無線傳感器網(wǎng)絡匯聚節(jié)點的設計與實現(xiàn)

張周平

摘 要：由于傳統(tǒng)的傳感器采用的是電纜形式，它不僅使系統(tǒng)成本增加，而且也產(chǎn)生了許多不同信號之間的干擾。文章采用無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）方法，大大減少了連接的規(guī)模，而且安裝更容易，信號更穩(wěn)定。與傳統(tǒng)傳感器相比，無線傳感器網(wǎng)絡具有預防性維護方便、成本低、適合惡劣環(huán)境應用等優(yōu)點。文章對無線傳感器網(wǎng)絡中匯聚節(jié)點的重要性進行了分析和討論，并給出了硬件平臺和軟件平臺的詳細設計。在硬件平臺上，設計了LPC2214處理器和CC2530模塊的無線通信裝置。為了確保傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡靈活性，ZigBee作為無線通信協(xié)議。通過μμC/OS-II實時操作系統(tǒng)提供設計軟件系統(tǒng)。該設計滿足水槽節(jié)點的要求，并成功應用于大型油船溫度監(jiān)測系統(tǒng)

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；sink節(jié)點；μc/OS-II；溫度監(jiān)測

引言

無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點安裝過程較為靈活，布線相對簡單，通常情況下，通過電池等設備進行供電，對于遠程設備可以實時監(jiān)測，本文介紹了一種無線傳感器網(wǎng)絡匯聚節(jié)點的設計。其采用ARM處理器和CC2530作為硬件平臺，以Zigbee作為無線通信協(xié)議，μC/OS-II為操作系統(tǒng)，完成了匯聚節(jié)點應具備的功能，并成功運用于大型油船的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡匯聚節(jié)點介紹

無線傳感器網(wǎng)絡一般通過三個部分組合而成，分別是傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點以及遠程客戶端三級網(wǎng)絡系統(tǒng)，對特定環(huán)境的物理量進行檢測和感知是通過傳感節(jié)點完成的，通過把這些物理量轉化成電量，以供整個系統(tǒng)進行判斷和處理。匯聚節(jié)點在整個網(wǎng)絡中有兩部分作用，其一是對傳感器節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)進行處理，其二是把遠程控制中心的命令發(fā)送到每一個傳感器節(jié)點。所以，匯聚節(jié)點同時和遠程終端以及傳感器節(jié)點進行通信。

2 匯聚節(jié)點的總體設計

2.1 硬件平臺的設計

根據(jù)匯聚節(jié)點的工作特性，硬件平臺選用LPC2214芯片作為中央處理器，其采用ARM7TDMI-S為內(nèi)核，是ARM體系中的一款高端芯片。內(nèi)含多個定時器和計數(shù)器；LPC2214集成多種通信接口，能較好地滿足通信領域的要求。硬件連接圖如圖1所示。

匯聚節(jié)點不僅需要與遠程終端進行通信，而且還需與傳感器節(jié)點進行通信，其計算能力較強，速度較快，所以對系統(tǒng)進行通訊接口的擴展。在匯聚節(jié)點與傳感器節(jié)點之間采用無線通訊方式滿足無線傳感器節(jié)點數(shù)目龐大、分布較廣，且工作功耗低等要求，本系統(tǒng)選用Zigbee作為無線通訊協(xié)議。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院涂煽啃?，同時考慮到匯聚節(jié)點與遠程終端的距離，所以在匯聚節(jié)點與遠程終端之間采用有線以太網(wǎng)的通訊方式。系統(tǒng)采用RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口芯片，連接匯聚節(jié)點與遠程終端。其硬件電路如圖2所示。

在存儲器擴展方面，系統(tǒng)采用兩片F(xiàn)LASH芯片SST39VF1601和兩片SRAM芯片ISSIS61LV25616AL構成32位的存儲系統(tǒng)。

供電單元為系統(tǒng)運行提供能量來源，其穩(wěn)定工作是系統(tǒng)可靠的基本保證。在本系統(tǒng)中，LPC2214內(nèi)核所需電壓為1.8V，I/O口電壓為3.3V，RTL8019AS和CC2530無線收發(fā)單元的供電電壓為5V，SST39VF1601、JTAG、74AC125D等其他芯片供電電壓為3.3V，因此系統(tǒng)正常工作需要3種電平不同的電源。結合實際的工程情況，最終確定系統(tǒng)輸入電源電壓為5V，在電路板上通過穩(wěn)壓芯片LM1084IS-3.3將5V變換為3.3V和穩(wěn)壓芯片LM1117-1.8將5V變換為1.8V，保證了系統(tǒng)中各芯片的供電要求和整個系統(tǒng)的功率分配。系統(tǒng)功能總框圖如圖3所示。

