基于Contiki OS 的低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

劉嘉宇，高德云

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1-2］(Wireless Sensor Network，WSN)是一種由大量分布于特定區(qū)域的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的分布式系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)作的方式對(duì)其所在區(qū)域環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)或控制。由于其可廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制、動(dòng)物監(jiān)控、健康監(jiān)護(hù)、倉(cāng)庫(kù)管理等場(chǎng)合［3-6］，已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)體積受限，使其攜帶的能量受到極大的限制，又由于節(jié)點(diǎn)通常部署于難以接近的場(chǎng)所，無(wú)法頻繁地更換電池，因此在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，必須要其節(jié)點(diǎn)具有低功耗的特性，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)也必須首先考慮能量因素［7-9］。

傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件通常采用前后臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)在后臺(tái)循環(huán)中處理任務(wù)，通過(guò)中斷(前臺(tái))來(lái)響應(yīng)外部事件。這樣的設(shè)計(jì)較容易實(shí)現(xiàn)，但缺乏模塊化，使得移植較為困難，且不易新增加功能，任務(wù)間沒(méi)有有效的通信機(jī)制。Contiki OS［10-12］是一種適用于資源受限環(huán)境下的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，它使得無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)擺脫了傳統(tǒng)的前后臺(tái)設(shè)計(jì)思想，通過(guò)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)管理與調(diào)度，資源分配與進(jìn)程間通信。

1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

合理的硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)高效穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)，本文實(shí)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)由微處理器模塊、IEEE802.15.4 射頻模塊、傳感器模塊、配置存儲(chǔ)器模塊與能量供應(yīng)及評(píng)估模塊構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 微處理器模塊

微處理器是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心。微處理器利用其計(jì)算能力進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，計(jì)算路由信息;利用其存儲(chǔ)能力進(jìn)行程序及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，暫存其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包用以轉(zhuǎn)發(fā);利用其各類總線接口與各類其他模塊進(jìn)行互聯(lián)，控制其他模塊的工作。

本文以低功耗為重點(diǎn)，兼顧處理能力，存儲(chǔ)容量及總線接口情況，選用TI 公司的16 位微功耗處理器MSP430F5438A［13］。該處理器擁有16 bit 位寬，最大運(yùn)行頻率為25 MHz，具有256 kB Flash 與16 kB RAM 及豐富的總線接口;在活動(dòng)模式下，每MHz 功耗僅為230 uA。此外，該款微處理器支持多種LPM(Low Power Mode，低功耗模式)，可進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。

1.2 IEEE802.15.4 射頻模塊

IEEE802.15.4 射頻模塊用于處理微處理器模塊傳來(lái)指令集數(shù)據(jù)，將物理層載荷經(jīng)調(diào)制后以電磁波的形式發(fā)送至空間，同時(shí)接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的無(wú)線數(shù)據(jù)包，經(jīng)解調(diào)還原為物理層載荷供微處理器模塊處理。常見(jiàn)的射頻通信芯片總結(jié)見(jiàn)表1。

表1 常用射頻芯片對(duì)比表

由表1，本文IEEE802.15.4 無(wú)線通信模塊采用Atmel 公司的AT86RF231［14］芯片。它除了具有巨大的功耗優(yōu)勢(shì)之外，還支持IEEE802.15.4MAC 層加速功能，可自動(dòng)進(jìn)行MAC 確認(rèn)幀發(fā)送，CSMA/CA 及幀重傳，自動(dòng)進(jìn)行地址匹配及FCS(Frame Check Sequence，幀校驗(yàn)序列)計(jì)算。它具備128 bit 硬件AES加密的計(jì)算能力，可提高網(wǎng)絡(luò)安全性。

AT86RF231 可以直接使用集成Balun(Balance-Unbalance Converter，雙向式平衡至非平衡轉(zhuǎn)換器)2450FB15L0001 進(jìn)行信號(hào)匹配，不需要設(shè)計(jì)分立元件組成Balun。2450FB15L0001 可將AR86RF231 射頻前端的100 Ω 差分阻抗轉(zhuǎn)換為天線系統(tǒng)所需要的50 Ω 單端特征阻抗。AR86RF231 使用4 線SPI 的方式與微處理器模塊進(jìn)行通信，此外還需要占用主機(jī)2 個(gè)GPIO 對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)/休眠控制，一個(gè)外部中斷引腳進(jìn)行中斷請(qǐng)求。

