摘  要： 以適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為對(duì)象，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)硬件。將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)移植于匯聚節(jié)點(diǎn)的處理器上，并結(jié)合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的特性，設(shè)計(jì)了合理的多任務(wù)調(diào)度機(jī)制。傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)采集和按需采集兩種工作方式。開(kāi)發(fā)了串口通信程序，實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好。
關(guān)鍵詞： 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)；無(wú)線(xiàn)通信；串口通信

　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）是近年來(lái)信息科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)熱門(mén)的研究方向，它集成了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)和分布式信息處理，能相互配合對(duì)環(huán)境或各種對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和感知，其被廣泛應(yīng)用于軍事[1]、環(huán)境監(jiān)測(cè)[2]、動(dòng)植物監(jiān)視[3]、智能家具[4]和健康結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)[5]等多個(gè)領(lǐng)域。
　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性，不同的應(yīng)用和需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟硬件的要求都不一樣。很多商用的WSN系統(tǒng)存在源代碼不公開(kāi)、整個(gè)系統(tǒng)或單個(gè)節(jié)點(diǎn)價(jià)格過(guò)高以及對(duì)于某一具體應(yīng)用適應(yīng)差等問(wèn)題。本文圍繞無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一個(gè)適用于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　在分析了幾種常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，本文選取了分簇結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與一般分簇結(jié)構(gòu)不同，采用中繼節(jié)點(diǎn)作為簇頭，一方面增加了網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，另一方面由于簇頭能量消耗較快，只要更換極少部分簇頭的能量就可以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。簇頭也可以擔(dān)任節(jié)點(diǎn)的任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。圖1為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

1.1 硬件設(shè)計(jì)
　在選擇節(jié)點(diǎn)的處理器方面，主要考慮的因素包括價(jià)格、功耗、開(kāi)發(fā)工具成本、片內(nèi)集成的RAM、Flash及EEPROM大小等。目前已經(jīng)商用的WSN節(jié)點(diǎn)，如Mica、Mica2 Dot、T-Nodes、Fleck等，都采用ATmega128作為CPU，一些自行開(kāi)發(fā)的節(jié)點(diǎn)，參考文獻(xiàn)[6]、[7]也采用ATmega128。
　無(wú)線(xiàn)通信芯片選擇nRF24L0，其采用2.4~2.5 GHz世界通用ISM頻段，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2 Mb/s，125頻道滿(mǎn)足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要，發(fā)射和接收模式消耗的電流都比較低，而且高速鏈路層完全集成在芯片上，非常便于軟硬件的開(kāi)發(fā)。
　Sink節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2虛線(xiàn)框部分所示。其中，串口通信模塊負(fù)責(zé)Sink節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)的連接，將收集的數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示。

　采集節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)與圖2相似。采用溫度傳感器AD590和Honeywell的氣體質(zhì)量流量傳感器AWM3200CR分別對(duì)溫度和空氣壓差參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后采用ATmega128內(nèi)的ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)。串口模塊用于PC向節(jié)點(diǎn)下載程序。
1.2 Sink節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
?。?）通信模塊軟件
　nRF24L01的數(shù)據(jù)包處理方式主要分直接收發(fā)模式、ShockBurst模式和增強(qiáng)型ShockBurst模式3種。在本文中，nRF24L01無(wú)線(xiàn)通信模塊都是采用增強(qiáng)型ShockBurst模式。根據(jù)nRF24L01在增強(qiáng)型ShockBurst模式下接收的步驟，設(shè)計(jì)了匯聚節(jié)點(diǎn)接收程序的設(shè)計(jì)。
為了提供從傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，還設(shè)計(jì)了中繼節(jié)點(diǎn)，利用nRF24L01工作方式和信道切換來(lái)完成收發(fā)方式的轉(zhuǎn)變。
?。?）μC/OS-Ⅱ的移植與在匯聚節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用
　μC/OS-Ⅱ是由LABROSSE J J編寫(xiě)的一種源碼公開(kāi)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。程序大部分用C語(yǔ)言編寫(xiě)，帶有少量的匯編，適合小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良及可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)成功地將μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)移植到ATmega128處理器上。
　移植完成后，實(shí)現(xiàn)μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)在匯聚節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用。首先在main函數(shù)中初始化無(wú)線(xiàn)芯片、串口、ATmega128的SPI等，然后函數(shù)創(chuàng)建不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，最后啟動(dòng)μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。由于匯聚節(jié)點(diǎn)要接收來(lái)自不同采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了多任務(wù)調(diào)度機(jī)制，分別利用不同的信道接收來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。利用定時(shí)器和信號(hào)量機(jī)制分配時(shí)間，在一段時(shí)間內(nèi)接收第一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后這個(gè)任務(wù)放棄CPU使用權(quán)，第二個(gè)任務(wù)切入，接收來(lái)自第二個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，依次循環(huán)。中斷轉(zhuǎn)發(fā)程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

