基于TinyOS的CC1100驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

摘 要：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)整體性能取決于節(jié)點(diǎn)上的通信模塊。該文根據(jù)實(shí)際需要，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基本功能的前提下，選用功耗較小的CC1100芯片作為節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)單元。在分析CC1100功能特性并介紹嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS的基礎(chǔ)上，闡述如何使用NesC語言實(shí)現(xiàn)基于MSP430F1611平臺(tái)的CC1100驅(qū)動(dòng)程序。

1 概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）是當(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一，它綜合了傳感器技術(shù)、遙測技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，是一種通過無線通信方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量體積小、功耗低、具有無線通信、傳感和數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，它一般由傳感器模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、處理器模塊（微處理器、存儲(chǔ)器）、無線通信模塊（無線收發(fā)器）和能量供應(yīng)模塊（電池）組成。

本文研發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選用Chipcon公司低功耗低成本單片收發(fā)芯片CC1100作為無線通信模塊，將其通過SPI串行總線技術(shù)與MCU（MSP430F1611）相連。采用加州大學(xué)伯克利分校人員專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS作為軟件平臺(tái)。

2 設(shè)計(jì)需求分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量資源受限的節(jié)點(diǎn)組成。資源受限的特點(diǎn)決定了在選擇無線收發(fā)芯片以及開發(fā)驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須滿足低功耗，并實(shí)現(xiàn)收發(fā)分組的基本功能。節(jié)點(diǎn)對CC1100的主要功能要求如下：發(fā)送時(shí)把MCU遞交過來的數(shù)據(jù)封裝成幀并實(shí)現(xiàn)分組發(fā)送；接收時(shí)完成分組接收后把數(shù)據(jù)提取出來交給MCU.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)比特所消耗的能量約等于其處理器進(jìn)行1 000次32位加法運(yùn)算消耗的能量[1],因此，為了減少分組碰撞，降低因分組重發(fā)而消耗的能量，CC1100應(yīng)實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)之前的信道監(jiān)聽即載波監(jiān)聽功能。為了進(jìn)一步降低能耗，節(jié)點(diǎn)在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收時(shí)應(yīng)置于休眠狀態(tài)，并可以按指定方式激活，即具有休眠喚醒功能。具體設(shè)計(jì)需求如下：

（1）收發(fā)分組。這是CC1100需要實(shí)現(xiàn)的主要功能，CC1100在發(fā)送數(shù)據(jù)前，要完成數(shù)據(jù)的分組封裝，CC1100無線通信協(xié)議的分組格式如下：

其中，前導(dǎo)碼是一連串的10101010?,其數(shù)量為8n個(gè)比特，n的大小由用戶編程決定。同步字的內(nèi)容和數(shù)量均可編程確定，長度為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)域內(nèi)容為MCU遞交的數(shù)據(jù)，CRC校驗(yàn)可以編程選擇使用，灰色部分均可編程選擇。

（2）載波監(jiān)聽。由于無線傳感器中節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，節(jié)點(diǎn)密度大，如果不加控制就互相通信，必然會(huì)發(fā)生分組碰撞。為了減少碰撞機(jī)會(huì)，提高節(jié)點(diǎn)能量效率，本文通過CC1100的電平檢測功能實(shí)現(xiàn)載波監(jiān)聽。CC1100提供了2種載波監(jiān)聽方式：絕對門限監(jiān)聽和相對門限監(jiān)聽。絕對門限監(jiān)聽是當(dāng)信道電平超過某個(gè)指定數(shù)值時(shí)通知信道忙，相對門限監(jiān)聽是當(dāng)信道電平增加量超過指定倍數(shù)（如6 dB）時(shí)，檢測為信道忙。絕對門限監(jiān)聽需要大量信道特性統(tǒng)計(jì)來設(shè)置絕對門限電平值，相對門限監(jiān)聽方式可以避免上述工作且能適應(yīng)時(shí)變噪聲場合。在本文項(xiàng)目中采用相對門限來監(jiān)聽信道，效果很好。

（3）睡眠喚醒。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限，因此在不必要的情況下，應(yīng)盡量減少節(jié)點(diǎn)上硬件資源的活動(dòng)時(shí)間，在多數(shù)情況下，無線模塊應(yīng)處于休眠狀態(tài)。CC1100通過發(fā)送一個(gè)命令控制器可以關(guān)掉無線收發(fā)模塊。類似地，發(fā)送一個(gè)喚醒命令控制器可以激活該模塊。實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)時(shí)，筆者把上述命令封裝在一個(gè)接口中，供上層調(diào)用。