1.3 傳感器模塊

本文選擇高精度數(shù)字溫濕度傳感器SHT21［15］與數(shù)字光強(qiáng)傳感器TSL2561［16］進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集。SHT21 是一款集成的數(shù)字溫濕度計(jì)，其分辨率可通過(guò)命令編程進(jìn)行改變?？膳渲幂敵鲂ｒ?yàn)和，保證數(shù)據(jù)完成性，傳感器自帶有I2C 接口，在測(cè)量狀態(tài)僅需要消耗300 uA 的電流，非常適合在能量受限的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)上使用。光強(qiáng)傳感器TSL2561 也是一款數(shù)字傳感器，通過(guò)I2C 接口與微處理器相連接。傳感器具有2 個(gè)寬帶光敏二極管，分別對(duì)應(yīng)可見(jiàn)光與紅外光，通過(guò)一定的公式可將2 個(gè)通道的數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為當(dāng)前的光強(qiáng)值。

I2C 總線簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器模塊的連接。SHT21 及TSL2561 分別占用了微處理器的USCI 的B0/B1 接口模塊。由于I2C 總線具有開(kāi)漏特性，需要在總線的引腳上加上拉電阻使得其能輸出高電平。

1.4 能量管理模塊

本文的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采用鋰聚合物電池供電，與其他電池相比，其能量大，且3.7 V 的放電平臺(tái)高，配合低壓差穩(wěn)壓電路，在其整個(gè)放電區(qū)間內(nèi)幾乎都能為節(jié)點(diǎn)供電，效率高。受節(jié)點(diǎn)體積限制，使用電池容量為1500 mAh。本文采用Linear Technology 公司的LT1761-3.0 作為低壓差穩(wěn)壓器(LDO)，其靜態(tài)電流極低，僅20 uA，能在節(jié)點(diǎn)自供電的情況下節(jié)約寶貴的能量。

鋰離子電池的充電方式為CC-CV，即恒流-恒壓方式。本文采用南京拓微集成公司的TP4056 對(duì)節(jié)點(diǎn)電池進(jìn)行充電。由于USB2.0 接口能提供的最大電流為500 mA，為了保護(hù)接口，將其恒流階段電流設(shè)置為400 mA，TP4056 Pin2 的編程電阻RProg=3 kΩ。

圖2 DS2762 模塊電路原理圖

為了進(jìn)行精確的能量管理，準(zhǔn)確知道節(jié)點(diǎn)消耗的電流，本文使用獨(dú)立的電池監(jiān)測(cè)芯片DS2762。在對(duì)節(jié)點(diǎn)能量進(jìn)行監(jiān)測(cè)的同時(shí)，也能提供鋰電池過(guò)充、過(guò)放保護(hù)，提高安全性。DS2762［17］模塊電路原理圖如圖2 所示。

DS2762 的SNS 引腳與VSS 引腳在芯片內(nèi)部串聯(lián)有一個(gè)25 mΩ 的檢流電阻，通過(guò)電阻兩端的電壓采樣，可知流入或流出電池的電流大小。電流值對(duì)時(shí)間積分可得電池的充電或放電容量。其1，3 引腳分別控制一個(gè)低開(kāi)啟電壓低導(dǎo)通電阻的PMOS 管，當(dāng)發(fā)生過(guò)壓、過(guò)流等危險(xiǎn)情況時(shí)，相應(yīng)引腳輸出高電平，MOS 管關(guān)斷，將電池從電路中斷開(kāi)，有效保護(hù)電池。圖3 為整個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)物圖。

圖3 低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本文無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行Contiki 操作系統(tǒng)。Contiki 是一個(gè)小型的非搶占非實(shí)時(shí)開(kāi)源操作系統(tǒng)，任務(wù)(進(jìn)程)間采用共享堆棧的方式，上下文切換時(shí)采用2 字節(jié)來(lái)保存現(xiàn)場(chǎng)，充分節(jié)約系統(tǒng)資源。模塊化的設(shè)計(jì)使其易于裁剪與移植，系統(tǒng)支持uIP 及Rime協(xié)議棧，方便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。這些特點(diǎn)使其非常適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.1 Contiki OS 平臺(tái)設(shè)計(jì)

