李永成，凌 青，石 春，吳 剛，陳 雷

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系，安徽合肥230027;2.中國(guó)人民解放軍63895部隊(duì)，河南洛陽(yáng)454750)

0 引言

大多數(shù)電池的內(nèi)阻隨著電池電量的降低而增加。電池電量越低，內(nèi)阻越大。電池供電時(shí)，工作電流越大，內(nèi)部的電壓降也就越大，輸出電壓就越低。因此，電池電壓可以作為一種簡(jiǎn)便的電池剩余電量的指示，通過(guò)監(jiān)測(cè)電池工作電壓達(dá)到監(jiān)測(cè)剩余電量的目的［2］。

用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的TI公司的CC2430/31—F128芯片具有低成本、低功耗的特點(diǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流消耗分別低于27，25 mA，內(nèi)嵌8位的增強(qiáng)型8051單片機(jī)［3］。為了解決電池電量低所造成的定位精度問(wèn)題，本文基于CC2430/31—F128芯片的嵌入式系統(tǒng)，周期性采樣電池工作電壓并進(jìn)行判斷，當(dāng)電壓值低于預(yù)先設(shè)定的報(bào)警低限時(shí)，停止當(dāng)前工作，斷開(kāi)與網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系，確保其他節(jié)點(diǎn)交互信息的可靠性，并在監(jiān)控終端顯示屏上閃爍，同時(shí)節(jié)點(diǎn)上的LED燈閃爍報(bào)警，避免由電池電量低而產(chǎn)生的定位誤差。

1 Zig Bee協(xié)議棧中的操作系統(tǒng)［4］

嵌入式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分，硬件部分指系統(tǒng)的內(nèi)核及外圍設(shè)備，如本例中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的CC2430/31—F128芯片;軟件部分指嵌入式操作系統(tǒng)［5］。當(dāng)前的嵌入式操作系統(tǒng)大致分為兩類:一類是通用的多任務(wù)操作系統(tǒng)(general-purpose multi-tasking OS)，能夠很好地支持多任務(wù)或者多線程，但會(huì)隨著內(nèi)部任務(wù)切換頻率的增加而產(chǎn)生很大的開(kāi)銷;另一類是事件驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)(event-driven OS)，能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)流的高效并發(fā)，并考慮了系統(tǒng)的低功耗要求，使其在功耗、運(yùn)行開(kāi)銷等方面具有優(yōu)勢(shì)，例如:TinyOS。

但是TinyOS操作系統(tǒng)不支持Chipcon公司的CC2430開(kāi)發(fā)平臺(tái)，因此，Chipcon公司為自己設(shè)計(jì)的ZStack協(xié)議棧中提供了一個(gè)操作系統(tǒng)抽象層(operating system abstraction layer，OSAL)的協(xié)議棧調(diào)度程序。

1.1 OSAL對(duì)任務(wù)的調(diào)度

Zig Bee協(xié)議棧中，每一層都執(zhí)行很多原語(yǔ)操作，對(duì)于整個(gè)協(xié)議棧，就有很多并發(fā)操作要執(zhí)行。為使整個(gè)協(xié)議棧能夠按照時(shí)間順序讓各種任務(wù)和事件有條不紊的運(yùn)行，協(xié)議棧的每一層都設(shè)計(jì)了一個(gè)事件處理函數(shù)，用于處理與該層操作相關(guān)的任務(wù)和事件。這些事件處理函數(shù)即是與協(xié)議棧每一層相對(duì)應(yīng)的任務(wù)，由Zig Bee協(xié)議棧中的調(diào)度程序OSAL進(jìn)行統(tǒng)一管理。因此，對(duì)于整個(gè)協(xié)議棧，無(wú)論何時(shí)發(fā)生了何種事件，OSAL調(diào)度程序都可以通過(guò)調(diào)度協(xié)議棧相應(yīng)層的任務(wù)，亦即事件處理函數(shù)進(jìn)行處理。

