基于μC/OS-Ⅱ的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計

戎 舟 ，吳 夢 ，吳 為

（1.南京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.上海綠地能源（集團(tuán)）有限公司，上海 200433；3.南伊利諾伊大學(xué)，美國 伊利諾伊州 62901）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN （Wireless Sensor Network）是近年來信息科學(xué)領(lǐng)域一個熱門的研究方向，它集成了無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)和分布式信息處理，能相互配合對環(huán)境或各種對象進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測和感知，其被廣泛應(yīng)用于軍事[1]、環(huán)境監(jiān)測[2]、動植物監(jiān)視[3]、智能家具[4]和健康結(jié)構(gòu)監(jiān)測[5]等多個領(lǐng)域。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，不同的應(yīng)用和需求對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟硬件的要求都不一樣。很多商用的WSN系統(tǒng)存在源代碼不公開、整個系統(tǒng)或單個節(jié)點(diǎn)價格過高以及對于某一具體應(yīng)用適應(yīng)差等問題。本文圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了一個適用于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控的實(shí)時數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

在分析了幾種常見的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，本文選取了分簇結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與一般分簇結(jié)構(gòu)不同，采用中繼節(jié)點(diǎn)作為簇頭，一方面增加了網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，另一方面由于簇頭能量消耗較快，只要更換極少部分簇頭的能量就可以延長網(wǎng)絡(luò)的壽命。簇頭也可以擔(dān)任節(jié)點(diǎn)的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖1為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

1.1 硬件設(shè)計

在選擇節(jié)點(diǎn)的處理器方面，主要考慮的因素包括價格、功耗、開發(fā)工具成本、片內(nèi)集成的RAM、Flash及EEPROM大小等。目前已經(jīng)商用的WSN節(jié)點(diǎn)，如Mica、Mica2 Dot、T-Nodes、Fleck 等 ， 都 采 用 ATmega128 作 為CPU，一些自行開發(fā)的節(jié)點(diǎn)，參考文獻(xiàn) [6]、[7]也采用ATmega128。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

無線通信芯片選擇nRF24L0，其采用2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2 Mb/s，125頻道滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要，發(fā)射和接收模式消耗的電流都比較低，而且高速鏈路層完全集成在芯片上，非常便于軟硬件的開發(fā)。

Sink節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2虛線框部分所示。其中，串口通信模塊負(fù)責(zé)Sink節(jié)點(diǎn)與計算機(jī)的連接，將收集的數(shù)據(jù)傳送到計算機(jī)上進(jìn)行顯示。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

采集節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)與圖2相似。采用溫度傳感器AD590和Honeywell的氣體質(zhì)量流量傳感器AWM3200CR分別對溫度和空氣壓差參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后采用ATmega128內(nèi)的ADC將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號。串口模塊用于PC向節(jié)點(diǎn)下載程序。

1.2 Sink節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

（1）通信模塊軟件

nRF24L01的數(shù)據(jù)包處理方式主要分直接收發(fā)模式、ShockBurst模式和增強(qiáng)型ShockBurst模式3種。在本文中，nRF24L01無線通信模塊都是采用增強(qiáng)型ShockBurst模式。根據(jù)nRF24L01在增強(qiáng)型ShockBurst模式下接收的步驟，設(shè)計了匯聚節(jié)點(diǎn)接收程序的設(shè)計。

為了提供從傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，還設(shè)計了中繼節(jié)點(diǎn)，利用nRF24L01工作方式和信道切換來完成收發(fā)方式的轉(zhuǎn)變。

（2）μC/OS-Ⅱ的移植與在匯聚節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用

μC/OS-Ⅱ是由 LABROSSE J J編寫的一種源碼公開的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)。程序大部分用C語言編寫，帶有少量的匯編，適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時性能優(yōu)良及可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。本設(shè)計成功地將μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植到ATmega128處理器上。