Contiki OS 代碼完全由C 語(yǔ)言編寫，這種設(shè)計(jì)降低了其移植難度。本文采用IAR Embedded Workbench for MSP430 v5.4.03 作為軟件集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。

不同硬件配置在Contiki OS 中反映為不同的Platform(平臺(tái))，Platform 下的代碼與節(jié)點(diǎn)使用的硬件緊密相關(guān)。本文為第一節(jié)介紹的傳感器節(jié)點(diǎn)硬件在Contiki OS 新添加一個(gè)Platform，稱為MSN(Mobile Sensor Node)。

節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘源采用MSP430F5438A 內(nèi)部的REFO，它是一個(gè)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的RC 振蕩器。REFO 直接作為MSP430 的ACLK(Auxiliary Clock，輔助時(shí)鐘);同時(shí)REFO 還經(jīng)過(guò)FLL 倍頻之后由DCO 輸出作為MCLK(Master Clock，主時(shí)鐘)，DCO 時(shí)鐘輸出分頻之后作為SMCLK(Sub-Main Clock，子系統(tǒng)時(shí)鐘)。MCLK 時(shí)鐘頻率約為4 MHz，SMCLK 時(shí)鐘頻率約為2 MHz，ACLK時(shí)鐘頻率為32.768 kHz。

在此之后初始化UART(通用異步收發(fā)傳輸器)模塊與能量評(píng)估模塊。UART 模塊用于顯示調(diào)試信息與進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的配置。能量評(píng)估模塊用于測(cè)量無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)剩余能量，為上層路由協(xié)議運(yùn)行提供相關(guān)信息。隨后判斷外置配置存儲(chǔ)器配置引腳的電平，以決定進(jìn)入節(jié)點(diǎn)配置寫入模式或讀取模式。正常狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)從配置存儲(chǔ)器中讀取自身配置信息，并加載至Contiki 操作系統(tǒng)。隨后進(jìn)行IEEE802.15.4 射頻模塊初始化，IEEE802.15.4 MAC 層初始化與網(wǎng)絡(luò)層的初始化。

隨后初始化系統(tǒng)的定時(shí)器，Contiki 操作系統(tǒng)使用etimer 事件定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生系統(tǒng)節(jié)拍，驅(qū)動(dòng)操作系統(tǒng)的運(yùn)行。MSN 平臺(tái)上，系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍的頻率為128 Hz，即每秒鐘產(chǎn)生128 次時(shí)鐘中斷。etimer 利用MSP430F5438A 的Timer B0 實(shí)現(xiàn)，使用ACLK 時(shí)鐘源經(jīng)分頻得到。此后，啟動(dòng)TCP/IP 進(jìn)程，用于處理TCP/IP 數(shù)據(jù)包的發(fā)送與接收，隨后啟動(dòng)其他自啟動(dòng)進(jìn)程鏈表中包含的進(jìn)程，包含傳感器數(shù)據(jù)采集進(jìn)程，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)程等。完成以上的操作之后，操作系統(tǒng)啟動(dòng)完成，進(jìn)入實(shí)際的任務(wù)處理過(guò)程，Contiki 操作系統(tǒng)依次檢查進(jìn)程是否需要處理，是否有定時(shí)器到期，并根據(jù)其調(diào)度算法選擇一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行執(zhí)行。Contiki OS運(yùn)行流程圖如圖4 所示。

圖4 Contiki OS 運(yùn)行流程圖

2.2 溫濕度光強(qiáng)信息采集進(jìn)程

Contiki OS 使用輕量級(jí)的Protothreads 模型進(jìn)程編程。本文編寫程序，采集傳感器信息，發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，程序流程圖如圖5 所示。

