基于MSP430的无线传感器节点设计
基于MSP430的无线传感器节点设计[20191213091335]
摘 要
随着人们进入网络时代的高潮，无线传感器的应用也愈加普及。不同的传感器应用在不同的领域，而本论文针对基于MSP430的无线传感器节点进行了研究与分析，同时进行硬件和软件设计，实现温度传感器对温度的采集功能。
论文首先对无线传感器节点进行了具体的分析，给出了符合应用需求的无线传感器节点硬件设计方案，WiFi模块选择性能较好的M-600，MCU则选择了TI公司的MSP430G2553，此系列的MCU更能符合低功耗的要求。串口方式选择了RS232，更具普遍性和便捷性。最后，本文围绕无线传感器节点的软件设计展开，依次对温度传感器模块、A/D转换模块以及上位机部分进行了软件设计，编程实现各模块的实际功能。在无线通信模块，本设计采用WiFi技术实现无线通信。
本设计在模拟测试中表现了良好的应用性，同时具有一定的通用性，依靠相通的数据转换模块，通过对此设计稍作变换和扩展即可实现湿度采集系统或者环境监测系统，具有很强的现实意义。
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关键字:无线传感器节点MSP430WiFi
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 - 1 -
1.1 无线传感器网络 - 1 -
1.1.1 无线传感器网络 - 1 -
1.1.2 无线传感器网络结构 - 4 -
1.2 无线传感器网络节点 - 4 -
1.3 无线传感器节点应用 - 5 -
1.4 本文设计结构安排 - 6 -
1.5 本章总结 - 6 -
第2章 无线传感器节点硬件设计 - 7 -
2.1 硬件设计要求 - 7 -
2.2 节点的主要部分 - 8 -
2.3 节点处理器单元的设计 - 8 -
2.4 电源模块 - 12 -
2.5 温度采集模块 - 14 -
2.5.1 DS18B20简介 - 14 -
2.5.2 测温原理 - 16 -
2.5.2 单总线技术 - 17 -
2.5.3 采集模块硬件设计 - 19 -
2.6 无线通信模块 - 20 -
2.7 本章总结 - 22 -
第3章 无线传感器节点的软件设计 - 23 -
3.1 温度传感器软件设计 - 23 -
3.2 A/D模块软件设计 - 27 -
3.3 上位机软件设计 - 28 -
3.4 通信模块软件设计 - 29 -
3.4.1 基于WiFi的无线传感器网络 - 29 -
3.4.2 Socket通信 - 30 -
3.5 软件调试 - 31 -
3.6 节点测试 - 32 -
3.7 本章总结 - 33 -
第4章 串口通信 - 34 -
4.1 USART的硬件构成 - 34 -
4.2 RS-232接口设计 - 36 -
4.3 本章总结 - 39 -
第5章 总结与展望 - 40 -
致 谢 - 42 -
参考文献 - 43 -
附 录 - 45 -
第1章 绪论
本章第一节对无线传感器网络的概念作扼要的介绍。第二节展开了对网络节点的描述，对无线传感器的节点有一个直观的印象和了解。
1.1 无线传感器网络
1.1.1 无线传感器网络
无线传感网络(WSN，wireless sensor networks)[2]是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及类社会三元世界的连通。
WSN以最少的成本和最大的灵活性，连接任何有通信需求的终端设备，采集数据，发送指令。若把WSN各个传感器或执行单元设备视为“豆子”，将一把“豆子”(可能100粒，甚至上千粒)任意抛撒开，经过有限的“种植时间”，就可从某一粒“豆子”那里得到其他任何“豆子”的信息。作为无线自组双向通信网络，传感网络能以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感器与控制节点的组网，同时具有一定的移动能力和动态调整能力。
由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划[6]，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。英特尔、微软等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。
1998年，UCLA和Rockwell研究中心在DARPA支持下进行的WISN(Wireless Integrated Sensor Network)[1]项目是无线传感器网络研究的开端，其主要目的是为嵌入式仪器、设备和环境中的传感器、控制部件和处理器构建一个分布式网络环境，提供Internet的访问能力。
关于无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络的最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国《商业周刊》未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也被列入其中。美国《今日防务》杂志认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。2004年《IEEE Spectrum》杂志发表一期专集《传感器的国度》[3]，论述了无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动作用。
无线传感器网络由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点采用无线通信方式而形成一个多跳的、自组织的网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观察者。
由于无线传感器网络具有巨大的应用价值，已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注，美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究；美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络给予了高度重视，提出了C4ISRT (Command, Control, Communications, Computing, Intelligence, Surveillance, Reconnaissance and Targeting)计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把无线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。
