０ 黧 面向环境监测的无线传感器网络节点的软件设计 张振兴。童玲，田雨 （电子科技大学自动化工程学院，成都６１００５４） 摘要：环境监测是无线传感器网络的重要应用领域。本文介绍了一种无线传感器网络节点的软件设计方案，该方案利 用了基于ＺｉｇＢｅｅ技术的射频芯片ＣＣ２４３０。节点的软件设计基于任务调度机制，用于监测某一区域内空气温湿度和土 壤温湿度等环境信息。实验结果表明，节点工作状态稳定，故障率低。节点可以按照用户设置，准确地对环境信息进行 采集。整个系统具备数据可靠、功耗低、可远程控制等显著优点，具有广阔的应用前景。 关键词：环境监测；无线传感器网络；ＺｉｇＢｅｅ；ＣＣ２４３Ｏ 中图分类号：ＴＰ２１２．９ 文献标识码：Ａ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｎｏｄｅ Ｚｈａｎｇ Ｚｈｅｎｘｉｎｇ，Ｔｏｎｇ Ｌｉｎｇ，Ｔｉａｎ Ｙｕ （Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００５４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄｓ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｎｏｄｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ＲＦ ｃｈｉｐ ＣＣ２４３０．Ｔｈｅ ｎｏｄｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔａｓｋ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ａｎｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ａｉｒ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｒｅｇｉｏｎ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｈｕｍｉｄｉｔｙ．Ｅｘｐｅｒｉ— ｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｏｄｅ ｗｏｒｋｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｏｗ ｆａｉｌｕｒｅ ｒａｔｅ．Ｔｈｅ ｎｏｄｅ ｃａｎ ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ｃｏｌｌｅｃｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｎｆｏｒｍａ— ｔｉｏｎ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｕｓｅｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｄａｔａ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ， ｓｈｏｗｉｎｇ ｂｒｏａｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；ＺｉｇＢｅｅ；ＣＣ２４３０ 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［１－ｚ］。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 图１ 无线传感器网络系统结构 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 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 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 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Ｅｉ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。 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。 ２０《平 舡 嵌入式系诧应冈》＿圈匝啊细弦固锄 ａｄｖ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｎｒ．ｃｎ（广告专用） 数据中转器ＩＩ存储器 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 堡重Ｈ 量 卜圉Ｊ镍氢电池组卜－．