1.4  论文内容及结构

本课题将针对超低功耗MSP430系列单片机，基于典型环境参数的监测，设计和实现小型化低功耗无线传感网络硬件节点。

（1）简要介绍无线传感网络的发展及其结构。分析无线传感器节点硬件方面的需求，并且详细剖析当前较典型的无线传感器节点，介绍其处理器模块、无线通信模块和电源模块。

（2）采用IAR_MSP430编辑器，IAR_MSP430编辑器通用方便，在IAR上编程序使用的语言为C语言。简要的介绍IAR_MSP430编辑器特点和用于该编译器的编程语言C语言。重点阐述对于一个微型的单跳网络，应该如何编写C程序，使其实现传感器输出的采集、数据的存储、无线收发进而发送到串口得以和上位机通信。

（3）除此之外，上位机采用LabVIEW2011编写，简要介绍编程环境，还详细介绍了上位机利用与节点的串口通信方式，详细说明其接收采集数据并将其显示的过程及过程中应该注意的问题。

（4）详细说明如何构建监控系统，并展示基于温度传感器检测的实现过程，针对不同的应用中系统软件的设计应该注意的问题以及数据处理的相关问题提出对应的解决方案。

（5）对本文作一个总结。

2  硬件系统分析与设计

2.1  传感器节点硬件模块分析与设计

系统硬件可以分为节点端和PC端，节点端包括传感器节点、路由节点和汇聚节点，本文将传感器节点、路由节点和汇聚节点分别称为终端节点、路由器和协调器，PC端只需要一台电脑即可。协调器与电脑通过USB接口有线连接，终端节点则部署在具体环境中，当传输距离不够时，可以通过路由器多跳传输，最终传送到协调器。

系统的基本组成单元是终端节点，由传感器采集模块、无线通讯模块、处理器模块和电源模块四部分组成，如图2.1所示。

图2.1  终端节点结构组成

2.1.1  处理器模块

无线传感器网络中的节点都具有一定的智能性，能够对传感器采集到的数据进行合理地处理，根据处理的结果做出不同处理，这些工作主要由处理器模块来承担。处理器模块还负责通信协议的实现、运行进程的调度管理和数据融合等工作[16]。

无线传感器网络节点处理器部分可以分为两类：一种类型的节点使用ARM（Advanced RISC Machines）处理器等高端处理器。另一种类型的节点则使用低端微控制器，如MSP430系列。使用ARM处理器的传感器节点能量消耗较大，但其处理能力强大。使用低端微控制器的传感器节点数据处理能力比前者要差，但是工作消耗功率也很小。表2.1做出了两类处理器的性能比较。

表2.1  处理器性能比较

芯片型号 RAM容量/kB Flash容量/kB 正常工作电流/mA 睡眠模式电流/mA

AT91 ARM Thumb 256 1024 38 160

MSP430F14*16位 10 48 2 1

通过比较发现使用MSP430系列单片机更适合本次设计低功耗的要求。

2.1.2  通信模块文献综述

无线通信模块由无线射频电路和天线组成，目前采用的传输介质主要包括无线电、红外、激光和超声波等，它是传感器节点中最重要的耗能模块，是传感器节点的设计重点。

物理层、链路层、网络层和应用层是传感器网络数据通信协议四个协议层。对于传感器网络的硬件模块，主要关心无线通信协议中的物理层和MAC层技术。这两个层次基本决定了硬件模块的具体构架。物理层主要解决编码调制、通信速率，通信频段的选取等问题，物理层的编码调制关系到频率带宽、通信速率、收发功率等一切问题，采用不同的调制方式应用于不同的节点技术中，节点本身的通信速率受到网络结构的限制，不可能很大，一般都是低功耗、低数据量传输，但是，提高通信速率从而节省通信时间，对于系统最为关键的节能问题有一定帮助，在频段的选择方面，无线传感器网络推荐使用免许可证频段－－ISM（工业、科学和医疗）频段，其通信频率高达2.4GHz。链路层负责数据流的多路复用、数据帧检测，媒体接入和差错控制等，保证了传感器网络内点到点和点到多点的连接[17]。