学术界美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划，在此计划推动下，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，联合加州大学伯克力分校、南加州大学等展开“嵌入式智能传感器”的研究项目，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论的研究，此外麻省理工学院、康奈尔大学等学校也开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究，英国、闩本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。到现在为止，学术界对无线传感器网络的研究大致经过了两个阶段。第一阶段主要偏重利用MEMS技术设计小型化的节点设备，代表性的研究项目有Smart Dust和WINS；对于网络技术和通信协议的关注和研究可以认为是无线传感器网络研究的第二个阶段，目前正在成为无线网络研究领域的一个热点[8]。
从网络分层模型的角度分析，每一层都有需要结合传感器网络的特点进行细致研究的问题，就已有的研究而占，主要集中在网络层和链路层。目前的研究工作还处于起步阶段，大量的问题还没有涉及到，未来的研究工作任重而道远。国内在无线传感器网络领域的研究也很快跟进，已经在很多研究所和高校广泛的展开。中科院上海微系统与信息技术研究所已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和机站的研发；中科院电子技术研究所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术两种角度入手，它们专注于传感或控制执行部分；浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究：山东省科学院也看到了无线传感器网络这一极具前景的领域，并且于2004年10月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究。
中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学，中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、山东大学、东南大学等单位在无线传感器网络方面也都有一定的工作[10]。但从整体来说，从研究问题的深度和投入的科研力量角度来说，国内的水平相对国外还比较落后；另外从问题的点上研究较多，缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权较少，这和我国无线传感器网络飞速发展的市场需求不相称的。中科院计算技术研究所已经研发出了几款具有和Crossbow公司所大力推广的MICA2无线传感器网络节点相兼容的，并且在传输距离、可靠性、功耗等方面均有一定的优势的无线传感器网络节点，构建了WSN示范网络GAINS—Global Actable Intelligent Networks，拥有自主知识产权并为国内多个高校及研究机构提供产品及技术支持，在国内处于领先地位。
图1.1 无线传感器网络体系结构
1.1.2 无线传感器网络结构
在传感器网络中，节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知对象内部或者附近，这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳网络将数据经由Sink节点(接收发送器)链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心．反之，远程管理中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵。整个网络主要包括以下几部分：
1、 网络用户(任务管理节点)。它负责从网络中获取所需要的信息，同时也可以对网络做出各种各样的指示、操作等。
2、 传输介质(Internet网或通讯卫星)。它是用户与传感网络之间的桥梁和纽带。
3、 Sink节点(接收发送器)。它拥有足够的能量，可以将从传感器网络中的能量有限的节点上传来的信息转发到传输介质上。
4、 传感网络。这是传感器网络的核心。在感知区域中，大量的节点自组成网，监测、感知信息向Sink节点发送，或接收来自Sink节点的操作命令，改变自身的工作状态。
1.2 无线传感器网络节点
无线传感器网络的节点系统是构成无线传感器网络的基础，是承载无线传感器网络的信息感知、数据处理和网络功能的基本单元，所有与传感器网络相关的协议、机制、算法等都需要在节点上得以实现并加以优化才具有实际意义[12]。
目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术，而面向下一代网络、采用片上系统集成技术的低功耗、低成本节点将能代表未来的发展趋势。本文将介绍传感器网络节点的体系结构及设计方法，比较几种具有代表性的节点性能，同时，介绍下一代片上节点系统的研究进展。
目前节点平台在硬件结构上基本相同，根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，主要包括如下几个基本部分：传感器单元、处理器单元、存储器单元、射频单元、供电单元。传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据，提供给处理器单元进行处理；处理器单元负责数据处理及控制整个节点的正常工作；存储单元负责对节点所采集或处理的数据进行保存；射频单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和相关数据；供电单元负责为节点提供运行所需的能量。
传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。
图1.2 无线传感器网络系统结构图
1.3 无线传感器节点应用
由于无线传感器网络节点体积小、耗能低、可移动性强、适应不同环境等优点，在现实中有着非常广阔的应用前景。目前主要应用在以下领域[14]。
摘 要
随着人们进入网络时代的高潮，无线传感器的应用也愈加普及。不同的传感器应用在不同的领域，而本论文针对基于MSP430的无线传感器节点进行了研究与分析，同时进行硬件和软件设计，实现温度传感器对温度的采集功能。