—＿Ｊ 太阳能电池板 童聿垂 图２节点硬件结构图 本设计选用的核心芯片是ＴＩ公司推出的ＺｉｇＢｅｅ芯 片ＣＣ２４３ｏｌ３］。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／０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ＣＣ２４３Ｏ的ＡＤＣ接口进行Ａ／Ｄ采样，最后 ＣＣ２４３０将得到的Ａ／Ｄ值存入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。 图４采集节点工作流程 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ＣＣ２４３ｏ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 ． 醒来，创建网络Ｉ ＇ 发送准备就绪的消息Ｌ ｌ解 令Ｉ 可定义１６个事件，每个事件都对应１ 个唯一的事件号。ＮｅｘｔＡｃｔｉｖｅＴａｓｋ（） 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 ｌ ｏｓａｌＴａｓｋＡｄｄ０ Ｉ —Ｔ— ●Ｙ ●Ｙ●Ｙ ＮｅｘｔＡｃｔｉｖｅＴａｓｋ０ Ｉ是任务事件查询函数，返回任务的事 ｌ釜 。 ｌ ●Ｉ Ｉ 薮 ｌ ＡｃｔｉｖｅＴａｓｋ０ Ｆ－－ Ｉ请求休眠ｌ Ｎ 任务调度如图３所示。 图３操作系统任务调度 — ＋ 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。 Ｉ按照上一次的设置 根据设置命令设置休眠参数 Ｉ 芩麦置 全网广播设置命令 ｔ 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 ｌ 休眠 Ｉ 图５汇聚节点工作流程 … … … ｒ拇撞击田、 １ ｌ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 ｌ ｌ’：ｌ ｌｊ ≥ 餮 蕊 ３．４休眠设置 实验证实，节点在休眠过程中处于断网状态。因此， 为节省节点频繁联网带来的功耗和保证全网节点工作状 态同步，在软件上设计为节点在联网成功后只执行通信任 务，而休眠过程中只执行采集任务。当节点采集时刻到 来，触发采集事件，打开传感器的开关对环境数据进行采 集，并控制Ｉ／０口对传感器采集得到的信号进行Ａ／Ｄ采 样，最后将采样值以ＳＰＩ方式存人外部存储器。在每次通 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 信结束之前节点都会判断是否有休眠设置命令，若接收到 休眠设置命令，节点则会按照该设置进行休眠，直到下一 次醒来；若没接收到命令，节点则会按照上一次的休眠设 置进行休眠。 汇聚节点之间的串口通信数据帧格式如下所示： ＳＯＰ ｌ ＣＭＤ ｌ ＬＥＮ ｌ ＤＡＴＡＩ ＦＣＳ 数据中转器通过串口向汇聚节点发送的休眠设置命 令的数据帧格式如表１所列。 表１ 休眠设置的数据帧格式 项 目 Ｓ０Ｐ ＣＭＤ ＬＥＮ 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 内 容 Ｏｘ０２ ０ｘＯ９ ０ｘＯ９ 长度／字节 １ １ ｌ 发送的数据。ＦＣＳ是校验位，这里使用Ｘ０Ｒ（异或校验）， 校验ＣＭＤ、ＬＥＮ、ＤＡＴＡ中的所有数据。 ＳｌｅｅｐｉｎｇＴｉｍｅ ２ ２ ＣｏｌｌｅｃｔｉｎｇＴｉｍｅ ＤＡＴＡ ＣｕｒｒｅｎｔＴｉｍｅ（Ｈｏｕｒ） １ １ １ 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： ＣｕｒｒｅｎｔＴｉｍｅ（Ｍｉｎ） ＳｅｎｓｏｒＦｌａｇ ＦＣＳ 校验位 １ 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。 Ｓｌｅｅｐｉｎｇ＿Ｔｉｍｅ表示节点要休眠的时间；Ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ— Ｔｉｍｅ表示节点在休眠过程中的采集时间间隔；Ｃｕｒｒｅｎｔ— Ｔｉｍｅ是当前的校准时间；Ｓｅｎｓｏｒ Ｆｌａｇ表示传感器开关的 标志。休眠过程中到达采集时刻，进行环境数据的采集、 ②Ｏｘ０４，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。 采样和存储。向采集节点发送当前的校准时间，保证节 点采集时刻精确和时间的同步。同时，传感器的开关标 志位可以控制打开或关闭哪几路传感器，采集用户感兴 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。 趣的环境数据。到达休眠时刻，节点醒来，连接网络。 ④０ｘ８９，汇聚节点发送至数据中转器，表示网络创建 ３．