圖5 傳感器信息采集發(fā)送流程圖

程序首先聲明sensor_process，并將其加入自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)程列表。之后初始化SHT21 溫濕度傳感器及TSL2561 數(shù)字光強(qiáng)傳感器。設(shè)定一個(gè)etimer，用于傳感器事件的定時(shí)。本文中定時(shí)間隔設(shè)置為30 s。等待etimer 到期使用系統(tǒng)宏P(guān)ROCESS_WAIT_EVENT()，調(diào)用該宏導(dǎo)致本進(jìn)程掛起，系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，并等待定時(shí)器超時(shí)。待定時(shí)器到期事件PROCESS_EVENT_TIMER 發(fā)生，讀取傳感器輸出信息，包括溫度、濕度及2 個(gè)通道的光強(qiáng)信息，之后調(diào)用協(xié)議棧數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)collect_common_send()，向網(wǎng)關(guān)通過(guò)UDP 數(shù)據(jù)包發(fā)送傳感器信息，UDP 數(shù)據(jù)包的載荷格式如圖6 所示。發(fā)送完成后，重新設(shè)定etimer，程序循環(huán)。

圖6 節(jié)點(diǎn)發(fā)送UDP 數(shù)據(jù)包載荷格式

采集到的溫濕度及光強(qiáng)數(shù)據(jù)通過(guò)UDP 數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送，溫度，濕度及2 個(gè)通道的光強(qiáng)數(shù)據(jù)均為16 bit，按照大端順序組包發(fā)送。序列號(hào)占用8 bit，節(jié)點(diǎn)類型、簇首編號(hào)、簇成員編號(hào)與節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)進(jìn)行的分簇有關(guān)，各占用8 bit，整個(gè)UDP 數(shù)據(jù)包載荷為12 Byte。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

搭建測(cè)試平臺(tái)對(duì)本文節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中，將約80 個(gè)節(jié)點(diǎn)密集地部署于建筑內(nèi)，節(jié)點(diǎn)采集建筑物內(nèi)溫濕度光強(qiáng)信息，節(jié)點(diǎn)間采用IEEE802.15.4 協(xié)議進(jìn)行通信，將采集得到的數(shù)據(jù)發(fā)送至Sink(匯聚)節(jié)點(diǎn)，Sink 與高性能節(jié)點(diǎn)通過(guò)USB 接口以SLIP 協(xié)議通信，高性能節(jié)點(diǎn)間使用IEEE802.11 協(xié)議進(jìn)行通信。高性能節(jié)點(diǎn)最終將數(shù)據(jù)匯聚至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)經(jīng)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳遞至服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)并顯示。測(cè)試使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D7 所示。

圖7 多點(diǎn)環(huán)境監(jiān)控測(cè)試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

使用IEEE802.15.4 數(shù)據(jù)包嗅探器捕獲節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并使用Wireshark 軟件進(jìn)行分析，一個(gè)典型的數(shù)據(jù)包如圖8 所示。

圖8 Wireshark 捕獲到數(shù)據(jù)包圖

這是一個(gè)UDP 數(shù)據(jù)包，發(fā)送的12 Byte 數(shù)據(jù)格式如圖8 所示，包含節(jié)點(diǎn)類型、序列號(hào)及傳感器信息等。數(shù)據(jù)由節(jié)點(diǎn)3ffe:3240:8007:d708:4613::發(fā)送至3ffe:3240:8007:d708:4600::，適配層采用6LoWPAN［18］協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層采用IEEE802.15.4協(xié)議。

本文還對(duì)節(jié)點(diǎn)功耗進(jìn)行測(cè)試。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，處理器(CPU)模塊及IEEE802.15.4 射頻模塊設(shè)計(jì)了單獨(dú)的跳線。將跳線替換為小阻值的檢流電阻，可使用萬(wàn)用表對(duì)電流進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中，微處理器頻率為4 MHz，射頻發(fā)送功率為0 dBm，接收靈敏度設(shè)置為最大高-101 dBm，使用檢流電阻阻值為2.2 Ω，測(cè)試儀器為勝利萬(wàn)用表VC86D。測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 不同狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)功耗(單位:mA)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款采用MSP430 系列單片機(jī)與AT86RF231 射頻芯片的低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。詳細(xì)描述節(jié)點(diǎn)各模塊的選型及設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)，在節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)Contiki OS 的運(yùn)行與環(huán)境信息采集發(fā)送。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行多點(diǎn)環(huán)境信息采集實(shí)驗(yàn)與節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試，證明節(jié)點(diǎn)能按照預(yù)期組網(wǎng)完成溫濕度光強(qiáng)監(jiān)測(cè)功能，同時(shí)具備低功耗特性，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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