面向環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

引  言

環(huán)境監(jiān)測是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。為搜集某一區(qū)域內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)需要在無人值守情況下長時(shí)間地工作在惡劣環(huán)境條件下。傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)為節(jié)點(diǎn)正常工作提供了重要保證。

1  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由若干個(gè)采集節(jié)點(diǎn)、1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)、1個(gè)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器以及1個(gè)便于用戶查看和控制的上位機(jī)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采集節(jié)點(diǎn)用于對環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的預(yù)處理，承當(dāng)數(shù)據(jù)的路由；匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的開啟和維護(hù)，向采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，搜集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以及和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器之間的串口通信；數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器承擔(dān)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)的命令；上位機(jī)是數(shù)據(jù)搜集的終端設(shè)備，并且可以根據(jù)用戶的需要對節(jié)點(diǎn)的采集時(shí)間間隔、休眠時(shí)間間隔、傳感器的開關(guān)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。



2 節(jié)點(diǎn)的硬件電路

為方便數(shù)據(jù)的搜集，匯聚節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)相同，只是軟件設(shè)計(jì)有所不同。任意節(jié)點(diǎn)都可作為匯聚節(jié)點(diǎn)，與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過串口進(jìn)行通信，來搜集網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。



本設(shè)計(jì)選用的核心芯片是TI公司推出的ZigBee芯片CC2430。它以8051微處理器為內(nèi)核，自身攜帶的射頻收發(fā)器用來實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信，提供了4路I／O口來控制傳感器的打開和關(guān)閉。傳感器將相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)變成電壓、電流等信號送給信號調(diào)理電路，經(jīng)相關(guān)調(diào)理后送到CC2430的ADC接口進(jìn)行A／D采樣，最后CC2430將得到的A／D值存人1個(gè)外接的64 Kb的存儲器中。當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，CC2430的2路I／O口被設(shè)置成UART0串口Tx和Rx，用于和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器進(jìn)行串口通信。對于能源供應(yīng)部分，為保證節(jié)點(diǎn)長期穩(wěn)定工作，選用2300 mA的鎳氫充電電池，2組鎳氫電池采用雙電源供電模式。軟件通過控制2組鎳氫電池的切換實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)的輪流供電，并在電池電壓不足時(shí)控制太陽能電池板對其進(jìn)行充電。

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1  Z-Stack協(xié)議棧簡介

本次的軟件設(shè)計(jì)基于TI公司Z-Stack 2006協(xié)議棧。Z-Stack 2006是TI公司專門為CC2430芯片設(shè)計(jì)的ZigBee協(xié)議棧。它由1個(gè)簡單的單線程的操作系統(tǒng)管理。該操作系統(tǒng)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制，任務(wù)通過API函數(shù)osalTaskAdd()按照優(yōu)先級添加到任務(wù)鏈表。任務(wù)的事件觸發(fā)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。每個(gè)任務(wù)最多可定義16個(gè)事件，每個(gè)事件都對應(yīng)1個(gè)唯一的事件號。NextActiveTask()是任務(wù)事件查詢函數(shù)，返回任務(wù)的事件狀態(tài)ActiveTask，根據(jù)返回的事件值來調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理函數(shù)ActiveTask()進(jìn)行處理。操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度如圖3所示。



主函數(shù)在完成節(jié)點(diǎn)相關(guān)初始化之后會進(jìn)入無限循環(huán)過程，該過程會一直檢測操作系統(tǒng)的任務(wù)鏈表中是否有事件要進(jìn)行處理。

3.2 節(jié)點(diǎn)工作流程

為便于管理和調(diào)度，節(jié)點(diǎn)所要實(shí)現(xiàn)的功能都是將其定義為事件進(jìn)行處理的。每個(gè)事件完成相應(yīng)功能。將事件按一定關(guān)系串接，就能實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)工作時(shí)要完成的系統(tǒng)功能。采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖4、圖5所示。