由于Zig Bee協(xié)議棧對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，因此，在設(shè)計(jì)任務(wù)調(diào)度程序時(shí)，OSAL采用了輪詢?nèi)蝿?wù)調(diào)度隊(duì)列的方法進(jìn)行任務(wù)調(diào)度的管理，如圖1所示。

圖1 OSAL任務(wù)處理流程Fig 1 OSAL task processing flow

1)OSAL建立任務(wù)的流程

OSAL采用鏈表結(jié)構(gòu)管理協(xié)議棧各層相應(yīng)的任務(wù)。這個(gè)任務(wù)鏈表在系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候建立，而一旦建立便一直存在于系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程，直到系統(tǒng)關(guān)閉或硬件復(fù)位時(shí)才被刪除。鏈表中的每一項(xiàng)都是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，用來(lái)記錄鏈表中相關(guān)任務(wù)的基本信息。鏈表的建立是按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)從高到低進(jìn)行插入排列的。優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)被插入到優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)前面。當(dāng)兩任務(wù)優(yōu)先級(jí)相同時(shí)，則按照時(shí)間的先后順序添加到鏈表中。

2)OSAL對(duì)任務(wù)的處理流程

任務(wù)鏈表成功建立后，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行。如在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中有事件發(fā)生，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)，即事件處理函數(shù)對(duì)所發(fā)生的事件進(jìn)行相應(yīng)的處理。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，OSAL調(diào)度程序周而復(fù)始地輪詢?nèi)蝿?wù)隊(duì)列鏈表，以查找發(fā)生的需要處理的事件。整個(gè)過(guò)程涉及2個(gè)函數(shù)的操作:一個(gè)是調(diào)度程序循環(huán)函數(shù);一個(gè)是設(shè)置事件發(fā)生標(biāo)志函數(shù)。

1.2 OSAL對(duì)時(shí)間的管理

Zig Bee協(xié)議棧中的每一層都有很多不同的事件發(fā)生，這些事件發(fā)生的時(shí)間順序各不相同。很多時(shí)候，事件并不要求立即得到處理，而要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后再進(jìn)行處理。因此，經(jīng)常會(huì)遇到這樣的情況:假設(shè)事件A發(fā)生后，要求過(guò)20 s后執(zhí)行，事件B在事件A發(fā)生5 s后產(chǎn)生，且事件B要求在10 s后執(zhí)行。從時(shí)間軸可以看出:事件B雖然在事件A之前被處理，卻在事件A之后發(fā)生。因此，為了按照合理的時(shí)間順序處理不同事件的執(zhí)行，需要對(duì)各種不同的事件進(jìn)行統(tǒng)一的時(shí)間管理。OSAL調(diào)度程序設(shè)計(jì)了與時(shí)間管理相關(guān)的函數(shù)，用來(lái)管理各種不同的需要被處理的事件。

OSAL同樣采用鏈表的方式對(duì)事件進(jìn)行統(tǒng)一的時(shí)間管理。每發(fā)生一個(gè)要被處理的事件，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)一個(gè)邏輯定時(shí)器，并將此定時(shí)器添加到鏈表當(dāng)中。利用硬件定時(shí)器作為時(shí)間操作的基本單元，系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置時(shí)間操作的單位為1 ms，即每1 ms硬件定時(shí)器產(chǎn)生一次時(shí)間溢出中斷，在時(shí)間中斷處理程序中去更新定時(shí)器鏈表。每次更新，都將鏈表中的每一項(xiàng)事件定時(shí)器的時(shí)間計(jì)數(shù)減1，如發(fā)現(xiàn)定時(shí)器鏈表中某一表項(xiàng)時(shí)間計(jì)數(shù)已減到0，則設(shè)置相應(yīng)的事件標(biāo)志。這樣，OSAL任務(wù)調(diào)度程序就根據(jù)事件的標(biāo)志進(jìn)行相應(yīng)的事件處理，并將該定時(shí)器從鏈表中刪除。

