【導(dǎo)讀】傳感節(jié)點(diǎn)的研制。該智能無線傳感節(jié)點(diǎn)所采用的軟件開發(fā)系統(tǒng)是專用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的開。放源代碼的操作系統(tǒng)TinyOS，運(yùn)用該平臺可以完成節(jié)點(diǎn)的性能測試和試驗。以千計的潛在應(yīng)用可能。當(dāng)需要對諸如溫度、光通量、位移以及噪聲等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行不間。通過對環(huán)境待測參數(shù)的傳感數(shù)據(jù)分析來實現(xiàn)檢測目的。這一技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到國防軍事[1]、動物的習(xí)性觀測、材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、交通管理、醫(yī)療衛(wèi)生、災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域中。能，很多信號信息處理工作可在傳感節(jié)點(diǎn)附近局部完成，將大大減少所需傳輸?shù)男畔⒘浚绹匀豢茖W(xué)基金委員會2021年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃，投資3400. 萬美元用于支持該方面的基礎(chǔ)研究。在美國自然科學(xué)基金委員會的推動下，美國的加州大。絡(luò)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)的研究。英國、日本、意大利等國家的一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)也紛。紛開展了該領(lǐng)域的研究工作。研究取得了一些初步的研究成果。目前國內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　

【正文】 整個電路的 PCB 設(shè)計進(jìn)行全局考慮和設(shè)計： （ 1）整個 PCB 板采用 4 層電路板設(shè)計，增加電源層和地層，并將電源層和地層分別劃分成模擬電源、數(shù)字電源和模擬地、數(shù)字 地，以提高整個電路的抗干擾性。 （ 2）模擬部分與數(shù)字部分電路盡量分開，模擬器件和數(shù)字器件分別布置在電路板的上下兩面，避免模擬數(shù)字電路間的相互干擾。 （ 3）采用特性較好的鉭電容組成 LC 濾波電路，對 CC1000 的 AVCC 和 VCC 進(jìn)行專門的濾波處理。 （ 4） ATmega128 和 CC1000 晶振電路的走線，盡可能的短并遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)線、控制線。 （ 5）無線射頻電路的所有元件以 CC1000 為中心并緊靠其擺放，其中 VCO 電感的布局對通信效果有著明顯的影響，匹配網(wǎng)絡(luò)的元器件最好靠近 CC1000 的 ANT，以減小雜散電感和雜散電容。 （ 6）天線采用微型的 50 歐姆同軸高頻天線底座，配接長度為 （ 英寸） 圖 17 印刷電路板布線示意圖 的天線（頻段選擇在 915MHz）。圖 17 是采用 Protel 軟件設(shè)計的印刷電路板布線圖。 、節(jié)點(diǎn)的測試試驗 圖 18 是所研制的節(jié)點(diǎn)的外形示意圖，節(jié)點(diǎn)的外形尺寸（ 4cm）略大于兩節(jié) AA 電池，電路板采用四層板抗干擾設(shè)計，尺寸在以后的設(shè)計中可以進(jìn)一步減小。 需要說明的是，設(shè)計的節(jié)點(diǎn)僅僅包括處理器和無線通信模塊的無線通信和處理節(jié)點(diǎn)，并不包括傳 感器及其信號調(diào)理部分。 試驗中，采用 函數(shù)發(fā)生器輸入測試信號的方法模擬輸入的傳感器信號。測Xxx 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 30 試項目主要包括四個方面： 功耗、傳輸距離、采樣速率以及無線傳輸速率。 . 