论文首先对无线传感器节点进行了具体的分析，给出了符合应用需求的无线传感器节点硬件设计方案，WiFi模块选择性能较好的M-600，MCU则选择了TI公司的MSP430G2553，此系列的MCU更能符合低功耗的要求。串口方式选择了RS232，更具普遍性和便捷性。最后，本文围绕无线传感器节点的软件设计展开，依次对温度传感器模块、A/D转换模块以及上位机部分进行了软件设计，编程实现各模块的实际功能。在无线通信模块，本设计采用WiFi技术实现无线通信。
本设计在模拟测试中表现了良好的应用性，同时具有一定的通用性，依靠相通的数据转换模块，通过对此设计稍作变换和扩展即可实现湿度采集系统或者环境监测系统，具有很强的现实意义。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:无线传感器节点MSP430WiFi
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 - 1 -
1.1 无线传感器网络 - 1 -
1.1.1 无线传感器网络 - 1 -
1.1.2 无线传感器网络结构 - 4 -
1.2 无线传感器网络节点 - 4 -
1.3 无线传感器节点应用 - 5 -
1.4 本文设计结构安排 - 6 -
1.5 本章总结 - 6 -
第2章 无线传感器节点硬件设计 - 7 -
2.1 硬件设计要求 - 7 -
2.2 节点的主要部分 - 8 -
2.3 节点处理器单元的设计 - 8 -
2.4 电源模块 - 12 -
2.5 温度采集模块 - 14 -
2.5.1 DS18B20简介 - 14 -
2.5.2 测温原理 - 16 -
2.5.2 单总线技术 - 17 -
2.5.3 采集模块硬件设计 - 19 -
2.6 无线通信模块 - 20 -
2.7 本章总结 - 22 -
第3章 无线传感器节点的软件设计 - 23 -
3.1 温度传感器软件设计 - 23 -
3.2 A/D模块软件设计 - 27 -
3.3 上位机软件设计 - 28 -
3.4 通信模块软件设计 - 29 -
3.4.1 基于WiFi的无线传感器网络 - 29 -
3.4.2 Socket通信 - 30 -
3.5 软件调试 - 31 -
3.6 节点测试 - 32 -
3.7 本章总结 - 33 -
第4章 串口通信 - 34 -
4.1 USART的硬件构成 - 34 -
4.2 RS-232接口设计 - 36 -
4.3 本章总结 - 39 -
第5章 总结与展望 - 40 -
致 谢 - 42 -
参考文献 - 43 -
附 录 - 45 -
第1章 绪论
本章第一节对无线传感器网络的概念作扼要的介绍。第二节展开了对网络节点的描述，对无线传感器的节点有一个直观的印象和了解。
1.1 无线传感器网络
1.1.1 无线传感器网络
无线传感网络(WSN，wireless sensor networks)[2]是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及类社会三元世界的连通。
WSN以最少的成本和最大的灵活性，连接任何有通信需求的终端设备，采集数据，发送指令。若把WSN各个传感器或执行单元设备视为“豆子”，将一把“豆子”(可能100粒，甚至上千粒)任意抛撒开，经过有限的“种植时间”，就可从某一粒“豆子”那里得到其他任何“豆子”的信息。作为无线自组双向通信网络，传感网络能以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感器与控制节点的组网，同时具有一定的移动能力和动态调整能力。
由于传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划，投资3400万美元支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视，在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划[6]，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。英特尔、微软等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。
1998年，UCLA和Rockwell研究中心在DARPA支持下进行的WISN(Wireless Integrated Sensor Network)[1]项目是无线传感器网络研究的开端，其主要目的是为嵌入式仪器、设备和环境中的传感器、控制部件和处理器构建一个分布式网络环境，提供Internet的访问能力。
关于无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络的最早的代表性论述出现在1999年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2003年，美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国《商业周刊》未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也被列入其中。美国《今日防务》杂志认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。2004年《IEEE Spectrum》杂志发表一期专集《传感器的国度》[3]，论述了无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动作用。
无线传感器网络由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点采用无线通信方式而形成一个多跳的、自组织的网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观察者。
由于无线传感器网络具有巨大的应用价值，已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注，美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划，投资3400万美元，支持相关基础理论的研究；美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络给予了高度重视，提出了C4ISRT (Command, Control, Communications, Computing, Intelligence, Surveillance, Reconnaissance and Targeting)计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力，把无线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目。
