引  言

環(huán)境監(jiān)測是無線傳感器網(wǎng)絡的重要應用領域。為搜集某一區(qū)域內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點需要在無人值守情況下長時間地工作在惡劣環(huán)境條件下。傳感器節(jié)點的軟件設計為節(jié)點正常工作提供了重要保證。

1  無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結構

整個傳感器網(wǎng)絡是由若干個采集節(jié)點、1個匯聚節(jié)點、1個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器以及1個便于用戶查看和控制的上位機組成。系統(tǒng)結構如圖1所示。采集節(jié)點用于對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的預處理，承當數(shù)據(jù)的路由；匯聚節(jié)點負責整個網(wǎng)絡的開啟和維護，向采集節(jié)點發(fā)送命令，搜集節(jié)點的數(shù)據(jù)以及和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器之間的串口通信；數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器承擔數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)發(fā)上位機的命令；上位機是數(shù)據(jù)搜集的終端設備，并且可以根據(jù)用戶的需要對節(jié)點的采集時間間隔、休眠時間間隔、傳感器的開關進行相應設置。



2 節(jié)點的硬件電路

為方便數(shù)據(jù)的搜集，匯聚節(jié)點和采集節(jié)點硬件電路設計相同，只是軟件設計有所不同。任意節(jié)點都可作為匯聚節(jié)點，與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過串口進行通信，來搜集網(wǎng)絡中其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。節(jié)點的硬件結構如圖2所示。



本設計選用的核心芯片是TI公司推出的ZigBee芯片CC2430。它以8051微處理器為內(nèi)核，自身攜帶的射頻收發(fā)器用來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的通信，提供了4路I／O口來控制傳感器的打開和關閉。傳感器將相應的環(huán)境數(shù)據(jù)變成電壓、電流等信號送給信號調(diào)理電路，經(jīng)相關調(diào)理后送到CC2430的ADC接口進行A／D采樣，最后CC2430將得到的A／D值存人1個外接的64 Kb的存儲器中。當節(jié)點作為網(wǎng)絡中的匯聚節(jié)點時，CC2430的2路I／O口被設置成UART0串口Tx和Rx，用于和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器進行串口通信。對于能源供應部分，為保證節(jié)點長期穩(wěn)定工作，選用2300 mA的鎳氫充電電池，2組鎳氫電池采用雙電源供電模式。軟件通過控制2組鎳氫電池的切換實現(xiàn)對節(jié)點的輪流供電，并在電池電壓不足時控制太陽能電池板對其進行充電。

3 節(jié)點軟件設計

3.1  Z-Stack協(xié)議棧簡介

本次的軟件設計基于TI公司Z-Stack 2006協(xié)議棧。Z-Stack 2006是TI公司專門為CC2430芯片設計的ZigBee協(xié)議棧。它由1個簡單的單線程的操作系統(tǒng)管理。該操作系統(tǒng)基于任務調(diào)度機制，任務通過API函數(shù)osalTaskAdd()按照優(yōu)先級添加到任務鏈表。任務的事件觸發(fā)實現(xiàn)任務調(diào)度。每個任務最多可定義16個事件，每個事件都對應1個唯一的事件號。NextActiveTask()是任務事件查詢函數(shù)，返回任務的事件狀態(tài)ActiveTask，根據(jù)返回的事件值來調(diào)用相應的任務處理函數(shù)ActiveTask()進行處理。操作系統(tǒng)任務調(diào)度如圖3所示。



主函數(shù)在完成節(jié)點相關初始化之后會進入無限循環(huán)過程，該過程會一直檢測操作系統(tǒng)的任務鏈表中是否有事件要進行處理。

3.2 節(jié)點工作流程

為便于管理和調(diào)度，節(jié)點所要實現(xiàn)的功能都是將其定義為事件進行處理的。每個事件完成相應功能。將事件按一定關系串接，就能實現(xiàn)節(jié)點工作時要完成的系統(tǒng)功能。采集節(jié)點和匯聚節(jié)點的工作流程如圖4、圖5所示。



