楊兆中,童玲,田雨

(電子科技大學自動化工程學院,成都611731)

引 言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)是由一組傳感器網絡節(jié)點組成。它們通過多跳自組織的方式構成無線通信網絡系統(tǒng),傳感器節(jié)點實時采集分布區(qū)域內監(jiān)測對象的各種信息,以無線通信方式發(fā)送至上位機。節(jié)點硬件提供了實現(xiàn)相關功能的平臺,而真正實現(xiàn)這些功能的應用需要借助軟件來完成。因此,軟件設計對整個節(jié)點的功能控制和資源的分配利用有較大的影響。

1 無線傳感器網絡系統(tǒng)結構

整個傳感器網絡是由若干個采集節(jié)點、1個匯聚節(jié)點、1個數(shù)據中轉器以及1個便于用戶查看和控制的上位機組成。系統(tǒng)的結構[1-2]如圖1所示。采集節(jié)點用于對環(huán)境數(shù)據的采集和數(shù)據的預處理,擔當數(shù)據的路由;匯聚節(jié)點負責整個網絡的開啟和維護,向采集節(jié)點發(fā)送命令,搜集節(jié)點的數(shù)據,以及完成與數(shù)據中轉器之間的串口通信;數(shù)據中轉器承擔數(shù)據的中轉,負責轉發(fā)上位機的命令;上位機是數(shù)據搜集的終端設備,并且可以根據用戶的需要對節(jié)點的采集時間間隔、休眠時間間隔、傳感器的開關進行相應設置。

2 節(jié)點硬件設計

為方便數(shù)據的搜集,匯聚節(jié)點和采集節(jié)點硬件電路設計相同,只是軟件設計有所不同。任意節(jié)點都可作為匯聚節(jié)點與數(shù)據中轉器通過串口進行通信,來搜集網絡中其他節(jié)點的數(shù)據。節(jié)點的硬件結構如圖2所示。

圖1 無線傳感器網絡系統(tǒng)結構

圖2 節(jié)點硬件結構圖

核心芯片選用TI公司推出的ZigBee芯片CC2531[3]。它以8051微處理器為內核,自身攜帶的射頻收發(fā)器用來實現(xiàn)無線傳感器網絡節(jié)點的通信。選用5路I/O口來控制傳感器的打開和關閉。傳感器組將相應的環(huán)境數(shù)據變成電壓、電流等信號送給信號調理電路,經相關調理后送到CC2531的A/D轉換器接口進行A/D采樣,最后將得到的采樣數(shù)據存入一個外接的256 Kb的存儲器中。當節(jié)點作為網絡中的匯聚節(jié)點時,CC2531的兩路I/O口被設置成UART0串口Tx和Rx,用于與數(shù)據中轉器進行串口通信。為保證節(jié)點長期穩(wěn)定地工作,選用3 Ah的鉛酸充電電池,兩組鉛酸電池采用雙電源供電模式。軟件通過控制兩組鉛酸電池的切換實現(xiàn)對節(jié)點的輪流供電,并在電池電壓不足時控制太陽能電池板對其進行充電,保持“一充一供”的狀態(tài)。

3 節(jié)點軟件設計

3.1 ZigBee技術簡介

ZigBee[4]技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低傳輸速率、低成本的雙向無線通信技術,主要適合于自動控制和遠程控制等領域,可以嵌入到各種設備中,相對于其他的無線通信標準更簡單緊湊。此外,ZigBee具有省電、可靠、延時短、網絡容量大、安全等優(yōu)點。

3.2 節(jié)點軟件主流程

本軟件設計基于TI公司的Z-Stack 2007協(xié)議棧。Z-Stack 2007是TI公司專門為CC2531芯片設計的ZigBee協(xié)議棧。它是由一個簡單的單線程操作系統(tǒng)管理,該系統(tǒng)基于任務調度的機制。各個任務的事件處理函數(shù)按照任務的優(yōu)先級被放入函數(shù)指針數(shù)組tasksA rr[idx]中,事件以16位的變量形式存放在數(shù)組tasksEvents[idx]中,因此每個任務最多可定義16個事件。

操作系統(tǒng)運行流程如圖3所示。主函數(shù)在完成節(jié)點相關的初始化之后會進入操作系統(tǒng),操作系統(tǒng)是一個無限循環(huán),一直在檢測各個任務中的事件tasksEvents[idx],當它不為零時就會調用相應的事件處理函數(shù)tasksArr[idx]。處理完一個事件會將代表此事件的位清零,同時返回未處理的事件,直到這個任務中所有的事件處理完畢(即所有的事件位都被清零),操作系統(tǒng)就會跳向下一個任務進行事件處理。

