基于MSP430的传感节点设计 (毕业设计60页、22738字)摘要：本文主要介绍了无线传感器网络节点的分析和设计。具体而言，本系统分为发送节点和接收节点的设计制作。节点由传感器、控制模块、无线收发模块以及USB通信模块组成。发送节点可以进行环境温度数据的测量和发送，接收节点进行对发送数据的接收，并将数据传输到电脑中，实现对环境温度数据的监控。
为尽量降低功耗，本系统选用了低功耗的MSP430系列单片机作为控制器，同时选用了低功耗的射频通信芯片NRF2401以及温度传感器SHT11进行低功耗设计。在软件设计部分，采用了一种突发通信模式，利用NRF2401提供的Shockburst通信模式进行数据通信。同时系统程序部分充分利用MSP430系列单片机提供的5种休眠模式，增加数据定时采集发送的时间间隔，降低不必要的功耗。此外本文就各模块芯片的通信协议以及对应的程序也进行了具体的分析。

关键词：无线传感器网络节点；温度测量；低功耗；射频通信

 
Design of Sensor Node Based On MSP430

Abstract: The main purpose of this paper is to introduce the analysis and design of a node in wireless sensor network. This system is composed of the design of the sender node and the receiver node in details. Each node includes sensors, control module, wireless transceiver module and the USB communication module. The sender node is used to measure and send the data needed. The receiver node is used to receive the data sent by the sender node and deliver it to the computer. The monitoring of the temperature is realized through the transmission of the data.
To minimize the power consumption, the low-power MCU of MSP430 series is used as the processors. At the same time, NRF2401 used for RF communication and SHT11 used for temperature measurement are chosen for the low-power design in the system. In the software design, the Shockburst mode of communication provided by the NRF2401 is chosen to complete the communications in the system. The sleeping modes provided by the MCU are fully utilized and the interval of collecting and sending should be increased in order to reduce unnecessary power consumption. In addition, the communication protocol and the program of the chips are also analyzed.

Key words:  wireless senor network node,  temperature measurement,  low-power,  RF communication

目    录
第1章  绪论 1
1.1  无线传感器网络的研究及发展 1
1.1.1  无线传感器网络的产生背景及发展 1
1.1.2  无线传感器网络的研究状况及应用 1
1.2  论文主要工作及意义 2
第2章  无线传感器网络节点的总体设计方案 4
2.1  无线传感器网络节点设计方案 4
2.2  各组成部分功能及要求 5
2.3  系统低功耗设计 6
2.3.1  硬件低功耗设计 6
2.3.2  软件低功耗设计 6
2.4  MCU的选择 6
2.4.1  MSP430F147的特点 7
2.4.2  MSP430F147单片机的结构 8
2.4.3  单片机外围电路 9
2.5  本章小结 10
第3章  传感器模块设计 11
3.1  设计方案及分析 11
3.1.1  温湿度传感器的选取 11
3.1.2  SHT11通信协议 12
3.1.3  模块的硬件设计 13
3.2  模块的软件设计 14
3.2.1  数据采集程序流程 14
3.2.2  传感器模块程序代码 16
第4章  无线通信模块设计 17
4.1  方案设计及分析 17
4.1.1  无线通信芯片的选择 17
4.1.2  无线通信协议 18
4.1.3  无线通信模块硬件结构 19
4.2  模块的软件设计 21
4.2.1  数据发送流程 21
4.2.2  数据接收流程 23
4.2.3  程序分析 23
第5章  USB通信模块设计 25
5.1  方案设计及分析 25
5.1.1  USB通信芯片的选取 25
5.1.2  CP2102的结构 26
5.1.3  硬件电路结构 28
5.2  模块的软件设计 29
第6章  系统调试 31
6.1  系统测试方案 31
6.2  节点硬件测试 31
6.3  节点软件测试 34
6.3.1  系统程序总流程 34
6.3.2  系统模块软件调试 35
结论 40
致谢 42
参考文献 43
附录1 44
附录2 50
附录3 55
 