匯聚節(jié)點和采集節(jié)點在同一時刻醒來。當匯聚節(jié)點創(chuàng)建網(wǎng)絡成功，并且采集節(jié)點入網(wǎng)成功后，全網(wǎng)節(jié)點處于通信狀態(tài)。匯聚節(jié)點會通過串口向數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器發(fā)送1個表示網(wǎng)絡準備就緒的消息，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器接收到該消息之后根據(jù)上位機的要求決定要不要上傳數(shù)據(jù)，以及上傳哪些數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點接收到命令之后會觸發(fā)相應的事件進行處理，先命令采集節(jié)點將相應的數(shù)據(jù)上傳給它，再通過觸發(fā)串口事件將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器。采集節(jié)點在入網(wǎng)成功以后也處于準備就緒的狀態(tài)，等待接受匯聚節(jié)點的命令，做相應的事件觸發(fā)處理。

在每次通信結束之前，匯聚節(jié)點會向數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器發(fā)送1個請求休眠的消息，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器接收到該消息之后會按照上位機的要求對全網(wǎng)節(jié)點的休眠過程進行設置。

3.3  串口通信協(xié)議

匯聚節(jié)點與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器之間的通信是通過串口進行的。串口通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)的安全收發(fā)，便于匯聚節(jié)點和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器對數(shù)據(jù)進行解析和存儲管理。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器和匯聚節(jié)點之間的串口通信數(shù)據(jù)幀格式如下所示：



其中，SOP為起始標志符，用1字節(jié)來表示數(shù)據(jù)包的起始，將這個字節(jié)定義為0x02；CMD表示命令ID，用1字節(jié)的數(shù)據(jù)來標識命令消息。LEN表示DATA的長度，用1字節(jié)來指示DATA位的數(shù)據(jù)的長度。DATA為具體要發(fā)送的數(shù)據(jù)。FCS是校驗位，這里使用XOR(異或校驗)，校驗CMD、LEN、DATA中的所有數(shù)據(jù)。

當匯聚節(jié)點和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過串口接收到數(shù)據(jù)后，都是通過判別CMD對數(shù)據(jù)進行解析的。串口數(shù)據(jù)的CMD有如下幾種：

①0x03，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器發(fā)送上傳路由表命令。作為響應，匯聚節(jié)點通過串口上傳路由表數(shù)據(jù)的CMD標識為0x83。

②0x04，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器發(fā)送上傳鄰居表命令。作為響應，匯聚節(jié)點通過串口上傳鄰居表數(shù)據(jù)的CMD標識為0x84。

③0x05，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器發(fā)送上傳采集數(shù)據(jù)命令。作為響應，匯聚節(jié)點通過串口上傳采集數(shù)據(jù)時的CMD標識為0x85。

④0x89，匯聚節(jié)點發(fā)送至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，表示網(wǎng)絡創(chuàng)建成功，等待命令消息。

⑤0xF9，匯聚節(jié)點發(fā)送至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，表示數(shù)據(jù)全部上傳完畢，等待休眠。作為響應，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過串口向匯聚節(jié)點發(fā)送CMD為0x09的休眠設置命令。

LEN表示數(shù)據(jù)的長度，方便數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器對接收到的數(shù)據(jù)進行空間分配和存儲。FCS是校驗位，用于表征數(shù)據(jù)的準確性。

當匯聚節(jié)點接收到串口數(shù)據(jù)時，匯聚節(jié)點會觸發(fā)自身應用層的串口事件，用于解析發(fā)送過來的命令消息，然后根據(jù)該命令來觸發(fā)相應的事件進行處理。