1.3 采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
　本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方式和基于按需數(shù)據(jù)采集方式兩種基于不同數(shù)據(jù)采集的方式。在這兩種方式中，收發(fā)的轉(zhuǎn)變由對(duì)nRF24L01工作方式的設(shè)置和信道切換來(lái)完成。
　（1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集方式
　這種方式實(shí)際上是單向上行的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)。具體流程如下：
　①Sink節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)初始化處于等待接收狀態(tài)；
?、诖貎?nèi)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)以一定格式傳送給簇頭；
?、鄞仡^將接收的數(shù)據(jù)合成，切換信道收發(fā)模式后，發(fā)送給Sink；
?、躍ink節(jié)點(diǎn)接收，通過(guò)串口傳輸給PC處理后顯示；
?、荽仡^再一次切換收發(fā)模式等待新的數(shù)據(jù)。
　這里，簇頭的設(shè)計(jì)涉及到無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)收發(fā)、一對(duì)多收發(fā)以及收發(fā)模式切換的程序設(shè)計(jì)。
?。?）按需數(shù)據(jù)收集方式
　這種方式是一種雙向的數(shù)據(jù)傳輸，在PC采集節(jié)點(diǎn)1的信號(hào)時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)為睡眠狀態(tài)，從而節(jié)約能量。具體流程如下：
?、貾C向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取命令；
　②Sink節(jié)點(diǎn)接收命令后向簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取命令，信道切換給簇頭1；
?、鄞仡^接收到命令后將信道切換至節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)1處于發(fā)送模式；
　④節(jié)點(diǎn)1進(jìn)行連續(xù)采集，采樣的數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭1；
?、荽仡^1收數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn)；
?、轘ink節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口把數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)。
2 基于LabVIEW的實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)
　在系統(tǒng)中，Sink節(jié)點(diǎn)采用串口與PC相連，采集的數(shù)據(jù)由PC實(shí)時(shí)顯示，由于LabVIEW在串口通信和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示等方面設(shè)計(jì)方便靈活，顯示直觀形象，因此，采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了串口通信和采集數(shù)據(jù)的顯示。圖4所顯示的是從兩個(gè)節(jié)點(diǎn)采集得到的溫度值。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，該系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，正常從各節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)。

　本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件系統(tǒng)。首先進(jìn)行系統(tǒng)需求分析并且建立模型；然后完成了節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)，并在匯聚節(jié)點(diǎn)的核心處理器上移植了μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)通信程序在多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上的應(yīng)用；最后用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了串口通信和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的顯示。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試試驗(yàn)取得了較為理想的效果。
　在今后的工作中，應(yīng)進(jìn)一步考慮如何降低功耗、實(shí)現(xiàn)更為靈活的路由機(jī)制、μC/OS-Ⅱ任務(wù)切換時(shí)間的分配、執(zhí)行效率等問(wèn)題，使系統(tǒng)性能進(jìn)一步優(yōu)化。
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