摘 要: 本文描述了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)組成，分別對(duì)負(fù)責(zé)無線收發(fā)功能實(shí)現(xiàn)的射頻芯片、負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的傳感器模塊、負(fù)責(zé)整體上工作的微處理器進(jìn)行了描述，對(duì)和CC2420與EM78815微處理器的硬件接口進(jìn)行了設(shè)計(jì);然后介紹了本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體軟件體系結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，主要包括軟件總體架構(gòu)、硬件驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)和操作系統(tǒng)層設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵字: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò);射頻芯片;微處理器;驅(qū)動(dòng) 1 引言 　　無線傳感器網(wǎng)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知，采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。隨著微機(jī)電加工技術(shù)（MEMS）、自組織的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和低功耗通訊技術(shù)的高速發(fā)展，無線微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究將進(jìn)入一個(gè)全新的領(lǐng)域。本文完成了基于微處理器的無線傳感器節(jié)點(diǎn)整體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 2 硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，一般由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成，如1所示。 　　圖中的箭頭代表數(shù)據(jù)的流向。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù);無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。 　　3.1 射頻芯片CC2420和微處理器EM78815 　　CC2420是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低成本、低功耗單片高集成度的解決方案。它工作在ISM免費(fèi)頻帶上,工作頻率為2.4GHz。ELAN公司生產(chǎn)的EM78815是一款采用RISC結(jié)構(gòu)，低功耗，高速率的8位單片機(jī)。它的主頻為3.5862MHz，具有64K程序ROM，最大支持128K程序ROM;256K×8片內(nèi)數(shù)據(jù)ROM，最大支持2MKB;4K×8數(shù)據(jù)RAM;128個(gè)8位普通寄存器;56個(gè)雙向、三態(tài)I/O口。此外，它還有2個(gè)8位和1個(gè)16位硬件定時(shí)/計(jì)數(shù)器;可編程看門狗定時(shí)器和片上震蕩器;UART、SPI接口。EM78815有三種工作模式：活動(dòng)模式、空閑模式、睡眠模式。模式轉(zhuǎn)換圖2所示。 　　3.2硬件接口 　　在本系統(tǒng)中，CC2420與EM78815的連接如圖2所示。 [align=center] 圖2 CC2420與EM78815微處理器的接口[/align] 　　CC2420通過簡(jiǎn)單的四線（SI、SO、SCLK、CSn）與SPI接口相連， CC2420是受控的。EM78815的SPI工作在主機(jī)模式，它是SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品?，CC2420設(shè)為從機(jī)工作方式。 　　CC2420可以通過調(diào)制解調(diào)控制寄存器控制位配置成不同的發(fā)射和接收模式，CC2420通常工作在緩沖模式（模式0）。在緩沖發(fā)射模式（TX_MODE 0），用128字節(jié)TXFIFO緩沖器存放發(fā)送前的數(shù)據(jù);在接收模式（RX_MODE 0），使用128字節(jié)的RXFIFO緩沖器存放接收到的數(shù)據(jù)。TXFIFO和RXFIFO緩沖器可以通過TXFIFO（0x3E）和RXFIFO（0x3F）寄存器訪問。TXFIFO寄存器只能寫入，當(dāng)寫入數(shù)據(jù)到TXFIFO寄存器時(shí)，SO引腳上輸出每個(gè)新數(shù)據(jù)字節(jié)的狀態(tài)字,在狀態(tài)字節(jié)中有下溢標(biāo)志,能檢測(cè)TXFIFO緩沖器是否發(fā)生下溢。在每個(gè)寄存器TXFIFO寫周期,有24位數(shù)據(jù)被發(fā)送到SI上,每幀數(shù)據(jù)的第1位置0為寄存器訪問,第2位寫時(shí)置為0，讀時(shí)置為1，接著是6位地址位（A5:0），然后是16位數(shù)據(jù)位（D15:0）;同樣，從RXFIFO寄存器讀出時(shí)，SI上傳輸?shù)刂肺唬琒O上傳輸狀態(tài)和數(shù)據(jù)位。當(dāng)數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，CSn引腳必須保持低電平。只有當(dāng)CSn變高電平時(shí)，訪問FIFO緩沖器結(jié)束。當(dāng)沒有字節(jié)寫入TXFIFO緩沖器時(shí)，TXFIFO緩沖器發(fā)出一個(gè)下溢脈沖，發(fā)送自動(dòng)停止。 　　