3.4 休眠設置

實驗證實，節(jié)點在休眠過程中處于斷網(wǎng)狀態(tài)。因此，為節(jié)省節(jié)點頻繁聯(lián)網(wǎng)帶來的功耗和保證全網(wǎng)節(jié)點工作狀態(tài)同步，在軟件上設計為節(jié)點在聯(lián)網(wǎng)成功后只執(zhí)行通信任務，而休眠過程中只執(zhí)行采集任務。當節(jié)點采集時刻到來，觸發(fā)采集事件，打開傳感器的開關對環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集，并控制I／O口對傳感器采集得到的信號進行A／D采樣，最后將采樣值以SPI方式存入外部存儲器。在每次通信結束之前節(jié)點都會判斷是否有休眠設置命令，若接收到休眠設置命令，節(jié)點則會按照該設置進行休眠，直到下一次醒來；若沒接收到命令，節(jié)點則會按照上一次的休眠設置進行休眠。

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過串口向匯聚節(jié)點發(fā)送的休眠設置命令的數(shù)據(jù)幀格式如表1所列。



Sleeping_Time表示節(jié)點要休眠的時間；Collecting_Time表示節(jié)點在休眠過程中的采集時間間隔；Current_Time是當前的校準時間；Sensor_Flag表示傳感器開關的標志。休眠過程中到達采集時刻，進行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、采樣和存儲。向采集節(jié)點發(fā)送當前的校準時間，保證節(jié)點采集時刻精確和時間的同步。同時，傳感器的開關標志位可以控制打開或關閉哪幾路傳感器，采集用戶感興趣的環(huán)境數(shù)據(jù)。到達休眠時刻，節(jié)點醒來，連接網(wǎng)絡。

3.5 充  電

為保證鎳氫電池對節(jié)點長期供電，節(jié)點硬件電路設計了1個充電控制電路對其進行充電管理。CC2430專門提供1個I／O口對供電電壓進行A／D采樣。當供電的電源電壓不足時(即低于設定的值)，在軟件上會通過切換先讓另一組電源對節(jié)點進行供電，再打開太陽能的充電電路對電源充電。節(jié)點在通信和采集數(shù)據(jù)時功耗很大，因此在每一次通信和采集數(shù)據(jù)完成之后都會檢測當前供電電壓值和當前的充電電壓值，根據(jù)2個電壓值決定要不要進行電源切換、是否對電源進行供電以及充電是否完成。

3.6 異常處理

網(wǎng)絡中節(jié)點在工作時可能出現(xiàn)一些異常，因此要對這些異常作糾錯處理，以保證節(jié)點的正常工作。

(1)新加入節(jié)點的異步

在全網(wǎng)節(jié)點處于休眠狀態(tài)時，若有新的節(jié)點加入網(wǎng)絡，為保證其網(wǎng)絡狀態(tài)和其他節(jié)點同步，新加入的節(jié)點在搜索不到網(wǎng)絡時會按照默認的休眠設置進行休眠。休眠醒來繼續(xù)搜索網(wǎng)絡。以此循環(huán)直到搜索到網(wǎng)絡。

(2)數(shù)據(jù)出錯

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過串口獲得的數(shù)據(jù)都要進行校驗處理，若校驗出錯，則拋棄該數(shù)據(jù)包，命令匯聚節(jié)點重發(fā)數(shù)據(jù)。

(3)無應答

匯聚節(jié)點對某一采集節(jié)點發(fā)送上傳數(shù)據(jù)的請求命令，若該節(jié)點在規(guī)定時間內(nèi)沒有作出響應，匯聚節(jié)點會默認該節(jié)點被拋棄，它將向下一個節(jié)點發(fā)送上傳數(shù)據(jù)的請求。

(4)無確認

匯聚節(jié)點收到采集節(jié)點的數(shù)據(jù)后都會向該節(jié)點發(fā)送一個確認的消息，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)收到。而采集節(jié)點會根據(jù)有沒有接收到確認消息決定數(shù)據(jù)要不要重發(fā)。

結  語

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計很大程度上決定了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長久性。任務調(diào)度機制和異常處理決定系統(tǒng)在工作時處于穩(wěn)定的狀態(tài)，而節(jié)點的充電管理系統(tǒng)保證了節(jié)點長期工作的能源供應。系統(tǒng)可以按照用戶需要，在野外大量、準確地采集數(shù)據(jù)。本設計可用于在無人值守情況下長期監(jiān)測某一區(qū)域的環(huán)境信息，有著廣闊的應用前景。