2 節(jié)點(diǎn)電壓的測(cè)量和采樣

利用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行節(jié)點(diǎn)電壓的測(cè)量和采樣，是一種常用的方法。A/D轉(zhuǎn)換器是將連續(xù)的模擬量(如電壓)通過(guò)取樣轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，分為采樣、保持、量化和編碼4個(gè)過(guò)程。

CC2430/31的A/D支持14位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換(如圖2所示)，其中包括1個(gè)參考電壓發(fā)生器、8個(gè)獨(dú)立可配置通道、電壓發(fā)生器和通過(guò)DMA模式把轉(zhuǎn)換結(jié)果寫(xiě)入內(nèi)存的控制器。在對(duì)節(jié)點(diǎn)電壓測(cè)量時(shí)，選擇VDD/3(VDD為節(jié)點(diǎn)電源電壓)作為輸入端，亦即輸入電壓，以 A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部1.25 V為參考電壓。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換器框圖Fig 2 Block diagram of A/D converter

3 節(jié)點(diǎn)電壓監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)

節(jié)點(diǎn)電壓監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)(如圖3所示)是在OSAL操作系統(tǒng)中添加邏輯定時(shí)器到定時(shí)器鏈表，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，利用硬件定時(shí)器的觸發(fā)，更新邏輯定時(shí)器的時(shí)間，當(dāng)其溢出時(shí)，調(diào)用電壓監(jiān)測(cè)事件處理函數(shù)，即讓A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電源電壓的采樣，并進(jìn)行比較:當(dāng)采樣電壓低于設(shè)定的報(bào)警下限時(shí)，該節(jié)點(diǎn)立即停止當(dāng)前的工作，斷開(kāi)與網(wǎng)絡(luò)的連接，在監(jiān)控終端顯示屏上閃爍，同時(shí)閃爍節(jié)點(diǎn)上的LED燈報(bào)警;當(dāng)高于報(bào)警下限時(shí)，退出此次采樣監(jiān)測(cè)過(guò)程，并重新添加邏輯定時(shí)器到鏈表。

圖3 節(jié)點(diǎn)電壓監(jiān)測(cè)流程Fig 3 Node voltage monitoring flow

其中電壓的報(bào)警下限和電壓的采樣周期(定時(shí)時(shí)間)可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。在定位實(shí)驗(yàn)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是用2節(jié)1.5 V的電池進(jìn)行供電，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的電源工作電壓低于2.5V的時(shí)候，定位精度即會(huì)受到影響，因此，設(shè)定報(bào)警低限為2.5 V，采樣周期為2 min。具體實(shí)現(xiàn)流程如下:

1)啟動(dòng)系統(tǒng)后，在硬件初始化時(shí)進(jìn)行定時(shí)器的初始化和配置，同時(shí)定義定時(shí)器溢出時(shí)的回調(diào)函數(shù);

2)在應(yīng)用層任務(wù)初始化時(shí)添加邏輯定時(shí)器到定時(shí)器鏈表，設(shè)置其溢出時(shí)對(duì)應(yīng)的任務(wù)和事件及定時(shí)時(shí)間，并啟動(dòng)該定時(shí)器;

3)邏輯定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)，其映射的硬件定時(shí)器隨之啟動(dòng)，且每1 ms產(chǎn)生一次中斷;

4)系統(tǒng)輪詢定時(shí)器和各層的任務(wù):當(dāng)硬件定時(shí)器有中斷時(shí)，調(diào)用定時(shí)器的回調(diào)函數(shù)，對(duì)定時(shí)器鏈表中的所有邏輯定時(shí)器計(jì)數(shù)時(shí)間統(tǒng)一進(jìn)行減1操作。當(dāng)電壓監(jiān)測(cè)定時(shí)器溢出時(shí)，設(shè)置電壓監(jiān)測(cè)事件標(biāo)志位，操作系統(tǒng)讀出其標(biāo)志位，對(duì)電壓監(jiān)測(cè)事件進(jìn)行處理;

