面向環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件設(shè)計
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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(shè)計為節(jié)點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、1個匯聚節(jié)點、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組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。采集節(jié)點用于對環(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)點負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)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(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)上位機的命令；上位機是數(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)點的采集時間間隔、休眠時間間隔、傳感器的開關(guān)進行相應(yīng)設(shè)置。
2 節(jié)點的硬件電路
為方便數(shù)據(jù)的搜集，匯聚節(jié)點和采集節(jié)點硬件電路設(shè)計相同，只是軟件設(shè)計有所不同。任意節(jié)點都可作為匯聚節(jié)點，與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器通過串口進行通信，來搜集網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。節(jié)點的硬件結(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)點作為網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點時，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)器進行串口通信。對于能源供應(yīng)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(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。
3 節(jié)點軟件設(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()進行處理。操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度如圖3所示。
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