基于TinyOS和nRF24E1無線通信模塊實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的設計

無線傳感器網(wǎng)絡是由大量低廉的微型傳感器節(jié)點組成的無線網(wǎng)絡，是目前國際上無線領域研究的熱點之一，應用前景非常好;而TinyOS是美國的伯克利大學開發(fā)的，為嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡而設計的源碼開放的操作系統(tǒng)，它運行在每個網(wǎng)絡節(jié)點上，是其他上層應用和協(xié)議運行的前提。本設計以nRF24E1無線通信模塊為核心，基于無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)TinyOS，使用模塊化設計思路，實現(xiàn)了一個無線傳感器網(wǎng)絡。

1、無線傳感器網(wǎng)絡設計

1.1 系統(tǒng)構成概述

無線傳感器網(wǎng)絡由三類節(jié)點構成：一般采集所需要的信息無線終端節(jié)點;收集一般節(jié)點中的數(shù)據(jù)并進行存儲、處理、上傳的無線路由器節(jié)點;無線服務節(jié)點實現(xiàn)無線路由器節(jié)點處理中心并充當網(wǎng)關與其他外部網(wǎng)絡的連接。三類節(jié)點的硬件構成基本相同，每個傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集、簡單的數(shù)據(jù)處理、短距離無線通信和自組網(wǎng)能力。

1.2總體設計框圖

無線傳感器網(wǎng)絡中三種節(jié)點硬件平臺的構建基本相同，其基本節(jié)點構成框圖如圖1所示。無線終端節(jié)點可去除顯示模塊、串口通信模塊和聲光報警單元，以節(jié)約節(jié)點的電能。

主控制部分裝載傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對各個模塊的驅動，并對各個模塊的數(shù)據(jù)進行處理;電源模塊為系統(tǒng)供電;無線通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸功能;串行通信模塊可用于與上位機進行通信，也可用于進行系統(tǒng)配置;傳感器模塊利用傳感器采集數(shù)據(jù)，并進行數(shù)模轉換后交由主控制器處理;數(shù)據(jù)存儲模塊用于臨時或永久存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)備查。

2、系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

對于無線傳感器網(wǎng)絡硬件平臺的搭建，國內(nèi)外很多學者提出，用MSP430或AT89C2051作為主控制器，結合無線收發(fā)模塊來實現(xiàn)。國內(nèi)中科院杭州計算機所研制的gainz節(jié)點采用ATmega128處理器，再結合射頻收發(fā)芯片來實現(xiàn)，這樣做難以真正做到微型網(wǎng)絡節(jié)點，且成本難以控制。美國的伯克利大學研制的產(chǎn)品Mica2Dot節(jié)點采用自己設計的ASIC來實現(xiàn)，這需要足夠的技術力量和資金。本系統(tǒng)以nRF24E1無線通信模塊為核心。nRF24E1是一顆集成高速2.4 GHz無線收發(fā)內(nèi)核的增強型51單片機，可實現(xiàn)51單片機的所有功能。這是一顆高性能單片機內(nèi)核的高速1 Mbps單片無線收發(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，點對多點通信及無線檢錯，所有功能均在一個6 mm×6 mm的QFN36芯片上實現(xiàn)。由于nRF24E1系統(tǒng)自帶存儲空間有限，系統(tǒng)外加一個串行EEPROM 25xx320，用來存儲TinyOS操作系統(tǒng)。在具體實現(xiàn)時，將TinyOS編譯生成的系統(tǒng)文件轉換為hex文件格式，然后再用eeprep.exe轉換工具轉換為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)時可以將程序掩模在nRF24E1中，將外掛的25xx320省掉，進一步降低成本，縮小節(jié)點體積。nRF24E1與25xx320的接口電路如圖2所示。

nRF24E1的具體外圍電路設計和其天線的設計可查閱nRF24E1的芯片手冊，并了解有關射頻電路設計和天線設計的相關知識。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800m，對于天線的設計，采用Aligent公司的ADS（Advanced Design System）進行天線匹配。圖2中“天線”為單端50 歐姆天線。其layout的Top視圖如圖3所示。

顯示單元在無線路由節(jié)點和無線服務結點上使用，采用字符型液晶顯示屏1602C，實時顯示測量到的數(shù)據(jù)，并給出提示信息，使操作簡單，人機交互界面友好。聲光報警單元采用555作振蕩源，用單片機觸發(fā)振蕩源驅動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，從而組成聲光報警單元。遠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），實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的實時監(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)的軟件實現(xiàn)

3.1 TinyOS概述

TinyOS是一個基于事件的系統(tǒng)，其設計的主要目標是代碼量小、耗能少、并發(fā)性高，可適應不同的應用。它采用面向元件結構，確?？焖夙憫蛨?zhí)行，同時減小了代碼量，以適應無線傳感器網(wǎng)絡嚴格的存儲空間需要。其操作系統(tǒng)、庫和程序服務程序是用nesC寫的。nesC是一種開發(fā)組件式結構程序、具有C語法風格的語言，其組件層次結構就如同一個網(wǎng)絡協(xié)議棧，底層的組件負責接收和發(fā)送原始的數(shù)據(jù)位，而高層的組件對這些數(shù)據(jù)進行編碼、解碼，更高層的組件負責數(shù)據(jù)打包、路由和傳輸數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)節(jié)點的軟件框圖

無線路由節(jié)點和無線終端節(jié)點比無線終端節(jié)點多一個數(shù)據(jù)匯集和上傳的功能，其軟件設計流程如圖4所示。

3.3 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的實現(xiàn)

在TinyOS操作系統(tǒng)中，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的實現(xiàn)由moudules和configurations兩部分構成。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接口的多個實例，ADCControl是StdControl的實例。

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行時或編譯時參數(shù)值使用多個該接口的實例provides。interface Timer［uint8_tid］，unique（“Timer”）產(chǎn)生一個唯一的數(shù)字與Timer串關聯(lián)。

3.4 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)報的分析

在基于TinyOS的傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)報文消息頭中包含group ID，使得多個節(jié)點可以共享同一個radio channel。group ID是一個8位數(shù)，其默認值是0x7D，使用DEFAULT_LOCAL_GROUP改變默認group ID，如EFAULT_LOCAL_GROUP=0x7E，此時就把group ID改為了0x7E。以下為傳感器網(wǎng)絡節(jié)點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，最后兩個字節(jié)是0xSCD0，是CRC校驗。送出Packet之后，它會回送兩個信息：一個是2字節(jié)的封包，就是只有包含原本的packet type和SeqNo;另一個是P_PACKET_NO_ACK的格式的封包，和上面的格式一樣，不過SeqNo那個位不具有SeqNo的功能。

4、節(jié)點性能

該無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點工作電壓為1.9～3.6 V，發(fā)射電流約為11～13 mA，接收電流約19 mA，待機電流約3μA;工作在2.4 GHz頻段，共有125個頻道可用，滿足多點及跳頻通信需要。數(shù)據(jù)傳輸速率可達1 Mbps;可進行CRC校驗，外接9路10位ADC，采樣率達100 kbps，可配置的PWM，輸出UART、SPI等多種外設。平地無障礙物通信距離可達800 m，且節(jié)點性能穩(wěn)定，對環(huán)境依賴比較小。

5、結 語

本文介紹了基于nRF24E1的系統(tǒng)硬件平臺的構建，以及傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)TinyOS的系統(tǒng)程序設計。該傳感器網(wǎng)絡能準確采集環(huán)境數(shù)據(jù)，實時組網(wǎng)上傳，且其網(wǎng)絡節(jié)點結構簡單，價格低廉，真正實現(xiàn)了微型無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。

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