５ 充 电 为保证镍氢电池对节点长期供电，节点硬件电路设 计了１个充电控制电路对其进行充电管理。ＣＣ２４３Ｏ专 门提供１个Ｉ／０口对供电电压进行Ａ／Ｄ采样。当供电 的电源电压不足时（即低于设定的值），在软件上会通过 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。 切换先让另一组电源对节点进行供电，再打开太阳能的 充电电路对电源充电。节点在通信和采集数据时功耗很 大，因此在每一次通信和采集数据完成之后都会检测当 当汇聚节点接收到串口数据时，汇聚节点会触发自身 应用层的串口事件，用于解析发送过来的命令消息，然后 根据该命令来触发相应的事件进行处理。 前供电电压值和当前的充电电压值，根据２个电压值决 定要不要进行电源切换、是否对电源进行供电以及充电 是否完成。 ２ ２《平‘；机 嵌入式条皖应用》ｌ团皿＿强团唧 ａｄｖ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃ０ｍ．ｏｎ（广告专用） ｜ ３．６ 异常处理 ｜ 。｜ 网络中节点在工作时可能出现一些异常，因此要对这 些异常作纠错处理，以保证节点的正常工作。 （１）新加入节点的异步 在全网节点处于休眠状态时，若有新的节点加入网 络，为保证其网络状态和其他节点同步，新加入的节点在 搜索不到网络时会按照默认的休眠设置进行休眠。休眠 醒来继续搜索网络。以此循环直到搜索到网络。 （２）数据出错 数据中转器通过串口获得的数据都要进行校验处理， 若校验出错，则抛弃该数据包，命令汇聚节点重发数据。 （３）无应答 汇聚节点对某一采集节点发送上传数据的请求命令， 若该节点在规定时间内没有作出响应，汇聚节点会默认该 节点被抛弃，它将向下一个节点发送上传数据的请求。 （４）无确认 汇聚节点收到采集节点的数据后都会向该节点发送 一个确认的消息，表示数据已经收到。而采集节点会根据 有没有接收到确认消息决定数据要不要重发。 瓣 结 语 本文基于ＺｉｇＢｅｅ基带芯片实现了简单的ＣＳＭＡ／ＣＡ 西若未到３次，置重传标志位，重传数据帧，否则丢弃 此帧。随机退避次数大于最大退避次数时，同样判断是否 重传３次：若未到３次，置重传标志位，重传数据帧，否则 丢弃此帧。在此帧数据没有发送成功，并且重传次数未到 时，不处理之后的数据帧，保证重传的数据帧是需要重传 的数据帧。 协议，同时也适用于其他短距离无线通信系统。笔者已经 在１套４３３ ＭＨｚ定位系统中使用了同一协议，收到了良 好的效果。本文介绍实现的只是基本的ＣＳＭＡ／ＣＡ协 议，在应用于不同的无线通信系统中时，可以根据系统的 特点再加以改进，就可以达到更好的无线通信效果。 编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站ｗｗｗ． ⑤无线模块的状态切换。为了保证无线模块状态切 换的时序没有错误，防止由于无线模块状态切换而导致的 严重问题，在ＣＳＭＡ—ＭＡＣ协议实现过程中，无论对无线 ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ。腿 参考文献 ［１］ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ［ＯＬ］．［２００９—１２］．ｈｔｔｐ：／／ ｓｔａｎｄａｒｄｓ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｇｅｔｉｅｅｅ８０２／ｄｏｗｎｌｏａｄ／８０２．１５．４—２００３． ｐｄｆ． 模块进行了什么操作，最终都需要把无线模块的状态置为 ＲＸＳＴＡＴＥ，打开无线模块的接收天线。 ⑥串口数据帧３次重发的实现。ＤＡＴＡ类型的数据 帧发送完成后，如果在一定的时间内未收到ＡＣＫ，将对数 据进行重发，直至收到ＡＣＫ；或者重发超过３次，丢弃 此帧。 Ｅ２］ＭＣ１３２１３Ｄａｔｅｓｈｅｅｔ［ＯＬ］ Ｅ￣ｏｏ９—１２３．ｈｔｔｐ ｔ ＭＣ１３２１３＆ｆｓｒｃｈ＝１． ．ｆｒｅｅｓ— ｃａｌｅ．ｃｏｒｎ／ｗｅｂａｐｐ／ｓｐｓ／ｓｉｔｅ／ｐｒｏｄ～ｓｕｍｍａｒｙ．ｊｓｐ？ｃｏｄｅ— ４测试结果 在我们搭建的一个无线定位小系统测试中，定位节点 与定位卡通信，工作正常；两个定位节点之间的通信，定位 节点收发状态正常，工作正常；定位节点将接收到的定位 卡的数据帧转发至ＰＣ上，经过定位算法处理后，定位误 差在２ ｍ范围之内。 Ｅ３］瞿雷，刘盛德，胡咸斌．ＺｉｇＢｅｅ技术及应用［Ｍ］．北京：北京航 空航天大学出版社，２００７． 马 一日 §冁 ≯ 强％ ０ 即 澈 毂硪 强嘏 强一 ｔ秘ｌ “埘辩 ｜ 。 豫■ ＿ — ｜０ｌ＿赣 ｔ 臻鹫曩 臻臻ｌ ｉ甏嚣巷嚣 ｌ 每ｌ臻警嚣簪魏强强蠹毫警鬻鬻Ｉ 哦｝ｌ 誊甏嚣静譬Ｌ氇硅｜囊雏誊瓤 嚣 啦Ｑ｜簪誊鼍鬻ｌ＿ｌ 强嚣强赫强＃＿ 强 … ｒ …ｎＤ十… ｎ ｒ捋燕击田、 ｈ ：………１．…ＲＪ Ｆ—ｋ Ｊ ……