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)

　　整個傳感器網(wǎng)絡(luò)是由若干個采集節(jié)點(diǎn),、1個匯聚節(jié)點(diǎn),、1個數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器以及1個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)的采集時間間隔,、休眠時間間隔,、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)計相同,，只是軟件設(shè)計有所不同。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,，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現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)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(jìn)行充電。

　　3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

　　3.1  Z-Stack協(xié)議棧簡介

　　本次的軟件設(shè)計基于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)計的ZigBee協(xié)議棧,。它由1個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)實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。每個任務(wù)最多可定義16個事件,，每個事件都對應(yīng)1個唯一的事件號,。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)所要實現(xiàn)的功能都是將其定義為事件進(jìn)行處理的,。每個事件完成相應(yīng)功能,。將事件按一定關(guān)系串接，就能實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)工作時要完成的系統(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是校驗位,，這里使用XOR(異或校驗),，校驗 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：

　?、?x03,，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,。

　?、?x05,，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)時的CMD標(biāo)識為0x85,。

　?、?x89，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。

　?、?xF9,，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，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

　　實驗證實,，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)要休眠的時間；Collecting_Time表示節(jié)點(diǎn)在休眠過程中的采集時間間隔,；Current_Time是當(dāng)前的校準(zhǔn)時間,；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)時間,，保證節(jié)點(diǎn)采集時刻精確和時間的同步,。同時，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)計了1個充電控制電路對其進(jìn)行充電管理,。CC2430專門提供1個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(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)在工作時可能出現(xiàn)一些異常,，因此要對這些異常作糾錯處理,，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，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

　　數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過串口獲得的數(shù)據(jù)都要進(jìn)行校驗處理，若校驗出錯,，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)計很大程度上決定了整個系統(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,。