無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的電壓監(jiān)測*

李永成，凌 青，石 春，吳 剛，陳 雷

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動化系，安徽合肥230027;2.中國人民解放軍63895部隊，河南洛陽454750)

0 引言

大多數(shù)電池的內(nèi)阻隨著電池電量的降低而增加。電池電量越低，內(nèi)阻越大。電池供電時，工作電流越大，內(nèi)部的電壓降也就越大，輸出電壓就越低。因此，電池電壓可以作為一種簡便的電池剩余電量的指示，通過監(jiān)測電池工作電壓達到監(jiān)測剩余電量的目的［2］。

用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的TI公司的CC2430/31—F128芯片具有低成本、低功耗的特點，在接收和發(fā)射模式下，電流消耗分別低于27，25 mA，內(nèi)嵌8位的增強型8051單片機［3］。為了解決電池電量低所造成的定位精度問題，本文基于CC2430/31—F128芯片的嵌入式系統(tǒng)，周期性采樣電池工作電壓并進行判斷，當(dāng)電壓值低于預(yù)先設(shè)定的報警低限時，停止當(dāng)前工作，斷開與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系，確保其他節(jié)點交互信息的可靠性，并在監(jiān)控終端顯示屏上閃爍，同時節(jié)點上的LED燈閃爍報警，避免由電池電量低而產(chǎn)生的定位誤差。

1 Zig Bee協(xié)議棧中的操作系統(tǒng)［4］

嵌入式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分，硬件部分指系統(tǒng)的內(nèi)核及外圍設(shè)備，如本例中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的CC2430/31—F128芯片;軟件部分指嵌入式操作系統(tǒng)［5］。當(dāng)前的嵌入式操作系統(tǒng)大致分為兩類:一類是通用的多任務(wù)操作系統(tǒng)(general-purpose multi-tasking OS)，能夠很好地支持多任務(wù)或者多線程，但會隨著內(nèi)部任務(wù)切換頻率的增加而產(chǎn)生很大的開銷;另一類是事件驅(qū)動的操作系統(tǒng)(event-driven OS)，能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)流的高效并發(fā)，并考慮了系統(tǒng)的低功耗要求，使其在功耗、運行開銷等方面具有優(yōu)勢，例如:TinyOS。

但是TinyOS操作系統(tǒng)不支持Chipcon公司的CC2430開發(fā)平臺，因此，Chipcon公司為自己設(shè)計的ZStack協(xié)議棧中提供了一個操作系統(tǒng)抽象層(operating system abstraction layer，OSAL)的協(xié)議棧調(diào)度程序。

1.1 OSAL對任務(wù)的調(diào)度

Zig Bee協(xié)議棧中，每一層都執(zhí)行很多原語操作，對于整個協(xié)議棧，就有很多并發(fā)操作要執(zhí)行。為使整個協(xié)議棧能夠按照時間順序讓各種任務(wù)和事件有條不紊的運行，協(xié)議棧的每一層都設(shè)計了一個事件處理函數(shù)，用于處理與該層操作相關(guān)的任務(wù)和事件。這些事件處理函數(shù)即是與協(xié)議棧每一層相對應(yīng)的任務(wù)，由Zig Bee協(xié)議棧中的調(diào)度程序OSAL進行統(tǒng)一管理。因此，對于整個協(xié)議棧，無論何時發(fā)生了何種事件，OSAL調(diào)度程序都可以通過調(diào)度協(xié)議棧相應(yīng)層的任務(wù)，亦即事件處理函數(shù)進行處理。

由于Zig Bee協(xié)議棧對實時性要求不高，因此，在設(shè)計任務(wù)調(diào)度程序時，OSAL采用了輪詢?nèi)蝿?wù)調(diào)度隊列的方法進行任務(wù)調(diào)度的管理，如圖1所示。

圖1 OSAL任務(wù)處理流程Fig 1 OSAL task processing flow

1)OSAL建立任務(wù)的流程

OSAL采用鏈表結(jié)構(gòu)管理協(xié)議棧各層相應(yīng)的任務(wù)。這個任務(wù)鏈表在系統(tǒng)啟動的時候建立，而一旦建立便一直存在于系統(tǒng)運行的整個過程，直到系統(tǒng)關(guān)閉或硬件復(fù)位時才被刪除。鏈表中的每一項都是一個結(jié)構(gòu)體，用來記錄鏈表中相關(guān)任務(wù)的基本信息。鏈表的建立是按照任務(wù)優(yōu)先級從高到低進行插入排列的。優(yōu)先級高的任務(wù)被插入到優(yōu)先級低的任務(wù)前面。當(dāng)兩任務(wù)優(yōu)先級相同時，則按照時間的先后順序添加到鏈表中。