3 硬件連接關(guān)系

節(jié)點(diǎn)上MCU與無線收發(fā)模塊的硬件連接關(guān)系如圖1所示。左側(cè)是MCU,采用美國Texas Instruments（TI）公司生產(chǎn)的超低功耗微處理器MSP430F1611,它是一個(gè)16 位、具有精簡指令集（RISC）、超低功耗的混合型單片機(jī)，其片上集成了豐富的外圍模塊，包括看門狗、定時(shí)器、硬件乘法器、A/D轉(zhuǎn)換器等，根據(jù)其運(yùn)行打開的模塊數(shù)目不同（即采用不同的工作模式），芯片的功耗有著顯著差異，除了正常的活動(dòng)模式外，它具有5種低功耗模式（LPM0~LPM4），在等待方式下，其電流僅為0.7 μA,在深睡眠情況下，最低電流僅為0.1 μA [2].右側(cè)是無線收發(fā)模塊CC1100,它是Chipcon公司采用0.18 μm CMOS技術(shù)生產(chǎn)的低功耗多頻段無線收發(fā)芯片，具有尺寸小、功耗低、靈敏度高、獨(dú)立的64字節(jié)收發(fā)緩存（TXFIFO/ RXFIFO）、數(shù)字化接收信號(hào)強(qiáng)度輸出（RSSI）等特點(diǎn)，并有前向糾錯(cuò)和數(shù)據(jù)白化等硬件處理模塊。它還具有3個(gè)通用數(shù)字輸出引腳GDOx（x=1~3），在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以通過寄存器配置讓它們?yōu)樯蠈訉?shí)時(shí)提供信道或分組狀態(tài)[3].在硬件平臺(tái)上，CC1100的4個(gè)SPI通信管腳（SI, SO, SCLK, CSn）分別連接到相應(yīng)MSP430F1611的4個(gè)SPI串行通信引腳，即MOSI, MISO, UCLK, MCLK上。通過這4根線，處理器可以對CC1100進(jìn)行寄存器讀寫和功能配置。由于CC1100只是從機(jī)模式，因此處理器只能采用主機(jī)模式。另外，本項(xiàng)目采用了其中2個(gè)通用數(shù)字輸出引腳GDO0和GDO2,分別用來實(shí)現(xiàn)分組發(fā)送指示和載波監(jiān)聽指示。

圖1 CC1100與MSP430F1611的硬件連接關(guān)系

CC1100與MSP430F1611通信時(shí)，時(shí)鐘源由MSP430F1611提供，經(jīng)過配置處理器寄存器，本文采用其外圍時(shí)鐘模塊的系統(tǒng)子時(shí)鐘SMCLK.它們的通信方式為SPI串行通信方式。SPI通信是一種高速、全雙工的同步總線通信技術(shù)，其硬件功能很強(qiáng)大，僅通過4個(gè)管腳，就可以在主機(jī)時(shí)鐘源SCLK節(jié)拍的控制下，通過2個(gè)雙向移位寄存器實(shí)現(xiàn)CC1100與MSP430F1611的串行數(shù)據(jù)交換。CSn引腳主要用來控制數(shù)據(jù)通信的同步性，在CC1100和MSP430F1611通信期間，要始終保證CSn引腳電平為低。

4 軟件平臺(tái)

TinyOS操作系統(tǒng)是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較廣泛的操作系統(tǒng)，它是UC Berkeley開發(fā)的源代碼開放式操作系統(tǒng)，專門為無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。它基于組件的架構(gòu)方式，可以快速實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用。此外，其輕量級(jí)線程技術(shù)、事件驅(qū)動(dòng)模式、主動(dòng)消息通信技術(shù)等思想極大提高了節(jié)點(diǎn)的資源利用率[2].TinyOS環(huán)境下編程語言為NesC,NesC是對C語言的擴(kuò)展，擴(kuò)展的目的是將C的模塊化思想與TinyOS的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制結(jié)合起來。為了支持組件化編程模式，NesC語言引入了接口和組件的概念。接口是一系統(tǒng)功能類似或相關(guān)的函數(shù)聲明，根據(jù)不同方向命名為命令或事件，具體實(shí)現(xiàn)在提供或使用該接口的組件中。組件包括配件和模塊，配件負(fù)責(zé)把不同組件通過接口連接起來，模塊提供程序所需的代碼實(shí)現(xiàn)。組件中的接口是雙向的，它給出使用者可以調(diào)用的命令或必須處理的事件。不同組件之間通過接口靜態(tài)連接，以提高程序的運(yùn)行效率，增加程序的魯棒性。NesC的并發(fā)模型是基于"運(yùn)行到結(jié)束"的任務(wù)實(shí)現(xiàn)的，程序運(yùn)行任務(wù)時(shí)，硬件中斷服務(wù)程序能搶占任務(wù)，且在中斷服務(wù)程序中也可能出現(xiàn)其他中斷服務(wù)程序來搶占的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)多級(jí)中斷嵌套。但由于中斷處理程序只做少量工作，會(huì)很快執(zhí)行完畢，因此沒有提交成功的任務(wù)不會(huì)被無限期掛起。

5 CC1100驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

在TinyOS中，硬件抽象體系結(jié)構(gòu)（Hardware Abstract Architecture, HAA）一般有3個(gè)不同的抽象層次，根據(jù)不同需要，可以靈活地實(shí)現(xiàn)不同芯片、不同平臺(tái)、甚至不同系統(tǒng)間的程序調(diào)用。但考慮到代碼數(shù)量、程序復(fù)雜度、節(jié)點(diǎn)資源等因素，在設(shè)計(jì)CC1100驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，需要借鑒TinyOS 3層抽象體系外，并兼顧節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力和運(yùn)算能力。

5.1 TinyOS中的硬件抽象體系結(jié)構(gòu)

TinyOS 中的硬件抽象體系結(jié)構(gòu)一般分為3層，如圖2所示，分別為硬件表示層（HPL）、硬件抽象層（HAL）和硬件接口層（HIL）[4].通過對硬件平臺(tái)進(jìn)行不同層次的抽象，可以在系統(tǒng)開發(fā)中有區(qū)別地向上層屏蔽硬件特征，從而實(shí)現(xiàn)在不同程度上隔離上層組件和物理平臺(tái)，便于程序移植。在功能上，硬件抽象組件相當(dāng)于底層硬件的驅(qū)動(dòng)程序，上層組件通過硬件抽象組件提供的接口進(jìn)行調(diào)用。

圖2 TinyOS 中的硬件抽象體系結(jié)構(gòu)