無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張周平

摘 要：由于傳統(tǒng)的傳感器采用的是電纜形式，它不僅使系統(tǒng)成本增加，而且也產(chǎn)生了許多不同信號(hào)之間的干擾。文章采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）方法，大大減少了連接的規(guī)模，而且安裝更容易，信號(hào)更穩(wěn)定。與傳統(tǒng)傳感器相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有預(yù)防性維護(hù)方便、成本低、適合惡劣環(huán)境應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。文章對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)的重要性進(jìn)行了分析和討論，并給出了硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。在硬件平臺(tái)上，設(shè)計(jì)了LPC2214處理器和CC2530模塊的無線通信裝置。為了確保傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)靈活性，ZigBee作為無線通信協(xié)議。通過μμC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)滿足水槽節(jié)點(diǎn)的要求，并成功應(yīng)用于大型油船溫度監(jiān)測系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；sink節(jié)點(diǎn)；μc/OS-II；溫度監(jiān)測

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)安裝過程較為靈活，布線相對(duì)簡單，通常情況下，通過電池等設(shè)備進(jìn)行供電，對(duì)于遠(yuǎn)程設(shè)備可以實(shí)時(shí)監(jiān)測，本文介紹了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。其采用ARM處理器和CC2530作為硬件平臺(tái)，以Zigbee作為無線通信協(xié)議，μC/OS-II為操作系統(tǒng)，完成了匯聚節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備的功能，并成功運(yùn)用于大型油船的溫度監(jiān)控系統(tǒng)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)介紹

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般通過三個(gè)部分組合而成，分別是傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)以及遠(yuǎn)程客戶端三級(jí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)特定環(huán)境的物理量進(jìn)行檢測和感知是通過傳感節(jié)點(diǎn)完成的，通過把這些物理量轉(zhuǎn)化成電量，以供整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行判斷和處理。匯聚節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有兩部分作用，其一是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其二是把遠(yuǎn)程控制中心的命令發(fā)送到每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。所以，匯聚節(jié)點(diǎn)同時(shí)和遠(yuǎn)程終端以及傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

2 匯聚節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)

2.1 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)的工作特性，硬件平臺(tái)選用LPC2214芯片作為中央處理器，其采用ARM7TDMI-S為內(nèi)核，是ARM體系中的一款高端芯片。內(nèi)含多個(gè)定時(shí)器和計(jì)數(shù)器；LPC2214集成多種通信接口，能較好地滿足通信領(lǐng)域的要求。硬件連接圖如圖1所示。

匯聚節(jié)點(diǎn)不僅需要與遠(yuǎn)程終端進(jìn)行通信，而且還需與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，其計(jì)算能力較強(qiáng)，速度較快，所以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行通訊接口的擴(kuò)展。在匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用無線通訊方式滿足無線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目龐大、分布較廣，且工作功耗低等要求，本系統(tǒng)選用Zigbee作為無線通訊協(xié)議。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院涂煽啃裕瑫r(shí)考慮到匯聚節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程終端的距離，所以在匯聚節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程終端之間采用有線以太網(wǎng)的通訊方式。系統(tǒng)采用RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口芯片，連接匯聚節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程終端。其硬件電路如圖2所示。

在存儲(chǔ)器擴(kuò)展方面，系統(tǒng)采用兩片F(xiàn)LASH芯片SST39VF1601和兩片SRAM芯片ISSIS61LV25616AL構(gòu)成32位的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

供電單元為系統(tǒng)運(yùn)行提供能量來源，其穩(wěn)定工作是系統(tǒng)可靠的基本保證。在本系統(tǒng)中，LPC2214內(nèi)核所需電壓為1.8V，I/O口電壓為3.3V，RTL8019AS和CC2530無線收發(fā)單元的供電電壓為5V，SST39VF1601、JTAG、74AC125D等其他芯片供電電壓為3.3V，因此系統(tǒng)正常工作需要3種電平不同的電源。結(jié)合實(shí)際的工程情況，最終確定系統(tǒng)輸入電源電壓為5V，在電路板上通過穩(wěn)壓芯片LM1084IS-3.3將5V變換為3.3V和穩(wěn)壓芯片LM1117-1.8將5V變換為1.8V，保證了系統(tǒng)中各芯片的供電要求和整個(gè)系統(tǒng)的功率分配。系統(tǒng)功能總框圖如圖3所示。

2.2 軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)以ARM處理器為核心，而目前流行的嵌入式操作系統(tǒng)主要有：μC/OS-II、uClinux、Windows CE和VxWorks等。以下為幾種主流操作系統(tǒng)的簡單介紹。