圖3 操作系統(tǒng)運行流程

3.3 節(jié)點軟件模塊化設計

節(jié)點軟件采用的是功能模塊化設計,不同功能用不用模塊表示,不同模塊間用接口連接,通過接口來調用其他模塊的功能。如圖4所示,傳感器節(jié)點主要由數(shù)據采集模塊﹑數(shù)據處理模塊﹑數(shù)據傳輸模塊和電源管理模塊組成。

3.3.1 數(shù)據采集模塊

圖4 節(jié)點模塊框圖

數(shù)據采集模塊主要實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域內各種信息的采集和數(shù)據的轉換。

實驗證明,節(jié)點在進行數(shù)據和命令收發(fā)的通信過程中功耗很大。為了降低功耗,在軟件設計上節(jié)點在聯(lián)網狀態(tài)下只執(zhí)行通信任務,在休眠過程中只執(zhí)行采集任務。數(shù)據采集模塊工作流程如圖5所示。節(jié)點接收到休眠設置命令,對命令進行解析并從命令中提取傳感器標志位,在整個網絡進入休眠后,根據傳感器標志位來打開需要的傳感器。被打開的傳感器對監(jiān)測區(qū)域內的各種信息進行采集,然后將采集到的數(shù)據送到信號調理電路轉換成電壓﹑電流等信號。經過調理后的信號直接傳入CC2531已配置好的A/D轉換器接口進行A/D采樣。A/D轉換器可通過軟件編程改變采樣精度,其精度為7～12位。

圖5 數(shù)據采集模塊工作流程

3.3.2 數(shù)據處理模塊

數(shù)據處理模塊是無線傳感器節(jié)點的核心,負責控制整個傳感器節(jié)點的操作,存儲和處理本身采集的數(shù)據以及其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據。為便于管理和調度,節(jié)點所要進行的操作都是被定義為事件進行處理的,每個事件完成相應操作。將事件按一定關系串接就能實現(xiàn)節(jié)點工作時要完成的系統(tǒng)功能。

數(shù)據處理模塊工作流程如圖6所示。數(shù)據處理模塊對接收到的命令進行解析后,會對所有要執(zhí)行的操作進行判斷。對于本節(jié)點要完成的操作,就會觸發(fā)相應的事件,實現(xiàn)相應的功能;對于其他未完成的操作命令,會通過數(shù)據傳輸模塊轉發(fā)給其他節(jié)點。在處理完本條命令之后,會繼續(xù)等待或接收下一條命令。

圖6 數(shù)據處理模塊工作流程

3.3.3 數(shù)據傳輸模塊

數(shù)據傳輸模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信,傳輸控制消息和收發(fā)采集數(shù)據,通過軟件來控制無線通信模塊的工作模式。若為數(shù)據發(fā)送模式,先按照通信協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據格式對數(shù)據進行打包,然后再將數(shù)據包發(fā)送出去;若為數(shù)據接收模式,則按照數(shù)據格式對接收到的數(shù)據包進行解析,再進行下一步處理。數(shù)據傳輸模塊工作流程如圖7所示。

3.3.4 電源管理模塊

圖7 數(shù)據傳輸模塊工作流程

電源管理模塊主要功能是為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量,并進行電量檢測。無線傳感器網絡需要在無人值守情況下長時間地工作在惡劣環(huán)境條件下,因此更換電池是一件很麻煩的事情。為保證鉛酸電池能夠為節(jié)點長期供電,節(jié)點硬件電路設計了一個充電控制電路對其進行充電管理。

CC2531專門提供一個I/O口對供電電壓進行A/D采樣,當供電的電源電壓不足(即低于設定的某一個值)時,通過軟件控制進行切換,先讓另一組電源對節(jié)點進行供電,再打開太陽能充電電路對本組電源充電。節(jié)點在通信和采集數(shù)據時功耗很大,因此在每一次的通信和采集數(shù)據完成之后都會檢測當前供電電壓值和當前的充電電壓值,根據兩個電壓值決定是否進行電源切換、對電源進行充電,以及充電是否完成。

結 語

基于CC2531的無線傳感器網絡系統(tǒng)的軟件設計比較復雜,本文僅就傳感器節(jié)點的各功能模塊的軟件設計作了介紹。實驗結果表明:節(jié)點工作狀態(tài)穩(wěn)定,故障率低,可以按照用戶設置準確地對環(huán)境信息進行采集。整個系統(tǒng)具備數(shù)據可靠、功耗低、可遠程控制等顯著優(yōu)點,具有良好的應用前景。

[1]孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005.

[2]楊光,楊波.面向環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網絡節(jié)點設計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2008(3):38-40.

[3]Chipcon Corp.CC253x System-on-Chip Solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications,2009.

[4]ZigBee Standards Organization.ZigBee Specification Document053474r13,2006