移植完成后，實(shí)現(xiàn)μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)在匯聚節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用。首先在main函數(shù)中初始化無線芯片、串口、ATmega128的SPI等，然后函數(shù)創(chuàng)建不同優(yōu)先級的任務(wù)，最后啟動μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。由于匯聚節(jié)點(diǎn)要接收來自不同采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，本文設(shè)計了多任務(wù)調(diào)度機(jī)制，分別利用不同的信道接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。利用定時器和信號量機(jī)制分配時間，在一段時間內(nèi)接收第一個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后這個任務(wù)放棄CPU使用權(quán)，第二個任務(wù)切入，接收來自第二個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，依次循環(huán)。中斷轉(zhuǎn)發(fā)程序設(shè)計流程如圖3所示。

⑧Tiwana，A．，“Do bridging ties complement strong ties?An empirical examination of alliance ambidexterity”，Strategic Management Journal，2008，29(3)，pp．251 ～272．

圖3 中斷轉(zhuǎn)發(fā)程序設(shè)計流程圖

1.3 采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)主要設(shè)計了基于實(shí)時數(shù)據(jù)采集方式和基于按需數(shù)據(jù)采集方式兩種基于不同數(shù)據(jù)采集的方式。在這兩種方式中，收發(fā)的轉(zhuǎn)變由對nRF24L01工作方式的設(shè)置和信道切換來完成。

（1）實(shí)時數(shù)據(jù)收集方式

這種方式實(shí)際上是單向上行的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)。具體流程如下：

①Sink節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)初始化處于等待接收狀態(tài)；

②簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)以一定格式傳送給簇頭；

③簇頭將接收的數(shù)據(jù)合成，切換信道收發(fā)模式后，發(fā)送給 Sink；

④Sink節(jié)點(diǎn)接收，通過串口傳輸給PC處理后顯示；

⑤簇頭再一次切換收發(fā)模式等待新的數(shù)據(jù)。

這里，簇頭的設(shè)計涉及到無線數(shù)據(jù)的點(diǎn)對點(diǎn)收發(fā)、一對多收發(fā)以及收發(fā)模式切換的程序設(shè)計。

（2）按需數(shù)據(jù)收集方式

這種方式是一種雙向的數(shù)據(jù)傳輸，在PC采集節(jié)點(diǎn)1的信號時，其他節(jié)點(diǎn)為睡眠狀態(tài)，從而節(jié)約能量。具體流程如下：

①PC向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取命令；

②Sink節(jié)點(diǎn)接收命令后向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取命令，信道切換給簇頭1；

③簇頭接收到命令后將信道切換至節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)1處于發(fā)送模式；

④節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行連續(xù)采集，采樣的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭1；

⑤簇頭1收數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn)；

⑥Sink節(jié)點(diǎn)通過串口把數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)。

2 基于LabVIEW的實(shí)時監(jiān)控程序設(shè)計

在系統(tǒng)中，Sink節(jié)點(diǎn)采用串口與PC相連，采集的數(shù)據(jù)由PC實(shí)時顯示，由于LabVIEW在串口通信和監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示等方面設(shè)計方便靈活，顯示直觀形象，因此，采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了串口通信和采集數(shù)據(jù)的顯示。圖4所顯示的是從兩個節(jié)點(diǎn)采集得到的溫度值。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，正常從各節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)。

圖4 實(shí)時監(jiān)測界面

本文實(shí)現(xiàn)了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件系統(tǒng)。首先進(jìn)行系統(tǒng)需求分析并且建立模型；然后完成了節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計，并在匯聚節(jié)點(diǎn)的核心處理器上移植了μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無線通信程序在多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)上的應(yīng)用；最后用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了串口通信和監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示?，F(xiàn)場調(diào)試試驗(yàn)取得了較為理想的效果。

在今后的工作中，應(yīng)進(jìn)一步考慮如何降低功耗、實(shí)現(xiàn)更為靈活的路由機(jī)制、μC/OS-Ⅱ任務(wù)切換時間的分配、執(zhí)行效率等問題，使系統(tǒng)性能進(jìn)一步優(yōu)化。

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