傳感測試技術正朝著多功能化、微型化、智能化、網絡化、無線化的方向發展，自組織無線傳感器網絡(selforganizing wireless sensornetwork)作為新興技術，是目前國外研究的熱點，其在軍事、環境、健康、家庭、商業、空間探索和災難拯救等領域展現出廣闊的應用前景，早在2003年美國自然科學基金委員會已經斥巨資來支持這方面的研究，并且出現了一些致力于無線傳感器網絡的公司。其中，crossbow公司已推出了mica系列傳感器網絡產品，國內很多大學現已經開展相關領域的研究，但大部分工作仍處在自組織無線網絡協議性能仿真和硬件節點小規模實驗設計階段，本文就國防科技大學傳感器教研室開展可應用于環境監測方面無線傳感器網絡設計與實現進行介紹。
1 無線傳感器網絡硬件設計
無線傳感器網絡模型(如圖1所示)是不同于傳統無線網絡的以基礎設施網，通過在監測區去內隨意布撒大量傳感器節點(簡稱節點)，由各節點自行協調并迅速組建通信網絡，在能量利用率優先考慮原則下進行工作任務劃分以獲取監視區域的信息，網絡的自組織特性體現在當節點失效或新節點加入時網絡能夠自適應重新組建，以調整全局的探測精度，充分發揮資源優勢，即網絡中的各節點除具備數據采集功能外兼有數據轉發實現多跳的路由功能。
圖1 無線傳感器網絡模型
典型的無線傳感器網絡節點由數據采集、處理、傳輸和電源4個主要部分組成，傳感探測單元由傳感器進行監測區域內待測對象的信息采集，微控制單元實現數據的分析、處理和存儲等功能，無線傳輸單元負責低功耗短距離節點間通信，供電單元選取小型化、高容量的電池，以確保節點的長壽命和微型化，具體節點設計如圖2和圖3所示。
圖2 無線傳感器網絡節點結構
無線收發模塊選用挪威nordic公司推出的nrf401芯片，nrf401是工作在ism頻段433.92mhz/434.33mhz單片無線收/發一體芯片，是包括了高片發射/接收、plll合成，fsk調制/解調和雙頻道切換等單元的高集成度無線傳感器產品，其最高傳輸速率可達到20kb/s接收靈敏度為-105dbm，最大發射功率為10dbm，較其他類別射頻收發芯片外圍電路設計簡單，設計中工作頻率鎖定在434.33mhz，微控制單元僅須提供四跟口線：收發狀態切換txen、待機與工作狀態切換pwr-up和數據通信接口線din/dout。射頻信號輸出設計采用環形差分輸出天線。
圖3無線傳感器網絡節點實物圖片
ti公司msp430系列單片機是一種具有集成度高、功能豐富、功耗級低等技術特點的16位單片機，超低功耗的混合信號控制器、豐富的片內外設、節能考慮的多種工作模式和對c語言程序設計的支持，使得msp430系列單片機非常適合于應用在嵌入式系統，設計中選用flash存儲器可進行在線編程的msp430x13x、msp430x14x系列單片機，外圍模塊有看門狗、定時器a/b、同步/異步串行通信接口、10/12位a/d以及6個8位并行端口等多種組合形式。其實現功能如下：
操作無線收發芯片，為nrf401提供工作狀態控制線和兩條單向串行傳輸數據線。
實現傳感器的數據采集-加速度、溫度、聲音和感光強度探測;
本地數據處理--剔除冗余數據，以減少網絡傳輸的負載和對無線傳輸數據的封裝與驗證。
應答遠控中心查詢，完成數據轉發與存儲;
區域內節點的路由維護功能;
節點電源管理，合理地設置待機狀態，以節省能量消耗，延長節點使用壽命。
(3)傳感探測單元
根據實際需要選擇合適傳感器對監測區域內溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進行檢測。實驗設計選用了兩種外圍電路簡單的數字格式傳感器、光敏器件和駐極體話筒，分別對振動、溫度、光強和聲音進行探測。
ad公司的adxl202是雙軸向加速度傳感器，其采用先進的mems技術，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器，集成精度的信號處理電路，可測靜態及動態加速度，輸出為周期的占空比調制(dcm)循環數字信號，測試范圍為-2-+2g，測試帶寬為0.01hz-5khz(外置單電容可調)，60hz帶寬下分辨率為5mg，該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監測、車輛安全和電池供電設備的運動狀態測試等領域。
maxim公司的ds18b20是一線式數字溫度傳感器，測量結果可選用9-12位串行數據輸出，測量范圍-55-125℃，在-10-85℃測量準確度為±0.5℃。
光敏電阻5516是基于半導體光電效應工作的光導管，對光強感應靈敏度相當高，當受到一定波長范圍的光照時，其阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加，通過參考電阻分壓后進行a/d采樣即可獲得光敏電阻的阻值，進而換算出光照強度。
駐極體話筒hx034p是電容式微麥克風。輸入信號為聲音信號，輸出信號經max4466構成的前置放大電路后進行電壓值a/d采樣，處理器的a/d采樣頻率可達200khz，可捕獲到聲音信號。
結合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網絡節點，能夠實現溫度、加速度(震動)的準確測量與探測，光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在實驗中不作精確標定;另外對聲音信號的捕獲和復現需要進行大量的數據處理，從能量利用和傳感器節點功能的精簡角度考慮，實驗中對聲光強弱的探測通過設定閾值來給出布爾型(0或1)輸出。
(4)供電單元
實現節點設計的微型化，節點可采用輸出電壓3.6v可充電鋰離子鈕扣電池lir2032供電。該類電池自放電率小于10%/月，但額定容量較小，限制了節點的生存期，若以兩節5號aa電池供電，則可維持更長的工作時間，在以網絡形式工作狀態下通過合理的設置節點發射極的接收、發射以及待機狀態，可有效地延長節點的使用壽命。針對節點供電單元不便于更換的無線傳感器網絡，新的能源解決方法研究及網絡系統的低功耗設計也是當前值得關注的課題。
