摘  要： 以適用于環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為對象，設(shè)計并開發(fā)了相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)硬件,。將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)移植于匯聚節(jié)點(diǎn)的處理器上,，并結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的特性，設(shè)計了合理的多任務(wù)調(diào)度機(jī)制,。傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計了實(shí)時采集和按需采集兩種工作方式,。開發(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)時監(jiān)控,。測試結(jié)果表明,，該系統(tǒng)運(yùn)行良好。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò),；μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng),；無線通信；串口通信

　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）是近年來信息科學(xué)領(lǐng)域一個熱門的研究方向,，它集成了無線通信技術(shù),、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)和分布式信息處理，能相互配合對環(huán)境或各種對象進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)測和感知,，其被廣泛應(yīng)用于軍事[1],、環(huán)境監(jiān)測[2]、動植物監(jiān)視[3],、智能家具[4]和健康結(jié)構(gòu)監(jiān)測[5]等多個領(lǐng)域,。
　無線傳感器網(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,、整個系統(tǒng)或單個節(jié)點(diǎn)價格過高以及對于某一具體應(yīng)用適應(yīng)差等問題。本文圍繞無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù),，開發(fā)了一個適用于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控的實(shí)時數(shù)據(jù)收集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)設(shè)計
　在分析了幾種常見的無線傳感器網(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為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

1.1 硬件設(shè)計
　在選擇節(jié)點(diǎn)的處理器方面,，主要考慮的因素包括價格,、功耗、開發(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，一些自行開發(fā)的節(jié)點(diǎn),，參考文獻(xiàn)[6],、[7]也采用ATmega128。
　無線通信芯片選擇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發(fā)。
　Sink節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2虛線框部分所示,。其中,，串口通信模塊負(fù)責(zé)Sink節(jié)點(diǎn)與計算機(jī)的連接，將收集的數(shù)據(jù)傳送到計算機(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將模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號,。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
　（1）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無線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)計了匯聚節(jié)點(diǎn)接收程序的設(shè)計。
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)計了中繼節(jié)點(diǎn),，利用nRF24L01工作方式和信道切換來完成收發(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編寫的一種源碼公開的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng),。程序大部分用C語言編寫，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)時性能優(yōu)良及可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn),。本設(shè)計成功地將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)中初始化無線芯片、串口,、ATmega128的SPI等,，然后函數(shù)創(chuàng)建不同優(yōu)先級的任務(wù)，最后啟動μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng),。由于匯聚節(jié)點(diǎn)要接收來自不同采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),，本文設(shè)計了多任務(wù)調(diào)度機(jī)制,，分別利用不同的信道接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。利用定時器和信號量機(jī)制分配時間,，在一段時間內(nèi)接收第一個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),，然后這個任務(wù)放棄CPU使用權(quán)，第二個任務(wù)切入,，接收來自第二個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),，依次循環(huán)。中斷轉(zhuǎn)發(fā)程序設(shè)計流程如圖3所示,。

1.3 采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計
　本系統(tǒng)主要設(shè)計了基于實(shí)時數(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nRF24L01工作方式的設(shè)置和信道切換來完成,。
?。?）實(shí)時數(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：
?、賁ink節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)初始化處于等待接收狀態(tài),；
　②簇內(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,；
　④Sink節(jié)點(diǎn)接收,，通過串口傳輸給PC處理后顯示,；
　⑤簇頭再一次切換收發(fā)模式等待新的數(shù)據(jù),。
　這里，簇頭的設(shè)計涉及到無線數(shù)據(jù)的點(diǎn)對點(diǎn)收發(fā),、一對多收發(fā)以及收發(fā)模式切換的程序設(shè)計,。
　（2）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的信號時,，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；
?、赟ink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,；
　③簇頭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,；
　⑤簇頭1收數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)發(fā)給Sink節(jié)點(diǎn),；
?、轘ink節(jié)點(diǎn)通過串口把數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)。
2 基于LabVIEW的實(shí)時監(jiān)控程序設(shè)計
　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)時顯示，由于LabVIEW在串口通信和監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示等方面設(shè)計方便靈活,，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所顯示的是從兩個節(jié)點(diǎn)采集得到的溫度值,。經(jīng)過多次測試，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)了一個無線傳感器網(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,，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)了無線通信程序在多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)上的應(yīng)用,；最后用LabVIEW實(shí)現(xiàn)了串口通信和監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示?，F(xiàn)場調(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)切換時間的分配,、執(zhí)行效率等問題,，使系統(tǒng)性能進(jìn)一步優(yōu)化。
參考文獻(xiàn)
[1] 馬祖長,，孫怡寧,，梅濤.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].通信學(xué)報，2005,，4（25）：114-124.
[2] SHETH A,， THEKKATH C A,， MEHTA P. Senslide： a distributed landslide prediction system[J]. Operating Systems Review，2007,，41（2）：75-87.
[3] JUANG P,， OKI H， WANG Y,， et al. Energy-effieient computing for wildlife tracking： design tradeoffs and early experiences with ZebraNet[C]. Proceedings of the 10th International Conference on Architectual Support for Programming Languages and Operating Systems,， 2002：96-107.
[4] 紀(jì)晴，段培永,，李連防,，等.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2008,，29（12）：3064-3067.
[5] JAFARIR R,， ENCARNACAO A， ZAHOORY A,， et al.Wireless sensor networks for health monitoring[C]. The Second Annual International Conference on Mobile and Ubiquitous System： Networking and Services,， MobiQuitous， 2005：479-481.
[6] 趙海,，趙杰,，劉錚，等.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].東北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,，2009,，130（6）：809-812.
[7] 田洪強(qiáng)，秦雅娟,，鄭濤,，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能紅外控制節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)應(yīng)用，2010,，30（9）：2549-2552.