匯聚節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻醒來。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)成功，并且采集節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功后，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處于通信狀態(tài)。匯聚節(jié)點(diǎn)會通過串口向數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器發(fā)送1個(gè)表示網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)備就緒的消息，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器接收到該消息之后根據(jù)上位機(jī)的要求決定要不要上傳數(shù)據(jù)，以及上傳哪些數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點(diǎn)接收到命令之后會觸發(fā)相應(yīng)的事件進(jìn)行處理，先命令采集節(jié)點(diǎn)將相應(yīng)的數(shù)據(jù)上傳給它，再通過觸發(fā)串口事件將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器。采集節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)成功以后也處于準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)，等待接受匯聚節(jié)點(diǎn)的命令，做相應(yīng)的事件觸發(fā)處理。

在每次通信結(jié)束之前，匯聚節(jié)點(diǎn)會向數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器發(fā)送1個(gè)請求休眠的消息，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器接收到該消息之后會按照上位機(jī)的要求對全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的休眠過程進(jìn)行設(shè)置。

3.3  串口通信協(xié)議

匯聚節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器之間的通信是通過串口進(jìn)行的。串口通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)的安全收發(fā)，便于匯聚節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和存儲管理。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器和匯聚節(jié)點(diǎn)之間的串口通信數(shù)據(jù)幀格式如下所示：



其中，SOP為起始標(biāo)志符，用1字節(jié)來表示數(shù)據(jù)包的起始，將這個(gè)字節(jié)定義為0x02；CMD表示命令I(lǐng)D，用1字節(jié)的數(shù)據(jù)來標(biāo)識命令消息。LEN表示DATA的長度，用1字節(jié)來指示DATA位的數(shù)據(jù)的長度。DATA為具體要發(fā)送的數(shù)據(jù)。FCS是校驗(yàn)位，這里使用XOR(異或校驗(yàn))，校驗(yàn)CMD、LEN、DATA中的所有數(shù)據(jù)。

當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過串口接收到數(shù)據(jù)后，都是通過判別CMD對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析的。串口數(shù)據(jù)的CMD有如下幾種：

①0x03，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器發(fā)送上傳路由表命令。作為響應(yīng)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口上傳路由表數(shù)據(jù)的CMD標(biāo)識為0x83。

②0x04，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器發(fā)送上傳鄰居表命令。作為響應(yīng)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口上傳鄰居表數(shù)據(jù)的CMD標(biāo)識為0x84。

③0x05，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器發(fā)送上傳采集數(shù)據(jù)命令。作為響應(yīng)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口上傳采集數(shù)據(jù)時(shí)的CMD標(biāo)識為0x85。

④0x89，匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，表示網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建成功，等待命令消息。

⑤0xF9，匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送至數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器，表示數(shù)據(jù)全部上傳完畢，等待休眠。作為響應(yīng)，數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過串口向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送CMD為0x09的休眠設(shè)置命令。

LEN表示數(shù)據(jù)的長度，方便數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分配和存儲。FCS是校驗(yàn)位，用于表征數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到串口數(shù)據(jù)時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)會觸發(fā)自身應(yīng)用層的串口事件，用于解析發(fā)送過來的命令消息，然后根據(jù)該命令來觸發(fā)相應(yīng)的事件進(jìn)行處理。

3.4 休眠設(shè)置

實(shí)驗(yàn)證實(shí)，節(jié)點(diǎn)在休眠過程中處于斷網(wǎng)狀態(tài)。因此，為節(jié)省節(jié)點(diǎn)頻繁聯(lián)網(wǎng)帶來的功耗和保證全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)同步，在軟件上設(shè)計(jì)為節(jié)點(diǎn)在聯(lián)網(wǎng)成功后只執(zhí)行通信任務(wù)，而休眠過程中只執(zhí)行采集任務(wù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)采集時(shí)刻到來，觸發(fā)采集事件，打開傳感器的開關(guān)對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并控制I／O口對傳感器采集得到的信號進(jìn)行A／D采樣，最后將采樣值以SPI方式存入外部存儲器。在每次通信結(jié)束之前節(jié)點(diǎn)都會判斷是否有休眠設(shè)置命令，若接收到休眠設(shè)置命令，節(jié)點(diǎn)則會按照該設(shè)置進(jìn)行休眠，直到下一次醒來；若沒接收到命令，節(jié)點(diǎn)則會按照上一次的休眠設(shè)置進(jìn)行休眠。