2.2 軟件平臺的設計

計算機系統(tǒng)由硬件和軟件組成，匯聚節(jié)點的硬件平臺以ARM處理器為核心，而目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)主要有：μC/OS-II、uClinux、Windows CE和VxWorks等。以下為幾種主流操作系統(tǒng)的簡單介紹。

（1）μC/OS-II：μC/OS-II操作系統(tǒng)和其他操作系統(tǒng)的區(qū)別是其代碼為完全開放的。并且μC/OS-II是具有多任務的操作系統(tǒng)，在同一時間可以對多種功能進行完成。大多數(shù)開發(fā)環(huán)境支持C語言，但是該操作系統(tǒng)是通過ANSI-C編寫的，這為開發(fā)者提供了很多方便，也同時降低了開發(fā)的難度，對開發(fā)效率也得以提高。

（2）嵌入式uClinux：uClinux操作系統(tǒng)有較好的實用性，其性能穩(wěn)定，移植性能好，網(wǎng)絡功能好，最為重要的是含有豐富的API函數(shù)，為其具體的工程應用做好了接口準備，這也是它具有良好通用性的一個原因。

（3）Windows CE：Windows CE操作系統(tǒng)相比其他的操作系統(tǒng)，其通用性較差。但 Windows CE的用戶交互界面較好，且Windows CE操作系統(tǒng)的諸多特點給編程開發(fā)工作都降低了很多難度，可以將每個部分進行整合組成一個新的整體。

操作系統(tǒng)的選擇直接關系著硬件電路和應用程序的編寫。由于μC/OS-II具有實時性高、可以移植性強和對硬件要求較低等獨特的性質(zhì)，結合硬件平臺的相關參數(shù)，最后選擇μC/OS-II作為無線傳感器網(wǎng)絡匯聚節(jié)點的操作系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 μC/OS-II移植調(diào)試

根據(jù)匯聚節(jié)點對操作系統(tǒng)的需求和硬件資源的實際情況，本設計中采用的操作系統(tǒng)具體版本為μC/OS-II V2.52。μC/OS-II操作系統(tǒng)的源代碼較多，但由于其本身易于移植，大部分源代碼不需更改，直接添加至工程中即可用。需要根據(jù)具體的工程進行修改的文件只有以下三個：OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C。

根據(jù)硬件電路的資源，修改了與CPU相關的三個文件，下載匯聚節(jié)點電路板，電路板上LED指示燈開始閃爍，表明μC/OS-II系統(tǒng)移植成功。

3.2 以太網(wǎng)通訊調(diào)試

目前源碼公開的TCP/IP協(xié)議主要為LWIP、μC/IP、μIP和TinyIP等。參考系統(tǒng)的硬件平臺和軟件環(huán)境，最后選擇移植LWIP協(xié)議棧。

將LWIP協(xié)議移植完成后，編寫具體的驅動程序。將匯聚節(jié)點電路板通過網(wǎng)線與計算機相連接，在計算機命令運行Ping命令后，可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸丟包率為零，網(wǎng)絡延遲最小為1ms，最大為6ms，平均延遲為3ms，滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。通過對TCP/IP協(xié)議程序的反復調(diào)試，具體分析邏輯結構和相關功能的實現(xiàn)，確保以太網(wǎng)能夠穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 無線通訊模塊調(diào)試

本系統(tǒng)采用CC2530無線通訊模塊來實現(xiàn)傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，在LPC2214與CC2530之間通過SPI總線來完成數(shù)據(jù)交換。

LPC2214含有豐富的外設接口，通過配置器的配置，能方便地實現(xiàn)SPI總線通信。CC2530采用增強型8051單片機作為處理器，集成功能強大的SPI接口。本設計中將CC2530作為SPI通訊中的從設備，主要負責將運程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅鞴?jié)點，然后將傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點。

經(jīng)過對SPI總線的反復跟蹤調(diào)試，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在LPC2214和CC2530之間的穩(wěn)定傳輸。

4 結束語

實驗證明，以LPC2214為核心、基于μC/OS-II操作系統(tǒng)的匯聚節(jié)點能滿足無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)控以及監(jiān)控數(shù)據(jù)的處理和傳輸。同時此設計具有電路簡單，性能穩(wěn)定和功耗低等優(yōu)勢，是一種可靠的匯聚節(jié)點解決方案。

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