（1）μC/OS-II：μC/OS-II操作系統(tǒng)和其他操作系統(tǒng)的區(qū)別是其代碼為完全開放的。并且μC/OS-II是具有多任務(wù)的操作系統(tǒng)，在同一時(shí)間可以對(duì)多種功能進(jìn)行完成。大多數(shù)開發(fā)環(huán)境支持C語言，但是該操作系統(tǒng)是通過ANSI-C編寫的，這為開發(fā)者提供了很多方便，也同時(shí)降低了開發(fā)的難度，對(duì)開發(fā)效率也得以提高。

（2）嵌入式uClinux：uClinux操作系統(tǒng)有較好的實(shí)用性，其性能穩(wěn)定，移植性能好，網(wǎng)絡(luò)功能好，最為重要的是含有豐富的API函數(shù)，為其具體的工程應(yīng)用做好了接口準(zhǔn)備，這也是它具有良好通用性的一個(gè)原因。

（3）Windows CE：Windows CE操作系統(tǒng)相比其他的操作系統(tǒng)，其通用性較差。但 Windows CE的用戶交互界面較好，且Windows CE操作系統(tǒng)的諸多特點(diǎn)給編程開發(fā)工作都降低了很多難度，可以將每個(gè)部分進(jìn)行整合組成一個(gè)新的整體。

操作系統(tǒng)的選擇直接關(guān)系著硬件電路和應(yīng)用程序的編寫。由于μC/OS-II具有實(shí)時(shí)性高、可以移植性強(qiáng)和對(duì)硬件要求較低等獨(dú)特的性質(zhì)，結(jié)合硬件平臺(tái)的相關(guān)參數(shù)，最后選擇μC/OS-II作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 μC/OS-II移植調(diào)試

根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)操作系統(tǒng)的需求和硬件資源的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)中采用的操作系統(tǒng)具體版本為μC/OS-II V2.52。μC/OS-II操作系統(tǒng)的源代碼較多，但由于其本身易于移植，大部分源代碼不需更改，直接添加至工程中即可用。需要根據(jù)具體的工程進(jìn)行修改的文件只有以下三個(gè)：OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C。

根據(jù)硬件電路的資源，修改了與CPU相關(guān)的三個(gè)文件，下載匯聚節(jié)點(diǎn)電路板，電路板上LED指示燈開始閃爍，表明μC/OS-II系統(tǒng)移植成功。

3.2 以太網(wǎng)通訊調(diào)試

目前源碼公開的TCP/IP協(xié)議主要為LWIP、μC/IP、μIP和TinyIP等。參考系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和軟件環(huán)境，最后選擇移植LWIP協(xié)議棧。

將LWIP協(xié)議移植完成后，編寫具體的驅(qū)動(dòng)程序。將匯聚節(jié)點(diǎn)電路板通過網(wǎng)線與計(jì)算機(jī)相連接，在計(jì)算機(jī)命令運(yùn)行Ping命令后，可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率為零，網(wǎng)絡(luò)延遲最小為1ms，最大為6ms，平均延遲為3ms，滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。通過對(duì)TCP/IP協(xié)議程序的反復(fù)調(diào)試，具體分析邏輯結(jié)構(gòu)和相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)，確保以太網(wǎng)能夠穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 無線通訊模塊調(diào)試

本系統(tǒng)采用CC2530無線通訊模塊來實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，在LPC2214與CC2530之間通過SPI總線來完成數(shù)據(jù)交換。

LPC2214含有豐富的外設(shè)接口，通過配置器的配置，能方便地實(shí)現(xiàn)SPI總線通信。CC2530采用增強(qiáng)型8051單片機(jī)作為處理器，集成功能強(qiáng)大的SPI接口。本設(shè)計(jì)中將CC2530作為SPI通訊中的從設(shè)備，主要負(fù)責(zé)將運(yùn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鞲衅鞴?jié)點(diǎn)，然后將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。

經(jīng)過對(duì)SPI總線的反復(fù)跟蹤調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在LPC2214和CC2530之間的穩(wěn)定傳輸。

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)證明，以LPC2214為核心、基于μC/OS-II操作系統(tǒng)的匯聚節(jié)點(diǎn)能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的處理和傳輸。同時(shí)此設(shè)計(jì)具有電路簡單，性能穩(wěn)定和功耗低等優(yōu)勢，是一種可靠的匯聚節(jié)點(diǎn)解決方案。

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