初始化成功后進入信道掃描偵聽狀態，當偵聽到有鄰居節點活動時便向鄰居節點請求時標幀；節點依據接收到的時標幀同步自己的時鐘，節點時鐘同步后進入接入狀態，接人成功后節點進入業務狀態。處于業務狀態的節點，執行后臺和Sink節點發布的命令，進行數據的傳感采集與傳輸，以及對鄰節點數據的中繼轉發。節點為了實現低功耗，必須在業務狀態與休眠狀態之間進行輪換。

4 系統節能問題

　　在整個網絡系統的設計中，節約能量一直是考慮的重中之重。系統的節能，一靠硬件系統本身的低功耗，二靠軟件協議的低功耗。在硬件方面，本文節點選擇的都是低功耗的芯片，布板也充分考慮了低功耗要求；在軟件方面，除了采用休眠機制以外，還采用了基于電池能量模型的路由協議，使得節點能夠根據電池能量特性來工作，從而延長了電池的使用壽命。

結 語

　　本文主要介紹了一種基于MSP430F1611單片機和CC1100無線收發模塊，能夠實現精確采集環境溫濕度信息的無線傳感器網絡硬件設計和軟件設計方案。在實際組網測試中，筆者構建了19個終端節點和1個Sink節點的演示系統，節點每休眠兩個小時醒來一次，節點醒來之后采集數據并發送給觀察者。實驗表明，采用這種方式構建的無線傳感器網絡系統數據采集及時準確，而且能以極低的功耗進行工作。
參考文獻:

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