第1章  绪论
1.1  无线传感器网络的研究及发展
近年来,微电子技术,计算技术和无线通信等技术的进步,推动了低功耗多功能传感器的快速发展,使其在微小体积内能够集成信息采集,数据处理和无线通信等多种功能。无线传感网络(Wireless Sensor Network, WSN)就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作感知,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。无线传感器网络在军事监控,气候预测,海底探索等许多方面都有着广阔的应用前景[1]。
1.1.1  无线传感器网络的产生背景及发展
最初的传感器网络出现在20世纪70年代，当时正处于冷战时期，为军事上的需要，美国国防高级研究计划局进行了这一项目的研究，主要根据传感器网络所采集的数据进行分析来加以监测敌方潜艇的活动情况。但限于当时的技术，所以无线传感器网络仅仅运用于军事方面，未能向民用加以推广[2]。
随着微电子技术，无线通信技术，计算技术等技术的进步，无线传感器网络技术也得以不断的发展更新。从20世纪70年代至今，无线传感器网络以10年为一分水岭，以点覆盖，线覆盖，面覆盖的形式不断进行着发展。而将大量具有多功能多信号捕获能力的传感器，采用自组织无线接入技术接入网络，与传感器控制器相连接，构成具有域覆盖功能的第四代无线传感器网络正在研究开发中[3]。
1.1.2  无线传感器网络的研究状况及应用
如今，国外很多大学和研究机构很早就已经开始纷纷投入大量的研发力量进行WSN这方面的研究。比较有代表性的当属UC/Berkeley大学和Intel一起成立的智能尘埃实验室。该实验室成立于1997年，在其中开展了智能微传感器网络的研究，并研制出了具有代表性的“微尘”和“智能尘埃”。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，在加州大学洛杉矶分校成立了传感器网络研究中心，联合周边的加州大学伯克利分校，南加州大学等等，展开了“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，这也是美国国情咨文中有关Internet2最主要的远景规划之一[4]。其他许多国家，如日本，英国等国也相继开展了无线传感器网络这方面的研究工作，并且取得了一系列的成果。
我国也较早进行了无线传感器网络的研究。在1999年，无线传感器网络正式出现于中国科学院“知识创新工程试点领域方向研究”的信息与自动化领域研究报告中，作为该领域提出的五个重大项目之一。2001年中科院依托上海微系统所成立的微系统研究与发展中心，在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，初步建立起了传感器网络系统研究平台，并在无线传感器网络通信技术，微型传感器，传感器节点等方面取得很大的发展[5]。如今，国内已经有越来越多的院校和机构纷纷加入到该领域的研究工作中来。
无线传感器网络具有可快速部署，可自组织，隐蔽性强和高容错性的特点，这也使它具有了广泛的应用空间。在军事上，利用传感器网络能够实现对敌军兵力和装备的监控，战场的实时监控，目标定位，生物武器搜索等等功能。同样，在民用领域，无线传感器网络也有着广泛的应用价值。利用无线传感器网络，在农业，医疗护理等等方面可以得到很多的便利[6]。当然，无线传感器网络的应用远远不仅这些，利用无线传感器网络，还可以进行气象检测，建筑物状态监测，输油管道监测，空间探测等等。无线传感器网络的应用简直就是无所不在。有了无线传感器网络，会使我们的生活变得多姿多彩，也会使许多看似遥不可及的探索，研究成为可能。鉴于无线传感器网络的广泛应用价值以及其重要的战略价值，如今的很多国家纷纷投入大量的研究力量进行这方面的研究，因此，无线传感器网络也成为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。
1.2  论文主要工作及意义 
本文主要对无线传感器节点的设计技术进行一定的研究分析，并通过对无线传感器节点制作完成对无线传感器网络功能的简单模拟。无线传感器节点可以进行环境温度采集，并进行数据的无线传输和处理，从而达到对环境温度的监测。同时，它还具有高集成度，低功耗，体积小，使用寿命长等优势。
在设计方面，本文主要从功能实现以及低功耗这两方面进行设计分析。具体分为以下几个方面：
(1) 选取合适的低功耗硬件模块，确定无线传感器发送节点和无线传感器接收节点的原理框图以及软件编写流程。
(2) 通过相应的控制程序的编写，实现发送节点对温度数据的定时采集，处理，完成温度传感器模块低功耗设计。
(3) 按照预定的通信协议，编写发送，接收节点的控制程序，实现发送和接收节点间的无线通信。
(4) 在接收节点编写控制程序，实现接收节点和PC机之间的数据通信功能。