基于TinyOS和nRF24E1無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低廉的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，是目前國(guó)際上無(wú)線領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，應(yīng)用前景非常好;而TinyOS是美國(guó)的伯克利大學(xué)開發(fā)的，為嵌入式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的源碼開放的操作系統(tǒng)，它運(yùn)行在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，是其他上層應(yīng)用和協(xié)議運(yùn)行的前提。本設(shè)計(jì)以nRF24E1無(wú)線通信模塊為核心，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TinyOS，使用模塊化設(shè)計(jì)思路，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由三類節(jié)點(diǎn)構(gòu)成：一般采集所需要的信息無(wú)線終端節(jié)點(diǎn);收集一般節(jié)點(diǎn)中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、上傳的無(wú)線路由器節(jié)點(diǎn);無(wú)線服務(wù)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)線路由器節(jié)點(diǎn)處理中心并充當(dāng)網(wǎng)關(guān)與其他外部網(wǎng)絡(luò)的連接。三類節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成基本相同，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集、簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理、短距離無(wú)線通信和自組網(wǎng)能力。

1.2總體設(shè)計(jì)框圖

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中三種節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)的構(gòu)建基本相同，其基本節(jié)點(diǎn)構(gòu)成框圖如圖1所示。無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)可去除顯示模塊、串口通信模塊和聲光報(bào)警單元，以節(jié)約節(jié)點(diǎn)的電能。

主控制部分裝載傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)，并對(duì)各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;電源模塊為系統(tǒng)供電;無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸功能;串行通信模塊可用于與上位機(jī)進(jìn)行通信，也可用于進(jìn)行系統(tǒng)配置;傳感器模塊利用傳感器采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換后交由主控制器處理;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于臨時(shí)或永久存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)備查。

2、系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)的搭建，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者提出，用MSP430或AT89C2051作為主控制器，結(jié)合無(wú)線收發(fā)模塊來實(shí)現(xiàn)。國(guó)內(nèi)中科院杭州計(jì)算機(jī)所研制的gainz節(jié)點(diǎn)采用ATmega128處理器，再結(jié)合射頻收發(fā)芯片來實(shí)現(xiàn)，這樣做難以真正做到微型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，且成本難以控制。美國(guó)的伯克利大學(xué)研制的產(chǎn)品Mica2Dot節(jié)點(diǎn)采用自己設(shè)計(jì)的ASIC來實(shí)現(xiàn)，這需要足夠的技術(shù)力量和資金。本系統(tǒng)以nRF24E1無(wú)線通信模塊為核心。nRF24E1是一顆集成高速2.4 GHz無(wú)線收發(fā)內(nèi)核的增強(qiáng)型51單片機(jī)，可實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)的所有功能。這是一顆高性能單片機(jī)內(nèi)核的高速1 Mbps單片無(wú)線收發(fā)芯片，所有高頻元件（包括電感振蕩器等）已經(jīng)全部集成在芯片內(nèi)部，使得產(chǎn)品一致性良好、性能穩(wěn)定且不受外界影響;可跳頻，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信及無(wú)線檢錯(cuò)，所有功能均在一個(gè)6 mm×6 mm的QFN36芯片上實(shí)現(xiàn)。由于nRF24E1系統(tǒng)自帶存儲(chǔ)空間有限，系統(tǒng)外加一個(gè)串行EEPROM 25xx320，用來存儲(chǔ)TinyOS操作系統(tǒng)。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，將TinyOS編譯生成的系統(tǒng)文件轉(zhuǎn)換為hex文件格式，然后再用eeprep.exe轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換為24E1格式的hex文件，用通用編程器將生成的24E1格式的hex文件寫入25xx320。25xx320是32 Kb，SPI接口串行。EEPROM。nRF24E1上電時(shí)先將外掛的25xx320的程序全部下載讀入內(nèi)部的4 KB專用RAM區(qū)，然后開始執(zhí)行程序。在批量生產(chǎn)時(shí)可以將程序掩模在nRF24E1中，將外掛的25xx320省掉，進(jìn)一步降低成本，縮小節(jié)點(diǎn)體積。nRF24E1與25xx320的接口電路如圖2所示。

nRF24E1的具體外圍電路設(shè)計(jì)和其天線的設(shè)計(jì)可查閱nRF24E1的芯片手冊(cè)，并了解有關(guān)射頻電路設(shè)計(jì)和天線設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)。根據(jù)系統(tǒng)需要可以采用環(huán)形天線、單端天線或螺旋天線，良好匹配的元件和螺旋天線可使系統(tǒng)的平地可視通信距離高達(dá)800m，對(duì)于天線的設(shè)計(jì)，采用Aligent公司的ADS（Advanced Design System）進(jìn)行天線匹配。圖2中“天線”為單端50 歐姆天線。其layout的Top視圖如圖3所示。