5)處理函數(shù)中利用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)電源電壓采樣檢測(cè)，并與設(shè)定的報(bào)警下限比較，如果電壓過(guò)低則停止當(dāng)前的工作，斷開(kāi)與網(wǎng)絡(luò)的連接，在監(jiān)控終端顯示屏上閃爍，同時(shí)節(jié)點(diǎn)上的LED燈閃爍報(bào)警;當(dāng)大于報(bào)警下限時(shí)退出程序，重新添加邏輯定時(shí)器到定時(shí)器鏈表，回到步驟(2)。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證監(jiān)測(cè)效果，選擇開(kāi)放空間進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)(如圖4所示)。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)其中15個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電壓監(jiān)測(cè)，為保證電壓值的穩(wěn)定，當(dāng)節(jié)點(diǎn)上的LED燈閃爍10次以上時(shí)再測(cè)量節(jié)點(diǎn)的電壓值，所得結(jié)果，如表1所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程Fig 4 Experimental process

表1 節(jié)點(diǎn)報(bào)警時(shí)測(cè)得的電壓值Tab 1 Measured voltage value while node is alarming

由表可見(jiàn)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓低于設(shè)定的報(bào)警下限時(shí)，可以報(bào)警;當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓接近報(bào)警下限時(shí)，報(bào)警狀態(tài)并不穩(wěn)定，有時(shí)閃爍十幾次，有時(shí)閃爍幾十次，只有電源工作電壓低于報(bào)警下限0.03 V右時(shí)，LED燈才會(huì)一直閃爍而完全停止當(dāng)前的工作。這是因?yàn)椴煌墓ぷ鳡顟B(tài)，節(jié)點(diǎn)工作電流不同，造成電池內(nèi)部壓降不同，即電源的工作電壓隨著不同的工作狀態(tài)有波動(dòng)。為此，設(shè)定節(jié)點(diǎn)電壓在低于報(bào)警下限工作20 s，即在電源工作電壓穩(wěn)定后，閃爍節(jié)點(diǎn)上的LED燈。這時(shí)上述現(xiàn)象消失，LED燈能夠連續(xù)閃爍，進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。

5 結(jié)論

當(dāng)前在無(wú)線定位應(yīng)用中的CC2430/31芯片，不能定期進(jìn)行電池剩余電量監(jiān)測(cè)，本文對(duì)此進(jìn)行了功能上的完善，在Zig Bee協(xié)議棧中添加邏輯定時(shí)器，利用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓的采樣，定時(shí)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電壓，以保證節(jié)點(diǎn)在定位應(yīng)用中不會(huì)因?yàn)殡姵仉娏康牟蛔愣霈F(xiàn)定位精度偏差的現(xiàn)象。同時(shí)也為其他以電池板供電的無(wú)線傳感器網(wǎng)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電池電量的監(jiān)測(cè)提供了一種切實(shí)可行的方法。

［1］Wang W D，Zhu Q X.RSS-based Monte-Carlo localization for mobile sensor networks［J］.The Institution of Engineering and Technology，2008，2(5):673－681.

［2］Farahani S.Newnes Zig Bee wireless networks and transceivers［M］.The United States:Elsevier Ltd，2008.

［3］高守偉，吳燦陽(yáng).Zig Bee技術(shù)實(shí)踐教程——基于CC2430/31的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［4］閆 沫.Zig Bee協(xié)議棧分析與設(shè)計(jì)［D］.上海:復(fù)旦大學(xué)，2007.

［5］Aamodt K.Using the ADC to measure supply voltage［DB/OL］.［2011—06—11］.http:∥www.ti.com/lit/an/swra100a/swra100a.pdf.