3.3 傳感器模塊 　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集部分可以根據(jù)不同的應(yīng)用采用不同的傳感器，比如溫度、濕度、光、壓力、煙霧等，本系統(tǒng)暫采用溫度傳感器MAX152。MAX152 A/D轉(zhuǎn)換器是高速、微控制器兼容、8位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。由于芯片采用半閃爍轉(zhuǎn)換技術(shù)和低電源電壓供電及三態(tài)輸出，所以具有快速轉(zhuǎn)換、功耗低和易與各類微控制器接口等優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)換時(shí)間只需1.8us，轉(zhuǎn)換速率為400×103次/s。 　　3.4 電源模塊 　　本系統(tǒng)搭建之時(shí)，實(shí)驗(yàn)都是基于仿真板和FPGA板的，仿真板通過普通電源供電，而FPGA板通過5號(hào)電池供電，在以后的節(jié)點(diǎn)成品上，擬采用鈕扣電池供電。 4 軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 　　如圖3所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件由硬件驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)內(nèi)核層和應(yīng)用層組成。硬件驅(qū)動(dòng)層提供了所有硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，主要包括CC2420驅(qū)動(dòng)、ADC模塊驅(qū)動(dòng)和串口驅(qū)動(dòng);操作系統(tǒng)內(nèi)核層提供了簡(jiǎn)單高效的任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、設(shè)備管理和無線通信協(xié)議棧。應(yīng)用層主要是不同用戶利用操作系統(tǒng)層提供的API編制相應(yīng)的應(yīng)用程序。 　　硬件驅(qū)動(dòng)層主要是實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的功能，定義一些基本的接口函數(shù)，供上層使用。本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)主要包括基于EM78815芯片主板的板級(jí)初始化、基于射頻芯片收發(fā)模塊的配置、ADC模塊驅(qū)動(dòng)，連接網(wǎng)關(guān)的sink節(jié)點(diǎn)還要求設(shè)計(jì)串口驅(qū)動(dòng)。 　　1、板極初始化 　　板級(jí)初始化是在系統(tǒng)上電復(fù)位后完成的，板級(jí)初始化程序具有完全的硬件特性，一般采用匯編語言實(shí)現(xiàn)，主要是對(duì)寄存器和存儲(chǔ)器的初始化。 　　2、ADC模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 　　ADC模塊中的傳感器主要負(fù)責(zé)對(duì)周圍環(huán)境中的感興趣信息進(jìn)行采樣，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換送交給MCU進(jìn)行處理。根據(jù)不同的應(yīng)用采樣頻率會(huì)有所不同，結(jié)合定時(shí)器，隔一段時(shí)間對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行采樣。設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，當(dāng)要求采樣的命令到來時(shí)，開啟ADC模塊，進(jìn)行采樣，采樣完畢后，觸發(fā)AD中斷，MCU進(jìn)行中斷處理，并因?yàn)楣?jié)能考慮而關(guān)閉ADC模塊，直到下一次采樣命令或者采樣間隔的到來。 　　3、串口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)中，串口主要職責(zé)是負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和與網(wǎng)關(guān)相連的sink節(jié)點(diǎn)之間的通信：負(fù)責(zé)把通過無線信道接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，也負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)給下層節(jié)點(diǎn)的命令。 5 操作系統(tǒng)內(nèi)核層設(shè)計(jì) 　　操作系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件的靈魂，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性，導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)操作系統(tǒng)的需求相對(duì)于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)有較大的差異。如果不在節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)，而是直接在硬件上設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，首先會(huì)導(dǎo)致面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用難度加大，應(yīng)用程序開發(fā)人員不得不直接面對(duì)硬件進(jìn)行編程，無法得到像傳統(tǒng)操作系統(tǒng)那樣提供的豐富服務(wù);而且軟件的重用性很差，程序員的開發(fā)效率減低，開發(fā)成本增加。