2)OSAL對任務(wù)的處理流程

任務(wù)鏈表成功建立后，系統(tǒng)開始運行。如在系統(tǒng)運行過程中有事件發(fā)生，系統(tǒng)會調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)，即事件處理函數(shù)對所發(fā)生的事件進行相應(yīng)的處理。在整個系統(tǒng)運行過程中，OSAL調(diào)度程序周而復(fù)始地輪詢?nèi)蝿?wù)隊列鏈表，以查找發(fā)生的需要處理的事件。整個過程涉及2個函數(shù)的操作:一個是調(diào)度程序循環(huán)函數(shù);一個是設(shè)置事件發(fā)生標(biāo)志函數(shù)。

1.2 OSAL對時間的管理

Zig Bee協(xié)議棧中的每一層都有很多不同的事件發(fā)生，這些事件發(fā)生的時間順序各不相同。很多時候，事件并不要求立即得到處理，而要經(jīng)過一段時間后再進行處理。因此，經(jīng)常會遇到這樣的情況:假設(shè)事件A發(fā)生后，要求過20 s后執(zhí)行，事件B在事件A發(fā)生5 s后產(chǎn)生，且事件B要求在10 s后執(zhí)行。從時間軸可以看出:事件B雖然在事件A之前被處理，卻在事件A之后發(fā)生。因此，為了按照合理的時間順序處理不同事件的執(zhí)行，需要對各種不同的事件進行統(tǒng)一的時間管理。OSAL調(diào)度程序設(shè)計了與時間管理相關(guān)的函數(shù)，用來管理各種不同的需要被處理的事件。

OSAL同樣采用鏈表的方式對事件進行統(tǒng)一的時間管理。每發(fā)生一個要被處理的事件，系統(tǒng)會啟動一個邏輯定時器，并將此定時器添加到鏈表當(dāng)中。利用硬件定時器作為時間操作的基本單元，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置時間操作的單位為1 ms，即每1 ms硬件定時器產(chǎn)生一次時間溢出中斷，在時間中斷處理程序中去更新定時器鏈表。每次更新，都將鏈表中的每一項事件定時器的時間計數(shù)減1，如發(fā)現(xiàn)定時器鏈表中某一表項時間計數(shù)已減到0，則設(shè)置相應(yīng)的事件標(biāo)志。這樣，OSAL任務(wù)調(diào)度程序就根據(jù)事件的標(biāo)志進行相應(yīng)的事件處理，并將該定時器從鏈表中刪除。

2 節(jié)點電壓的測量和采樣

利用A/D轉(zhuǎn)換器進行節(jié)點電壓的測量和采樣，是一種常用的方法。A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)的模擬量(如電壓)通過取樣轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，分為采樣、保持、量化和編碼4個過程。

CC2430/31的A/D支持14位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換(如圖2所示)，其中包括1個參考電壓發(fā)生器、8個獨立可配置通道、電壓發(fā)生器和通過DMA模式把轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入內(nèi)存的控制器。在對節(jié)點電壓測量時，選擇VDD/3(VDD為節(jié)點電源電壓)作為輸入端，亦即輸入電壓，以 A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部1.25 V為參考電壓。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換器框圖Fig 2 Block diagram of A/D converter

3 節(jié)點電壓監(jiān)測的實現(xiàn)

節(jié)點電壓監(jiān)測功能的實現(xiàn)(如圖3所示)是在OSAL操作系統(tǒng)中添加邏輯定時器到定時器鏈表，同時啟動定時器，利用硬件定時器的觸發(fā)，更新邏輯定時器的時間，當(dāng)其溢出時，調(diào)用電壓監(jiān)測事件處理函數(shù)，即讓A/D轉(zhuǎn)換器進行電源電壓的采樣，并進行比較:當(dāng)采樣電壓低于設(shè)定的報警下限時，該節(jié)點立即停止當(dāng)前的工作，斷開與網(wǎng)絡(luò)的連接，在監(jiān)控終端顯示屏上閃爍，同時閃爍節(jié)點上的LED燈報警;當(dāng)高于報警下限時，退出此次采樣監(jiān)測過程，并重新添加邏輯定時器到鏈表。

