采用TinyOS操作系統(tǒng)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)。由于它由大量體積小，成本低，具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。所以功耗、成本、體積、處理能力等受到嚴(yán)格的限制。以此超低功耗單片機(jī)MSP430為核心，結(jié)合無線收發(fā)模塊nRF24E1，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的普通節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

由于傳感器節(jié)點(diǎn)功率的限制，傳遞的距離非常有限，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)除了從外界環(huán)境采集數(shù)據(jù)外，還要接收鄰近節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、融合、轉(zhuǎn)發(fā)。圖1中節(jié)點(diǎn)A通過節(jié)點(diǎn)B，C，D將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)E。再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與外部網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶。

2、 硬件設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線收發(fā)模塊、電源模塊構(gòu)成，如圖2所示。

2．1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊直接與外界接觸進(jìn)行信息感知和采集。它將采集的物理量通過積分、放大電路的整形處理后經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送給處理器。

2．2 數(shù)據(jù)處理和控制模塊

數(shù)據(jù)處理和控制模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，它主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、資源管理等功能。作為硬件平臺的中心模塊，應(yīng)該具有集成度高，功耗低，運(yùn)行速度快，I／O和擴(kuò)展接口多等特點(diǎn)，并應(yīng)適應(yīng)整個網(wǎng)絡(luò)的需要?；谝陨显?，可以采用TI公司的 MSP430系列超低功耗處理器、高效的16位．RISC CPU確保任務(wù)的快速執(zhí)行，以縮短工作時間；可以從睡眠模式到活動模式的6μs轉(zhuǎn)換時間延長待機(jī)時間，降低電池的功耗；集成12位A／D轉(zhuǎn)換器、溫度傳感器、FLASH程序存儲器和2 KB RAM，具有豐富的端口資源，可以與各種傳感器連接。

2．3 通信模塊

無線收發(fā)模塊主要完成傳感器節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)交換功能，這里采用Nordic公司的nRF24E1芯片。nRF24E1內(nèi)部集成了2．4 GHz的nRF2401無線收發(fā)器，其增強(qiáng)型8051內(nèi)核和9輸入的10位A／D轉(zhuǎn)換器無線收發(fā)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通信，具有體積小，功耗低和外圍電路簡單等特點(diǎn)。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一些只實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳送功能的節(jié)點(diǎn)可以由nRF24E1內(nèi)嵌的8051單片機(jī)進(jìn)行控制處理，所以可直接采用nRF24E1和傳感器模塊構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)。然而，對于數(shù)據(jù)處理要求高，功能復(fù)雜，計(jì)算量大，要為通信協(xié)議、功能協(xié)調(diào)、應(yīng)用處理等提供硬件支持的節(jié)點(diǎn)（如網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)），則采用MSP430作為處理器，nRF24E1作為無線通信模塊，其連接圖如圖3所示。

通過配置特殊寄存器，可使nRF24E1工作在ShockBurst無線方式。數(shù)據(jù)低速輸入高速發(fā)送，功耗極低，并可通過軟件控制開關(guān)進(jìn)一步降低能耗。用 MSP430的P1口控制nRF24E1，通過配置CE，PWR，CS三個控制管腳，使芯片工作在不同的模式。當(dāng)nRF24E1工作在發(fā)送方式時，接口引腳為CE，CLK1和DATA；當(dāng)CPU請求發(fā)送數(shù)據(jù)時，置CE為高電平。此時，將接收機(jī)地址和有效載荷數(shù)據(jù)送入nRF24E1，置CE為低電平，激活 ShockBurst發(fā)射；當(dāng)nRF24E1工作在接收方式時，接口引腳為CE，DR1，CLK1和DATA。在正確設(shè)置射頻包輸入載荷的地址和大小后，置CE為高電平。此后，nRF24E1監(jiān)測信息輸入，若收到有效數(shù)據(jù)包，則給處理器一個中斷，并置DR1為高電平，使處理器將有效載荷數(shù)據(jù)取走，待系統(tǒng)收到全部數(shù)據(jù)后再置DR1為低。此時，如果CE保持高電平，則等待新的數(shù)據(jù)包；若CE置低電平，則開始其他工作流程。

2．4 電源模塊

傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有限，目前主要解決節(jié)約電能的方法是采用休眠機(jī)制，即節(jié)點(diǎn)在沒有事件發(fā)生時盡快進(jìn)入休眠狀態(tài)；而在有事件發(fā)生時及時自動醒來，并喚醒鄰居節(jié)點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在光線充足的地方采用太陽能電池代替化學(xué)電池，使節(jié)點(diǎn)有更長的工作時間。

3 、嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每個節(jié)點(diǎn)可看作一個微型的嵌入式平臺。現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)大多是實(shí)時操作系統(tǒng)，很少考慮能源供應(yīng)，而且占用空間很大。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理能力、電源及存儲能力有限，采用 TinyOS嵌入式系統(tǒng)，并引入輕線程、主動消息、事件驅(qū)動和組件化編程。TinyOS是一種專門為嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于組件的操作系統(tǒng)，由nesC 語言實(shí)現(xiàn)，主要應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。TinyOS根據(jù)嵌入應(yīng)用可以輕易增減控制執(zhí)行的功能，而且編譯器可避免數(shù)據(jù)競爭的現(xiàn)象，可節(jié)省硬件資源，并能執(zhí)行多個快速響應(yīng)的控制操作。

3．1 組件

TinyOS操作系統(tǒng)一般由Main組件（初始化硬件并執(zhí)行調(diào)度程序）、應(yīng)用組件（實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用功能）、系統(tǒng)組件（為應(yīng)用層組件提供服務(wù)）、HPL（硬件描述層）構(gòu)成。這種體系結(jié)構(gòu)使得TinyOS非常方便用戶使用，增加了操作系統(tǒng)的移植性和軟件的復(fù)用性。

3．2 接口

這里的接口是一個雙向通道，它具有的功能和事件通知能力是雙向的，向調(diào)用者提供命令和實(shí)現(xiàn)命令者進(jìn)行事件通告。代碼如下：

TinyOS應(yīng)用程序還要使用testSM，GenericComm等組件實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的邏輯功能。test5M提供接口的命令，并實(shí)現(xiàn)對調(diào)用接口事件的響應(yīng)；GenericComm通過調(diào)用其他組件實(shí)現(xiàn)從消息包到主動消息、位級數(shù)據(jù)傳送到無線電收發(fā)模塊的功能。為了能將TinyOS移植到節(jié)點(diǎn)平臺上，需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)平臺設(shè)計(jì)修改TinyOS中的初始化代碼，編寫自己的BSP程序，達(dá)到移植操作系統(tǒng)的目的。

GenericComm提供了256個消息收發(fā)接口，采用CSMA／AD的MAC協(xié)議，消息到達(dá)組件test5M中，receive事件就會立刻調(diào)用。因此在這個事件中實(shí)現(xiàn)不同消息的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)通信雙方的握手：

4、 結(jié) 語

在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)以超低功耗單片機(jī)MSP430為核心，并結(jié)合了無線收發(fā)模塊nRF24E1的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。軟件開發(fā)平臺采用TinyOS操作系統(tǒng)，從硬件、軟件等方面對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

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