顯示單元在無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)和無(wú)線服務(wù)結(jié)點(diǎn)上使用，采用字符型液晶顯示屏1602C，實(shí)時(shí)顯示測(cè)量到的數(shù)據(jù)，并給出提示信息，使操作簡(jiǎn)單，人機(jī)交互界面友好。聲光報(bào)警單元采用555作振蕩源，用單片機(jī)觸發(fā)振蕩源驅(qū)動(dòng)電磁訊響器作為聲音指示器，發(fā)光二極管作為光指示裝置，從而組成聲光報(bào)警單元。遠(yuǎn)程通信單元采用低電壓高速傳輸?shù)模?a target="_blank">RS232收發(fā)器MAX3316（CAE），實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。電源單元系統(tǒng)采用CR2450，3 V扣式電池，其在》2.8 V的條件下能提供大約530 mAh的能量（2l℃）。

3、系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 TinyOS概述

TinyOS是一個(gè)基于事件的系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是代碼量小、耗能少、并發(fā)性高，可適應(yīng)不同的應(yīng)用。它采用面向元件結(jié)構(gòu)，確?？焖夙憫?yīng)和執(zhí)行，同時(shí)減小了代碼量，以適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格的存儲(chǔ)空間需要。其操作系統(tǒng)、庫(kù)和程序服務(wù)程序是用nesC寫的。nesC是一種開發(fā)組件式結(jié)構(gòu)程序、具有C語(yǔ)法風(fēng)格的語(yǔ)言，其組件層次結(jié)構(gòu)就如同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，底層的組件負(fù)責(zé)接收和發(fā)送原始的數(shù)據(jù)位，而高層的組件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼，更高層的組件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)打包、路由和傳輸數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的軟件框圖

無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)和無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)比無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)多一個(gè)數(shù)據(jù)匯集和上傳的功能，其軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

3.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)

在TinyOS操作系統(tǒng)中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)由moudules和configurations兩部分構(gòu)成。其modules部分代碼如下：

在modules中提供StdControl接口，使用了Timer、ADC、StdControl、Leds接口。nesC程序中可以使用同一個(gè)接口的多個(gè)實(shí)例，ADCControl是StdControl的實(shí)例。

在configurations中不提供任何接口，使用Main、SenseM、LedsC、TimerC、Photo模塊，連接Main.StdControl接口到SenseM.StdControl和TimerC.StdControl，連接SenseM.ADC接口到Photo.ADC，連接SenseM.ADCControl到Photo.StdControl。參數(shù)化接口允許組件通過運(yùn)行時(shí)或編譯時(shí)參數(shù)值使用多個(gè)該接口的實(shí)例provides。interface Timer［uint8_tid］，unique（“Timer”）產(chǎn)生一個(gè)唯一的數(shù)字與Timer串關(guān)聯(lián)。

3.4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)的分析

在基于TinyOS的傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報(bào)文消息頭中包含group ID，使得多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以共享同一個(gè)radio channel。group ID是一個(gè)8位數(shù)，其默認(rèn)值是0x7D，使用DEFAULT_LOCAL_GROUP改變默認(rèn)group ID，如EFAULT_LOCAL_GROUP=0x7E，此時(shí)就把group ID改為了0x7E。以下為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到的封裝包格式：

7E 41 0F FF FF 08 7D 5D 1D 44 44 11 44 11 44 44 OO 00 00 00 00 00 00 0000 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 OO 00 00 DO 5C 7E

封包用0x7E，接下來是0x41是指封包格式。0x41是P_PACKET_ACK，0x42是P_PACKET_NO_ACK。第3個(gè)字節(jié)是0x0F，是SeqNo.，是從0x0E開始，也就是13 DECIMAL，接下來的格式TinyOS文件有說明，最后兩個(gè)字節(jié)是0xSCD0，是CRC校驗(yàn)。送出Packet之后，它會(huì)回送兩個(gè)信息：一個(gè)是2字節(jié)的封包，就是只有包含原本的packet type和SeqNo;另一個(gè)是P_PACKET_NO_ACK的格式的封包，和上面的格式一樣，不過SeqNo那個(gè)位不具有SeqNo的功能。

4、節(jié)點(diǎn)性能

該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作電壓為1.9～3.6 V，發(fā)射電流約為11～13 mA，接收電流約19 mA，待機(jī)電流約3μA;工作在2.4 GHz頻段，共有125個(gè)頻道可用，滿足多點(diǎn)及跳頻通信需要。數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mbps;可進(jìn)行CRC校驗(yàn)，外接9路10位ADC，采樣率達(dá)100 kbps，可配置的PWM，輸出UART、SPI等多種外設(shè)。平地?zé)o障礙物通信距離可達(dá)800 m，且節(jié)點(diǎn)性能穩(wěn)定，對(duì)環(huán)境依賴比較小。

5、結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了基于nRF24E1的系統(tǒng)硬件平臺(tái)的構(gòu)建，以及傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TinyOS的系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。該傳感器網(wǎng)絡(luò)能準(zhǔn)確采集環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)組網(wǎng)上傳，且其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，真正實(shí)現(xiàn)了微型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

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