引 言
環(huán)境監(jiān)測是無線傳感器網絡的重要應用領域。為搜集某一區(qū)域內的環(huán)境數據，傳感器節(jié)點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)點的軟件設計為節(jié)點正常工作提供了重要保證。
1 無線傳感器網絡系統結構
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。系統結構如圖1所示。采集節(jié)點用于對環(huán)境數據的采集、數據的預處理，承當數據的路由；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)點的數據以及和數據中轉器之間的串口通信；數據中轉器承擔數據的中轉及轉發(fā)上位機的命令；上位機是數據搜集的終端設備，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)點的硬件電路
為方便數據的搜集，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)點的數據。節(jié)點的硬件結構如圖2所示。
本設計選用的核心芯片是TI公司推出的ZigBee芯片CC2430。它以8051微處理器為內核，自身攜帶的射頻收發(fā)器用來實現無線傳感器網絡節(jié)點的通信，提供了4路I／O口來控制傳感器的打開和關閉。傳感器將相應的環(huán)境數據變成電壓、電流等信號送給信號調理電路，經相關調理后送到CC2430的 ADC接口進行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。當節(jié)點作為網絡中的匯聚節(jié)點時，CC2430的 2路I／O口被設置成UART0串口Tx和Rx，用于和數據中轉器進行串口通信。對于能源供應部分，為保證節(jié)點長期穩(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。
3 節(jié)點軟件設計
3.1 Z-Stack協議棧簡介
本次的軟件設計基于TI公司Z-Stack 2006協議棧。Z-Stack 2006是TI公司專門為CC2430芯片設計的ZigBee協議棧。它由1個簡單的單線程的操作系統管理。該操作系統基于任務調度機制，任務通過API函數osalTaskAdd()按照優(yōu)先級添加到任務鏈表。任務的事件觸發(fā)實現任務調度。每個任務最多可定義16個事件，每個事件都對應1個唯一的事件號。NextActiveTask()是任務事件查詢函數，返回任務的事件狀態(tài)ActiveTask，根據返回的事件值來調用相應的任務處理函數ActiveTask()進行處理。操作系統任務調度如圖3所示。
主函數在完成節(jié)點相關初始化之后會進入無限循環(huán)過程，該過程會一直檢測操作系統的任務鏈表中是否有事件要進行處理。
3.2 節(jié)點工作流程
為便于管理和調度，節(jié)點所要實現的功能都是將其定義為事件進行處理的。每個事件完成相應功能。將事件按一定關系串接，就能實現節(jié)點工作時要完成的系統功能。采集節(jié)點和匯聚節(jié)點的工作流程如圖4、圖5所示。
匯聚節(jié)點和采集節(jié)點在同一時刻醒來。當匯聚節(jié)點創(chuàng)建網絡成功，并且采集節(jié)點入網成功后，全網節(jié)點處于通信狀態(tài)。匯聚節(jié)點會通過串口向數據中轉器發(fā)送1個表示網絡準備就緒的消息，數據中轉器接收到該消息之后根據上位機的要求決定要不要上傳數據，以及上傳哪些數據。匯聚節(jié)點接收到命令之后會觸發(fā)相應的事件進行處理，先命令采集節(jié)點將相應的數據上傳給它，再通過觸發(fā)串口事件將數據發(fā)送至數據中轉器。采集節(jié)點在入網成功以后也處于準備就緒的狀態(tài)，等待接受匯聚節(jié)點的命令，做相應的事件觸發(fā)處理。
在每次通信結束之前，匯聚節(jié)點會向數據中轉器發(fā)送1個請求休眠的消息，數據中轉器接收到該消息之后會按照上位機的要求對全網節(jié)點的休眠過程進行設置。
3.3 串口通信協議
匯聚節(jié)點與數據中轉器之間的通信是通過串口進行的。串口通信協議保證數據的安全收發(fā)，便于匯聚節(jié)點和數據中轉器對數據進行解析和存儲管理。數據中轉器和匯聚節(jié)點之間的串口通信數據幀格式如下所示：
其中，SOP為起始標志符，用1字節(jié)來表示數據包的起始，將這個字節(jié)定義為0x02；CMD表示命令ID，用1字節(jié)的數據來標識命令消息。 LEN表示DATA的長度，用1字節(jié)來指示DATA位的數據的長度。DATA為具體要發(fā)送的數據。FCS是校驗位，這里使用XOR(異或校驗)，校驗 CMD、LEN、DATA中的所有數據。
當匯聚節(jié)點和數據中轉器通過串口接收到數據后，都是通過判別CMD對數據進行解析的。串口數據的CMD有如下幾種：