功耗測試 首先是測試節(jié)點(diǎn)的功耗，采用兩節(jié)五號 (AA)電池供電，在四個節(jié)點(diǎn)上采用 TinyOS 的CntToLedsAndRfm 應(yīng)用組件（每四秒鐘傳送一個 TOS 數(shù)據(jù)包并點(diǎn)亮三個 LED），無線射頻設(shè)定在 916MHz，傳送功率為 0dBm，該試驗的工作電流在 10－ 15mA 左右，其他例如對于 Flash、CPU 和編程的操作比該工作電流要高。表 5 是節(jié) 點(diǎn)采用不同容量電池供電時系統(tǒng)的工作壽命。試驗測得采用容量 2 1700mAh 的 AA電池時節(jié)點(diǎn)連續(xù)工作的時間為 170 小時。如果使 電池容量（ mAh） 工作壽命（ h） 1000 98 1700 170 3000 291 得該節(jié)點(diǎn)始終工作在超低功耗的工作狀態(tài)（小于 200uA），其工作時間將超過一年，可以滿足特定應(yīng)用場合對系統(tǒng)工作壽命的特殊要求。 、傳輸距離測試 節(jié)點(diǎn)的傳輸距離是和功耗密切聯(lián)系的，無線傳輸功率大的情況下功耗必定大，但同時其傳輸距離會增加。表 6 為設(shè)定不同的傳輸功率情況下試驗 中所測得的節(jié)點(diǎn)傳輸距離（實驗室環(huán)境）。該項測試同樣采用 TinyOS 的 CntToLedsAndRfm 應(yīng)用組件，以節(jié)點(diǎn)不能接收到圖 18 設(shè)計節(jié)點(diǎn)的外形示意圖 表 5 節(jié)點(diǎn)采用不同容量電池供電時系統(tǒng)的工作壽命 Xxx 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 31 數(shù)據(jù)包（即 LED 不閃亮）為傳輸距離的判定界限。 試驗測得的傳輸距離能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用中對傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離的要求，而且如果在野外空曠環(huán)境進(jìn)行測試，傳輸距離將會更遠(yuǎn)。 表 6 不同的傳輸功率情況下測得的節(jié)點(diǎn)傳輸距離 功率 P （ dBm） － 20 － 10 0 5 距離 L（ m） 11 33 、無線數(shù)據(jù)采集測試 節(jié)點(diǎn)的采樣速率和傳輸速率完全取決于 CPU 內(nèi)集成的 AD 轉(zhuǎn) 換器的采樣速率和無線收發(fā)器的傳輸速率， ATMEGA128 內(nèi)集成 AD 轉(zhuǎn)換器的采樣速率最高為 15kSPS（每秒鐘采樣），CC1000 的最高傳輸速率為 （采用曼徹斯特編碼）。試驗中利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生峰峰值為 250mA 的正弦波信號直接輸入至 AD 轉(zhuǎn)換器，通過兩個節(jié)點(diǎn)間的無線通信將信號直接顯示在 PC 上 (傳輸距離為 20 米 )， 圖 19 正弦波頻率為 1KHz 時的信號采集波形 Xxx 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 32 試驗中采用了 TinyOS 的示波器顯示程序 Oscilloscope（采樣計數(shù)器設(shè)為 10），圖 19 是正弦波頻率為 1KHz 時的信號采集波形，圖 20 8 是正弦波頻率為 2KHz 時的信號采集波形，可以看出 2KHz 時采集的數(shù)據(jù)包已經(jīng)不能很好地恢復(fù)出輸入波形了，但如果提高采樣的次數(shù)（即降低采樣計數(shù)器的值），能恢復(fù)輸入正弦波的頻率可以達(dá) 10KHz，能夠滿足一般應(yīng)用的需求；但如果需要更高的采樣頻率，可以考慮外接高速的 AD 轉(zhuǎn)換器。 上述針對功耗、傳輸距離、采樣速率以及無線傳輸速率的測試表明，本文所研制的智能無線傳感節(jié)點(diǎn)完全達(dá)到了設(shè)計要求，所提出的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法是可行的，依據(jù)該方法可以提高提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研制效率。 