圖3 節(jié)點電壓監(jiān)測流程Fig 3 Node voltage monitoring flow

其中電壓的報警下限和電壓的采樣周期(定時時間)可以根據(jù)實際需要設(shè)定。在定位實驗中每個節(jié)點都是用2節(jié)1.5 V的電池進行供電，實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)節(jié)點的電源工作電壓低于2.5V的時候，定位精度即會受到影響，因此，設(shè)定報警低限為2.5 V，采樣周期為2 min。具體實現(xiàn)流程如下:

1)啟動系統(tǒng)后，在硬件初始化時進行定時器的初始化和配置，同時定義定時器溢出時的回調(diào)函數(shù);

2)在應(yīng)用層任務(wù)初始化時添加邏輯定時器到定時器鏈表，設(shè)置其溢出時對應(yīng)的任務(wù)和事件及定時時間，并啟動該定時器;

3)邏輯定時器啟動時，其映射的硬件定時器隨之啟動，且每1 ms產(chǎn)生一次中斷;

4)系統(tǒng)輪詢定時器和各層的任務(wù):當(dāng)硬件定時器有中斷時，調(diào)用定時器的回調(diào)函數(shù)，對定時器鏈表中的所有邏輯定時器計數(shù)時間統(tǒng)一進行減1操作。當(dāng)電壓監(jiān)測定時器溢出時，設(shè)置電壓監(jiān)測事件標(biāo)志位，操作系統(tǒng)讀出其標(biāo)志位，對電壓監(jiān)測事件進行處理;

5)處理函數(shù)中利用A/D轉(zhuǎn)換器對電源電壓采樣檢測，并與設(shè)定的報警下限比較，如果電壓過低則停止當(dāng)前的工作，斷開與網(wǎng)絡(luò)的連接，在監(jiān)控終端顯示屏上閃爍，同時節(jié)點上的LED燈閃爍報警;當(dāng)大于報警下限時退出程序，重新添加邏輯定時器到定時器鏈表，回到步驟(2)。

4 實驗過程和實驗結(jié)果

為了驗證監(jiān)測效果，選擇開放空間進行定位實驗(如圖4所示)。

實驗中對其中15個節(jié)點進行電壓監(jiān)測，為保證電壓值的穩(wěn)定，當(dāng)節(jié)點上的LED燈閃爍10次以上時再測量節(jié)點的電壓值，所得結(jié)果，如表1所示。

圖4 實驗過程Fig 4 Experimental process

表1 節(jié)點報警時測得的電壓值Tab 1 Measured voltage value while node is alarming

由表可見，當(dāng)節(jié)點電壓低于設(shè)定的報警下限時，可以報警;當(dāng)節(jié)點電壓接近報警下限時，報警狀態(tài)并不穩(wěn)定，有時閃爍十幾次，有時閃爍幾十次，只有電源工作電壓低于報警下限0.03 V右時，LED燈才會一直閃爍而完全停止當(dāng)前的工作。這是因為不同的工作狀態(tài)，節(jié)點工作電流不同，造成電池內(nèi)部壓降不同，即電源的工作電壓隨著不同的工作狀態(tài)有波動。為此，設(shè)定節(jié)點電壓在低于報警下限工作20 s，即在電源工作電壓穩(wěn)定后，閃爍節(jié)點上的LED燈。這時上述現(xiàn)象消失，LED燈能夠連續(xù)閃爍，進入報警狀態(tài)。

5 結(jié)論

當(dāng)前在無線定位應(yīng)用中的CC2430/31芯片，不能定期進行電池剩余電量監(jiān)測，本文對此進行了功能上的完善，在Zig Bee協(xié)議棧中添加邏輯定時器，利用A/D轉(zhuǎn)換器進行電壓的采樣，定時監(jiān)測節(jié)點電壓，以保證節(jié)點在定位應(yīng)用中不會因為電池電量的不足而出現(xiàn)定位精度偏差的現(xiàn)象。同時也為其他以電池板供電的無線傳感器網(wǎng)點節(jié)點進行電池電量的監(jiān)測提供了一種切實可行的方法。

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