?、?x03，數據中轉器發(fā)送上傳路由表命令。作為響應，匯聚節(jié)點通過串口上傳路由表數據的CMD標識為0x83。
②0x04，數據中轉器發(fā)送上傳鄰居表命令。作為響應，匯聚節(jié)點通過串口上傳鄰居表數據的CMD標識為0x84。
?、?x05，數據中轉器發(fā)送上傳采集數據命令。作為響應，匯聚節(jié)點通過串口上傳采集數據時的CMD標識為0x85。
?、?x89，匯聚節(jié)點發(fā)送至數據中轉器，表示網絡創(chuàng)建成功，等待命令消息。
⑤0xF9，匯聚節(jié)點發(fā)送至數據中轉器，表示數據全部上傳完畢，等待休眠。作為響應，數據中轉器通過串口向匯聚節(jié)點發(fā)送CMD為0x09的休眠設置命令。
LEN表示數據的長度，方便數據中轉器對接收到的數據進行空間分配和存儲。FCS是校驗位，用于表征數據的準確性。
當匯聚節(jié)點接收到串口數據時，匯聚節(jié)點會觸發(fā)自身應用層的串口事件，用于解析發(fā)送過來的命令消息，然后根據該命令來觸發(fā)相應的事件進行處理。
3.4 休眠設置
實驗證實，節(jié)點在休眠過程中處于斷網狀態(tài)。因此，為節(jié)省節(jié)點頻繁聯網帶來的功耗和保證全網節(jié)點工作狀態(tài)同步，在軟件上設計為節(jié)點在聯網成功后只執(zhí)行通信任務，而休眠過程中只執(zhí)行采集任務。當節(jié)點采集時刻到來，觸發(fā)采集事件，打開傳感器的開關對環(huán)境數據進行采集，并控制I／O口對傳感器采集得到的信號進行A／D采樣，最后將采樣值以SPI方式存入外部存儲器。在每次通信結束之前節(jié)點都會判斷是否有休眠設置命令，若接收到休眠設置命令，節(jié)點則會按照該設置進行休眠，直到下一次醒來；若沒接收到命令，節(jié)點則會按照上一次的休眠設置進行休眠。
數據中轉器通過串口向匯聚節(jié)點發(fā)送的休眠設置命令的數據幀格式如表1所列。
Sleeping_Time表示節(jié)點要休眠的時間；Collecting_Time表示節(jié)點在休眠過程中的采集時間間隔；Current_Time是當前的校準時間；Sensor_Flag表示傳感器開關的標志。休眠過程中到達采集時刻，進行環(huán)境數據的采集、采樣和存儲。向采集節(jié)點發(fā)送當前的校準時間，保證節(jié)點采集時刻精確和時間的同步。同時，傳感器的開關標志位可以控制打開或關閉哪幾路傳感器，采集用戶感興趣的環(huán)境數據。到達休眠時刻，節(jié)點醒來，連接網絡。
3.5 充 電
為保證鎳氫電池對節(jié)點長期供電，節(jié)點硬件電路設計了1個充電控制電路對其進行充電管理。CC2430專門提供1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時(即低于設定的值)，在軟件上會通過切換先讓另一組電源對節(jié)點進行供電，再打開太陽能的充電電路對電源充電。節(jié)點在通信和采集數據時功耗很大，因此在每一次通信和采集數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2個電壓值決定要不要進行電源切換、是否對電源進行供電以及充電是否完成。
3.6 異常處理
網絡中節(jié)點在工作時可能出現一些異常，因此要對這些異常作糾錯處理，以保證節(jié)點的正常工作。
(1)新加入節(jié)點的異步
在全網節(jié)點處于休眠狀態(tài)時，若有新的節(jié)點加入網絡，為保證其網絡狀態(tài)和其他節(jié)點同步，新加入的節(jié)點在搜索不到網絡時會按照默認的休眠設置進行休眠。休眠醒來繼續(xù)搜索網絡。以此循環(huán)直到搜索到網絡。
(2)數據出錯
數據中轉器通過串口獲得的數據都要進行校驗處理，若校驗出錯，則拋棄該數據包，命令匯聚節(jié)點重發(fā)數據。
(3)無應答
匯聚節(jié)點對某一采集節(jié)點發(fā)送上傳數據的請求命令，若該節(jié)點在規(guī)定時間內沒有作出響應，匯聚節(jié)點會默認該節(jié)點被拋棄，它將向下一個節(jié)點發(fā)送上傳數據的請求。
(4)無確認
匯聚節(jié)點收到采集節(jié)點的數據后都會向該節(jié)點發(fā)送一個確認的消息，表示數據已經收到。而采集節(jié)點會根據有沒有接收到確認消息決定數據要不要重發(fā)。
結 語
無線傳感器網絡節(jié)點的軟件設計很大程度上決定了整個系統的穩(wěn)定性和長久性。任務調度機制和異常處理決定系統在工作時處于穩(wěn)定的狀態(tài)，而節(jié)點的充電管理系統保證了節(jié)點長期工作的能源供應。系統可以按照用戶需要，在野外大量、準確地采集數據。本設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，有著廣闊的應用前景。