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過串口向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的休眠設(shè)置命令的數(shù)據(jù)幀格式如表1所列。



Sleeping_Time表示節(jié)點(diǎn)要休眠的時(shí)間；Collecting_Time表示節(jié)點(diǎn)在休眠過程中的采集時(shí)間間隔；Current_Time是當(dāng)前的校準(zhǔn)時(shí)間；Sensor_Flag表示傳感器開關(guān)的標(biāo)志。休眠過程中到達(dá)采集時(shí)刻，進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、采樣和存儲。向采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送當(dāng)前的校準(zhǔn)時(shí)間，保證節(jié)點(diǎn)采集時(shí)刻精確和時(shí)間的同步。同時(shí)，傳感器的開關(guān)標(biāo)志位可以控制打開或關(guān)閉哪幾路傳感器，采集用戶感興趣的環(huán)境數(shù)據(jù)。到達(dá)休眠時(shí)刻，節(jié)點(diǎn)醒來，連接網(wǎng)絡(luò)。

3.5 充  電

為保證鎳氫電池對節(jié)點(diǎn)長期供電，節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)了1個(gè)充電控制電路對其進(jìn)行充電管理。CC2430專門提供1個(gè)I／O口對供電電壓進(jìn)行A／D采樣。當(dāng)供電的電源電壓不足時(shí)(即低于設(shè)定的值)，在軟件上會通過切換先讓另一組電源對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電，再打開太陽能的充電電路對電源充電。節(jié)點(diǎn)在通信和采集數(shù)據(jù)時(shí)功耗很大，因此在每一次通信和采集數(shù)據(jù)完成之后都會檢測當(dāng)前供電電壓值和當(dāng)前的充電電壓值，根據(jù)2個(gè)電壓值決定要不要進(jìn)行電源切換、是否對電源進(jìn)行供電以及充電是否完成。

3.6 異常處理

網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在工作時(shí)可能出現(xiàn)一些異常，因此要對這些異常作糾錯(cuò)處理，以保證節(jié)點(diǎn)的正常工作。

(1)新加入節(jié)點(diǎn)的異步

在全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)時(shí)，若有新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，為保證其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和其他節(jié)點(diǎn)同步，新加入的節(jié)點(diǎn)在搜索不到網(wǎng)絡(luò)時(shí)會按照默認(rèn)的休眠設(shè)置進(jìn)行休眠。休眠醒來繼續(xù)搜索網(wǎng)絡(luò)。以此循環(huán)直到搜索到網(wǎng)絡(luò)。

(2)數(shù)據(jù)出錯(cuò)

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過串口獲得的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行校驗(yàn)處理，若校驗(yàn)出錯(cuò)，則拋棄該數(shù)據(jù)包，命令匯聚節(jié)點(diǎn)重發(fā)數(shù)據(jù)。

(3)無應(yīng)答

匯聚節(jié)點(diǎn)對某一采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送上傳數(shù)據(jù)的請求命令，若該節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有作出響應(yīng)，匯聚節(jié)點(diǎn)會默認(rèn)該節(jié)點(diǎn)被拋棄，它將向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送上傳數(shù)據(jù)的請求。

(4)無確認(rèn)

匯聚節(jié)點(diǎn)收到采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后都會向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)的消息，表示數(shù)據(jù)已經(jīng)收到。而采集節(jié)點(diǎn)會根據(jù)有沒有接收到確認(rèn)消息決定數(shù)據(jù)要不要重發(fā)。

結(jié)  語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)很大程度上決定了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長久性。任務(wù)調(diào)度機(jī)制和異常處理決定系統(tǒng)在工作時(shí)處于穩(wěn)定的狀態(tài)，而節(jié)點(diǎn)的充電管理系統(tǒng)保證了節(jié)點(diǎn)長期工作的能源供應(yīng)。系統(tǒng)可以按照用戶需要，在野外大量、準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)可用于在無人值守情況下長期監(jiān)測某一區(qū)域的環(huán)境信息，有著廣闊的應(yīng)用前景。