学术界美国自然科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划，在此计划推动下，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，联合加州大学伯克力分校、南加州大学等展开“嵌入式智能传感器”的研究项目，以求利用传感器网络对我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论的研究，此外麻省理工学院、康奈尔大学等学校也开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究，英国、闩本、意大利等国家的一些大学和研究机构也纷纷开展了该领域的研究工作。到现在为止，学术界对无线传感器网络的研究大致经过了两个阶段。第一阶段主要偏重利用MEMS技术设计小型化的节点设备，代表性的研究项目有Smart Dust和WINS；对于网络技术和通信协议的关注和研究可以认为是无线传感器网络研究的第二个阶段，目前正在成为无线网络研究领域的一个热点[8]。
从网络分层模型的角度分析，每一层都有需要结合传感器网络的特点进行细致研究的问题，就已有的研究而占，主要集中在网络层和链路层。目前的研究工作还处于起步阶段，大量的问题还没有涉及到，未来的研究工作任重而道远。国内在无线传感器网络领域的研究也很快跟进，已经在很多研究所和高校广泛的展开。中科院上海微系统与信息技术研究所已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和机站的研发；中科院电子技术研究所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术两种角度入手，它们专注于传感或控制执行部分；浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究：山东省科学院也看到了无线传感器网络这一极具前景的领域，并且于2004年10月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究。
中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学，中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、山东大学、东南大学等单位在无线传感器网络方面也都有一定的工作[10]。但从整体来说，从研究问题的深度和投入的科研力量角度来说，国内的水平相对国外还比较落后；另外从问题的点上研究较多，缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权较少，这和我国无线传感器网络飞速发展的市场需求不相称的。中科院计算技术研究所已经研发出了几款具有和Crossbow公司所大力推广的MICA2无线传感器网络节点相兼容的，并且在传输距离、可靠性、功耗等方面均有一定的优势的无线传感器网络节点，构建了WSN示范网络GAINS—Global Actable Intelligent Networks，拥有自主知识产权并为国内多个高校及研究机构提供产品及技术支持，在国内处于领先地位。
图1.1 无线传感器网络体系结构
1.1.2 无线传感器网络结构
在传感器网络中，节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知对象内部或者附近，这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳网络将数据经由Sink节点(接收发送器)链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心．反之，远程管理中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵。整个网络主要包括以下几部分：
1、 网络用户(任务管理节点)。它负责从网络中获取所需要的信息，同时也可以对网络做出各种各样的指示、操作等。
2、 传输介质(Internet网或通讯卫星)。它是用户与传感网络之间的桥梁和纽带。
3、 Sink节点(接收发送器)。它拥有足够的能量，可以将从传感器网络中的能量有限的节点上传来的信息转发到传输介质上。
4、 传感网络。这是传感器网络的核心。在感知区域中，大量的节点自组成网，监测、感知信息向Sink节点发送，或接收来自Sink节点的操作命令，改变自身的工作状态。
1.2 无线传感器网络节点
无线传感器网络的节点系统是构成无线传感器网络的基础，是承载无线传感器网络的信息感知、数据处理和网络功能的基本单元，所有与传感器网络相关的协议、机制、算法等都需要在节点上得以实现并加以优化才具有实际意义[12]。
目前常用的节点均为采用分立元器件的系统集成技术，而面向下一代网络、采用片上系统集成技术的低功耗、低成本节点将能代表未来的发展趋势。本文将介绍传感器网络节点的体系结构及设计方法，比较几种具有代表性的节点性能，同时，介绍下一代片上节点系统的研究进展。
目前节点平台在硬件结构上基本相同，根据无线传感器网络的应用需求以及功能要求，主要包括如下几个基本部分：传感器单元、处理器单元、存储器单元、射频单元、供电单元。传感器单元负责对所关心的物理量进行测量并采集数据，提供给处理器单元进行处理；处理器单元负责数据处理及控制整个节点的正常工作；存储单元负责对节点所采集或处理的数据进行保存；射频单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和相关数据；供电单元负责为节点提供运行所需的能量。
传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。
图1.2 无线传感器网络系统结构图
1.3 无线传感器节点应用
由于无线传感器网络节点体积小、耗能低、可移动性强、适应不同环境等优点，在现实中有着非常广阔的应用前景。目前主要应用在以下领域[14]。
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