用于环境监测的无线传感器网络节点设计

引言

环境监测是无线传感器网络的重要应用领域。为搜集某一区域内的环境数据，传感器节点需要在无人值守情况下长时间地工作在恶劣环境条件下。传感器节点的软件设计为节点正常工作提供了重要保证。

1无线传感器网络系统结构

整个传感器网络是由若干个采集节点、1个汇聚节点、1个数据中转器以及1个便于用户查看和控制的上位机组成。系统结构如图1所示。采集节点用于对环境数据的采集、数据的预处理，承当数据的路由;汇聚节点负责整个网络的开启和维护，向采集节点发送命令，搜集节点的数据以及和数据中转器之间的串口通信;数据中转器承担数据的中转及转发上位机的命令;上位机是数据搜集的终端设备，并且可以根据用户的需要对节点的采集时间间隔、休眠时间间隔、传感器的开关进行相应设置。

2 节点的硬件电路

为方便数据的搜集，汇聚节点和采集节点硬件电路设计相同，只是软件设计有所不同。任意节点都可作为汇聚节点，与数据中转器通过串口进行通信，来搜集网络中其他节点的数据。节点的硬件结构如图2所示。

本设计选用的核心芯片是TI公司推出的ZigBee芯片CC2430。它以8051微处理器为内核，自身携带的射频收发器用来实现无线传感器网络节点的通信，提供了4路I/O口来控制传感器的打开和关闭。传感器将相应的环境数据变成电压、电流等信号送给信号调理电路，经相关调理后送到CC2430的 ADC接口进行A/D采样，最后CC2430将得到的A/D值存人1个外接的64 Kb的存储器中。当节点作为网络中的汇聚节点时，CC2430的 2路I/O口被设置成UART0串口Tx和Rx，用于和数据中转器进行串口通信。对于能源供应部分，为保证节点长期稳定工作，选用2300 mA的镍氢充电电池，2组镍氢电池采用双电源供电模式。软件通过控制2组镍氢电池的切换实现对节点的轮流供电，并在电池电压不足时控制太阳能电池板对其进行充电。

3 节点软件设计

3.1 Z-Stack协议栈简介

本次的软件设计基于TI公司Z-Stack 2006协议栈。Z-Stack 2006是TI公司专门为CC2430芯片设计的ZigBee协议栈。它由1个简单的单线程的操作系统管理。该操作系统基于任务调度机制，任务通过API函数osalTaskAdd()按照优先级添加到任务链表。任务的事件触发实现任务调度。每个任务最多可定义16个事件，每个事件都对应1个唯一的事件号。NextActiveTask()是任务事件查询函数，返回任务的事件状态ActiveTask，根据返回的事件值来调用相应的任务处理函数ActiveTask()进行处理。操作系统任务调度如图3所示。

主函数在完成节点相关初始化之后会进入无限循环过程，该过程会一直检测操作系统的任务链表中是否有事件要进行处理。

3.2 节点工作流程

为便于管理和调度，节点所要实现的功能都是将其定义为事件进行处理的。每个事件完成相应功能。将事件按一定关系串接，就能实现节点工作时要完成的系统功能。采集节点和汇聚节点的工作流程如图4、图5所示。

汇聚节点和采集节点在同一时刻醒来。当汇聚节点创建网络成功，并且采集节点入网成功后，全网节点处于通信状态。汇聚节点会通过串口向数据中转器发送1个表示网络准备就绪的消息，数据中转器接收到该消息之后根据上位机的要求决定要不要上传数据，以及上传哪些数据。汇聚节点接收到命令之后会触发相应的事件进行处理，先命令采集节点将相应的数据上传给它，再通过触发串口事件将数据发送至数据中转器。采集节点在入网成功以后也处于准备就绪的状态，等待接受汇聚节点的命令，做相应的事件触发处理。

在每次通信结束之前，汇聚节点会向数据中转器发送1个请求休眠的消息，数据中转器接收到该消息之后会按照上位机的要求对全网节点的休眠过程进行设置。

3.3 串口通信协议

汇聚节点与数据中转器之间的通信是通过串口进行的。串口通信协议保证数据的安全收发，便于汇聚节点和数据中转器对数据进行解析和存储管理。数据中转器和汇聚节点之间的串口通信数据帧格式如下所示：

其中，SOP为起始标志符，用1字节来表示数据包的起始，将这个字节定义为0x02;CMD表示命令ID，用1字节的数据来标识命令消息。 LEN表示DATA的长度，用1字节来指示DATA位的数据的长度。DATA为具体要发送的数据。FCS是校验位，这里使用XOR(异或校验)，校验 CMD、LEN、DATA中的所有数据。

当汇聚节点和数据中转器通过串口接收到数据后，都是通过判别CMD对数据进行解析的。串口数据的CMD有如下几种：

①0x03，数据中转器发送上传路由表命令。作为响应，汇聚节点通过串口上传路由表数据的CMD标识为0x83。

②0x04，数据中转器发送上传邻居表命令。作为响应，汇聚节点通过串口上传邻居表数据的CMD标识为0x84。

③0x05，数据中转器发送上传采集数据命令。作为响应，汇聚节点通过串口上传采集数据时的CMD标识为0x85。

④0x89，汇聚节点发送至数据中转器，表示网络创建成功，等待命令消息。

⑤0xF9，汇聚节点发送至数据中转器，表示数据全部上传完毕，等待休眠。作为响应，数据中转器通过串口向汇聚节点发送CMD为0x09的休眠设置命令。

LEN表示数据的长度，方便数据中转器对接收到的数据进行空间分配和存储。FCS是校验位，用于表征数据的准确性。