基于MSP430和nRF401的无线传感器节点设计

任玲　刘雪兰　宗灶童　金濯

摘 要： 介绍了无线传感器网络的发展，给出了基于MSP430单片机结合新型传感器和射频发射接收于一体的nRF401芯片的无线传感器网络节点设计方案，实现了对监测区域内温湿度和光照信号的采集。结果表明，设计制作的传感器节点在信号采集和传输中有较高的实用性。

关键词： MSP430； nRF401； 无线传感器节点

中图分类号： TP 393 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2017）05-0095-03

0 引 言

与有线网络相比，无线网能减少连线，因此，组网更加灵活，升级更加方便。无线传感器网络又称物联网，作为一种新兴产业，其在商业、军事、环境等领域有广阔的应用前景，是目前国内外研究的热点。早在2003年美国就已经开始这方面的研究，目前，国内很多学者也开展相关领域的研究，但大部分研究处在无线网络协议性能仿真和硬件节点实验设计阶段[1]。本研究在硬件上采用低功耗MSP430F149单片机作为控制芯片，以功能强大、功耗低的nRF401作为无线收发芯片实现无线传感器网络节点及组网设计方案。在软件上，所有节点之间都具有自组织能力，实现对监测区域内温湿度和光照信号的采集。

1 无线传感器网络总体方案

无线传感器网络是一种分布式无基础设施网，通过在封闭的环境内随便布置传感器节点，传感器各节点之间能够自行协调并迅速组建网络，以获取监视区域内的环境参数，无线传感器网络模型如图1所示。

2 无线传感器网络节点硬件设计

2.1 传感节点设计

数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源这4部分构成无线传感器网络节点。其中，数据采集单元通过传感器负责对监测区域内的待测数据进行采集；数据处理单元由MSP430F149单片机实现对传感器采集数据的分析、处理和存储；无线传输单元负责传感器节点之间通信；电源选取高容量的电池，以确保传感器节点的微型化和长时间工作。传感器节点设计如图2所示。

2.1.1 传感探测单元

实验中分别对温度、湿度和光强进行探测，温湿度探测选用DHT11单总线数字式温湿度复合传感器，该传感器测量温度范围为0～50℃，湿度20%～90%（RH），测量温度误差为±2℃，湿度误差为±5%（RH）。光强度的探测选用BH1750数字式光照度检测仪，是一种利用I2C总线接口的集成电路，可以监测环境的光线强度数据。

2.1.2 微控制单元

本次设计选用CPU 16位低功耗的MSP430F149单片机，工作电压为1.8～3.6 V，12位ADC，2个16位计数器，具有片内比较器，2个串行接口，从待机模式到工作模式，只需6 μs的時间。

其主要实现温度、湿度和感光强度探测数据的处理，同时为无线收发芯片nRF401提供工作状态控制线和单向串行传输数据线；合理地设置传感器工作和待机状态，从而延长电池使用寿命。

2.1.3 无线传输单元

无线收发模块选用挪威北欧集成电路公司推出的无线射频通信nRF401微功率芯片，最大发射功率为10 mW。nRF401有两个工作频宽433.92MHz/434.33MHz，基于FSK的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，可靠传输距离可达300～4000 m，其最高传输速率可达20 kb/s，较其他类别射频收发芯片外围电路设计简单，射频信号输出设计采用环形差分输出天线。

2.1.4 供电单元

随着大规模集成电路工艺的改进，在传感器节点中目前耗能最大的模块就是无线传输模块。但是，为了实现传感器节点设计的小型化，本次设计节点采用两节5号电池供电，只要能合理的设置节点的接收、发射和待机，就可以延长电池的使用寿命。无线传感器网络节点实物如图3所示。

2.2 數据汇集点设计

数据汇集点用于传感器节点采集的数据与处理中心或外部网络的连接，汇聚节点组成框图示意图如图4所示。图4中，主要由微处理器MSP430F149单片机和无线收发模块nRF401芯片组成。

3 软件设计流程

传感器节点采用MSP430F149单片机作为处理器，MSP430F149单片机支持汇编语言和C语言程序设计，由于C语言具有编程简单，兼容程度高，因此，本系统采用C语言开发程序。图5为传感器节点的工作流程。

4 结束语

由于无线传感器网络节点数量大，只有实现节点的微型化与低成本才有可能大规模部署与应用。

对于目标跟踪与位置服务一致的应用来说，部署无线传感器节点越密，定位精度就越高。同时，由于无线传感器网络节点的部署区域复杂，有些区域工作人员不能到达，因此传感器节点通过更换电池补充能量是不实际的。无线传感器节点面临的最大挑战就是如何高效使用有限的电池能量。

参考文献：

[1] 史永彬，叶湘斌. 基于MSP430的无线传感器网络设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2006（7）：5-7，20.

[2] 徐久强，王进雷，赵海，等. 基于MSP430的无线传感器网络节点的研究与实现[J].小型微型计算机系统，2008（9）：1652-1656.

[3] 郭栋，秦明芝，王伟敏. 基于CC2430的ZigBee无线传感器网络设计与实现[J]. 物联网技术，2011（1）：41-43.

[4] 徐敬东，赵文耀，李淼，等. 基于ZigBee的无线传感器网络设计[J]. 计算机工程2010（5）：110-112.

[5] 张春元. 实时低功耗无线传感器网络设计[M]. 仪表技术与传感器，2013（1）：89-91.

[6] 曹广华，王玥，宋鸿远. 一种低功耗无线传感器节点设计[J]. 自动化技术与应用，2016，35（2）：67-71.