西安工程大學機電工程學院 李遠朝 高曉丁 李忠欣

基于TinyOS的無線傳感器網絡節(jié)點設計

西安工程大學機電工程學院 李遠朝 高曉丁 李忠欣

本文從硬件和軟件兩個方面分析了構建無線傳感器網絡節(jié)點的一般規(guī)律和方法，設計了以msp430控制芯片和D21DL無線數(shù)傳電臺為核心的無線傳感器網絡硬件平臺、無線傳感器網絡系統(tǒng)軟件移植了加州大學伯克利學院開發(fā)的專用于無線傳感器網絡的TinyOS開源系統(tǒng)，在此基礎上進行硬件驅動以及上層通訊協(xié)議的開發(fā)。

TinyOS；傳感器網絡節(jié)點；msp430；無線數(shù)傳電臺

1.引言

無線傳感器網絡(WSN)是傳感器和無線通訊以及電子等技術的結合，起初是用于解決因監(jiān)測區(qū)域范圍過大、監(jiān)測節(jié)點過多或者環(huán)境太惡劣等的地方。隨著該技術的發(fā)展，現(xiàn)今其已被應用于很多領域，不論是在環(huán)境的監(jiān)測和保護方面，還在精細農業(yè)、醫(yī)療護理，甚至在軍事領域以及目標方面都有很大的應用。如圖1所示為以無線數(shù)傳電臺為傳輸媒介的傳感器網絡組成形式：監(jiān)測區(qū)域內的大量傳感器節(jié)點對監(jiān)測區(qū)域內的環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，通過無線數(shù)傳電臺傳送至匯聚節(jié)點，最后匯聚節(jié)點通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心(計算機)進行數(shù)據(jù)的處理，其中傳感器節(jié)點是無線傳感器網絡的關鍵部分。本文設計的傳感器節(jié)點是在msp430控制芯片上移植TinyOS操作系統(tǒng)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。

圖1 無線傳感器網絡圖

圖2 傳感器節(jié)點結構圖

2.無線傳感器節(jié)點結構設計

無線傳感器節(jié)點包括固定節(jié)點(錨點)和移動節(jié)點。固定節(jié)點便是位置固定的節(jié)點，其在整個無線傳感器網絡中的作用十分重要，移動節(jié)點或者其他新增節(jié)點可以通過固定節(jié)點對自己進行定位，而起移動節(jié)點的信息傳遞也要借助于固定的轉發(fā)。根據(jù)監(jiān)測對象的運動狀態(tài)，整個網絡中的節(jié)點可以都是固定節(jié)點，也可以是移動節(jié)點。

本文所設計的無線傳感器網絡系統(tǒng)是對某個地區(qū)的溫濕度進行監(jiān)測，所有節(jié)點都設計為固定節(jié)點；每個無線傳感器節(jié)點的組成結構如圖2所示。

3.無線傳感器節(jié)點硬件設計

該傳感器節(jié)點的硬件部分由msp430單片機模塊、溫濕度傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊和RS232通訊模塊等組成，其中RS232模塊是主節(jié)點獨有的，它主要是用于主節(jié)點與PC通訊用的。

圖3 單片機的最小系統(tǒng)

單片機模塊主要是對采集的信息的處理。設計采用的TI的msp430f169芯片，該芯片是16位自帶AD轉換的低功耗芯片，選用該芯片簡化了電路，也一定程度上減少了能耗，延長了該節(jié)點數(shù)據(jù)采集時間。msp430f169單片機的最小系統(tǒng)如圖3所示。

本設計選擇數(shù)字溫度傳感器，傳感器將檢測的信息直接送到單片機的IO口，由單片機處理后進行上傳。其電路連接情況如圖4所示。

圖4 溫濕度傳感器模塊

圖5 TinyOS體系結構

本設計采用雙電源供電模式：單片機模塊由三塊1.2v的干電池供電，這樣就能保證msp430和溫濕度傳感器都在正常工作電壓以內。無線數(shù)傳模塊單獨供電，因為無線傳輸非常消耗電量。

4.無線傳感器節(jié)點軟件設計

節(jié)點的軟件設計設計實際上就是對TinyOS系統(tǒng)的修改和移植。TinyOS采用了組件的結構，它是一個基于事件的系統(tǒng)．其設計的主要目標是代碼量小、耗能少、并發(fā)性高、魯棒性好，可以適應不同的應用．完整的系統(tǒng)由一個調度器和一些組件組成，應用程序與組件一起編譯成系統(tǒng)．組件由下到上可分為硬件抽象組件、綜合硬件組件和高層軟件組件，高層組件向底層組件發(fā)出命令，底層組件向高層組件報告事件．調度器具有兩層結構，第一層維護著命令和事件，它主要是在硬件中斷發(fā)生時對組件的狀態(tài)進行處理；第二層維護著任務(負責各種計算)，只有當組件狀態(tài)維護工作完成后，任務才能被調度．TinyOS的組件層次結構就如同一個網絡協(xié)議棧，底層的組件負責接收和發(fā)送最原始的數(shù)據(jù)位，而高層的組件對這些位數(shù)據(jù)進行編碼、解碼，更高層的組件則負責數(shù)據(jù)打包、路由和傳輸數(shù)據(jù)．TinyOS體系結構如圖5所示。

TinyOS無法直接在windows上進行裁剪和修改，本設計使用的方法是在windows上安裝一個類linux系統(tǒng)的cygwin系統(tǒng)，并以此為平臺安裝TinyOS、nesC編輯器以及msp430 tools。通過這種方法解決了系統(tǒng)平臺的搭建。

TinyOS的層次化思想就是把把組成系統(tǒng)的所有構件按照某種標準劃分成層次，以分層的形式來組織系統(tǒng)。上層對下層通過構件接口進行命令調用，下層對上層通過構件接口進行事件通知。從上到下劃分成應用層、管理層、硬件抽象層。

本節(jié)點的設計主要對通訊類模塊、傳感類模塊和控制類模塊進行編程，其他的一些則是根據(jù)需要對TinyOS系統(tǒng)進行裁剪。

5.結束語

本論文對無線傳感網絡節(jié)點的相關知識進行了簡單介紹，提出了一套完整的以msp430f169控制器和無線數(shù)傳電臺為基礎構建無線傳感網絡節(jié)點硬件平臺的方案，構建了一個全新的無線傳器網絡硬件平臺。對當前無線傳感器網絡領域流行的嵌入式系統(tǒng)TinyOS請進了概括的分析，并在新搭建的硬件平臺上以TinyOS為基礎設計了各硬件的驅動。系統(tǒng)設計完成后，通過10個該節(jié)點組成的無線網絡對10個房間的溫濕度變化進行了監(jiān)測，其結果與實際溫濕度變化相同，驗證了整個節(jié)點軟硬件系統(tǒng)的準據(jù)和可靠。

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Design of WSN Node on TinyOS Platform

Li Yuan-chao Gao Xiao-ding
（College of mechanical and electrical，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）

The general rules and methods of building wireless sensor network(WSN)node are analyzed from aspects of hardware and software.The wireless sensor network has been built with the msp430 MCU and wireless digital radio.And the software of wireless sensor network has been developed on the tinyOS which is developed by the California Berkeley College for WSN field.

TinyOS；WSN node；msp430；wireless digital radio

李遠朝（1989—），男，西安工程大學機電工程學院碩士研究生，研究方向：機電測試技術、物聯(lián)網技術。