本無線傳感器系統(tǒng)操作系統(tǒng)內(nèi)核層主要包括任務(wù)調(diào)度、內(nèi)存管理、中斷管理、和無線通信接口。 　　5.1 任務(wù)調(diào)度 　　在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件資源有限，如果采用傳統(tǒng)的進(jìn)程調(diào)度方式，首先硬件就無法提供足夠的支持;其次，由于傳感器節(jié)點(diǎn)的并發(fā)操作可能比較頻繁，而且并發(fā)執(zhí)行流程又很短，這也使得傳統(tǒng)的進(jìn)程/線程調(diào)度無法適應(yīng)。所以考慮采用比一般線程更為簡(jiǎn)單的輕量級(jí)線程技術(shù)和兩層調(diào)度方式，可有效使用傳感器節(jié)點(diǎn)的有限資源。在這種模式下，一般的輕量級(jí)線程（即任務(wù)）按照FIFS（先來先服務(wù)）方式進(jìn)行調(diào)度，輕量級(jí)線程之間不允許搶占;而硬件處理線程，即中斷處理線程可以打斷用戶的輕量級(jí)線程，對(duì)硬件中斷進(jìn)行快速響應(yīng)。對(duì)于共享資源需要通過原子操作或同步原語進(jìn)行訪問保護(hù)。 　　5.2 中斷管理 　　本系統(tǒng)的中斷源有CC2420的SFD中斷、FIFOP中斷、ADC中斷、timer中斷、UART中斷，暫時(shí)沒用到軟件中斷。其中UART中斷只在與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相連的sink節(jié)點(diǎn)上需要得到處理.本系統(tǒng)采用一種稱為多源中斷的方案，也就是一個(gè)中斷向量對(duì)應(yīng)于多個(gè)中斷源，只有惟一的一個(gè)中斷向量，或者說只有一個(gè)中斷服務(wù)子程序入口地址，也就只需要編寫一個(gè)中斷服務(wù)子程序，從而簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，但是軟件設(shè)計(jì)就復(fù)雜一些。在通過唯一一個(gè)中斷向量進(jìn)入中斷之后，通過查詢，確認(rèn)是其中某個(gè)中斷源發(fā)出的中斷，再進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。本系統(tǒng)采用軟件查詢的方式而不是硬件方式對(duì)不同中斷源的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，把優(yōu)先級(jí)較高的中斷源放在查詢程序的前面，如圖4所示，查詢的順序依次是timer中斷、SFD中斷、FIFOP中斷、ADC中斷。 [align=center] 圖4 中斷查詢流程圖[/align] 　　5.3 內(nèi)存管理 　　本系統(tǒng)中，因?yàn)閼?yīng)用相對(duì)比較簡(jiǎn)單并且任務(wù)數(shù)量可以靜態(tài)確定，為了減少內(nèi)存分配在時(shí)間上帶來的不確定性，采用靜態(tài)分配內(nèi)存的方式。在系統(tǒng)啟動(dòng)前，所有的任務(wù)都獲得了所需要的內(nèi)存。EM78815的可用內(nèi)存主要包括128字節(jié)的bank和4k字節(jié)DATARAM，中斷、函數(shù)調(diào)用、任務(wù)調(diào)度需要用到內(nèi)存時(shí)，固定由編譯器從128字節(jié)分配。而當(dāng)申請(qǐng)全局變量或者局部變量時(shí)，需要在語句前加上indir關(guān)鍵字，表明從4k的DATARAM中申請(qǐng)空間。 　　5.4 無線通信協(xié)議 　　本系統(tǒng)的物理層協(xié)議是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)是指在一個(gè)個(gè)人操作空間內(nèi)使用相同無線信道并通過IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)相互通信的一組設(shè)備的集合，又名LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)。LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它使在低電能和低吞吐量的應(yīng)用環(huán)境中使用無線連接成為可能。與WLAN相比，LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)只需很少的基礎(chǔ)設(shè)施。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為L(zhǎng)R-WPAN網(wǎng)絡(luò)制定了物理層和MAC子層協(xié)議。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 　　本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本系統(tǒng)的特色和意義在于提出了適用于基于EM78815和CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議，并對(duì)其通信協(xié)議和操作系統(tǒng)調(diào)度算法進(jìn)行了改進(jìn)，使之更適合于現(xiàn)有硬件平臺(tái)，從而能更好地保證節(jié)點(diǎn)間通信的成功率和正確性。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器.北京：清華大學(xué)出版社，2005，1-3 　　[2] 于海斌，曾鵬等，分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議研究，通信學(xué)報(bào)，Vol.25（10），2004，102-110 　　[3] 于宏毅，肖秀明，無線移動(dòng)自組織網(wǎng)，北京：人民郵電出版社，2005 　　[4] 蔣承延,吳思遠(yuǎn),陳偉. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2007, 5-1: 199-201