5 無線傳感網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺及嵌入式軟件設(shè)計 嵌入式軟件 開發(fā)流程 很多大型的嵌入式系統(tǒng)都可以采用底層開發(fā)語言如匯編語言進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，但是目前針對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，設(shè)計者最多的還是選用類似標(biāo)準(zhǔn) C 語言作為首選定開發(fā)語言，因為 C 語言是可以直接操作底層硬件的高級語言，利用 C 語言可以直接操作硬件地址和各種 I/O 設(shè)備以及存儲器，另外利用 C 語言可以構(gòu)造新的數(shù)據(jù)類型，其中最方便的就是利用結(jié)構(gòu)類型構(gòu)造新的數(shù)據(jù)類型。 針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的編程語言目前最流行的是 nesC 語言。利用 nesC 語言開發(fā)的 TinyOS 軟件開發(fā)系統(tǒng)是專門針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)，在 下一節(jié)中將詳細(xì)分析介紹其操作原理。 nesC 是一種 C 語法風(fēng)格、開發(fā)組件式結(jié)構(gòu)程序的語言，支持 TinyOS 的并圖 20 正弦波頻率為 2KHz 時的信號采集波形 Xxx 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 33 發(fā)模型，以及組織、命名和連接組件成為健壯的嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的機(jī)制。 本文采用基于 nesC 語言的設(shè)計方法，首先針對硬件模塊設(shè)計相應(yīng)的軟件模塊，然后利用 TinyOS 的并發(fā)模型組建應(yīng)用程序。圖 20 是系統(tǒng)軟件開發(fā)設(shè)計流程圖。在詳細(xì)介紹軟件模塊設(shè)計之前，需要深入分析專用的軟件開發(fā)平臺“ TinyOS”內(nèi)核及其構(gòu)建機(jī)制 。 圖 20 系統(tǒng)軟件開發(fā)設(shè)計流程圖 WSN 專用的軟件開發(fā)平臺“ TinyOS” 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件操作系統(tǒng) WSNOS 是 WSN 系統(tǒng)的基本軟件環(huán)境，是許許多多的 WSN 應(yīng)用軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。它并不是特定的系統(tǒng) /用戶界面，也不是特定的一系列系統(tǒng)服務(wù)，而是定義了一套通用的界面框架，允許應(yīng)用程序選擇服務(wù)和實現(xiàn)；它提供框架的模塊化，以便適應(yīng)硬件的多樣性，同時允許應(yīng)用程序重用通用的軟件服務(wù)和抽象。同其他操作系統(tǒng)一樣， WSNOS 是為了方便開發(fā)應(yīng)用，提供物理設(shè)備的抽象和高協(xié)調(diào)性的通用函數(shù)實現(xiàn)。它的獨(dú)特性在于，資源極端受限（處理器速度、存儲器大小、內(nèi)存大小、通訊帶寬、資源數(shù)量以及電源 受限），設(shè)備特殊性和缺乏一致的抽象層次。因此， WSNOS 是一個資源庫，可以從中抽取一部分組成應(yīng)用。它致力于提供有限資源的并發(fā)，而不是提供接口或形式。伯克利開發(fā)的 TinyOS 正是這樣一套 WSNOS 系統(tǒng)。 專用的、開放源碼的 WSNs 軟件操作系統(tǒng) TinyOS TinyOS 是一個開源的嵌入式操作系統(tǒng)，它是由加州大學(xué)的伯利克分校開發(fā)出來的，主要應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面。它是基于一種組件（ Component－ Based）的架構(gòu)方式，使得能夠快速實現(xiàn)各種應(yīng)用。 TinyOS 的程序采用的是模塊 化設(shè)計，所以它的程序核心往往都很?。ㄒ话銇碚f核心代碼和數(shù)據(jù)大概在 400Bytes 左右），能夠突破傳感器存儲資源少的限制，這能夠讓 TinyOS 很有效的運(yùn)行在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上并去執(zhí)行相應(yīng)的管理工作等。 TinyOS 本身提供了一系列的組件，可以很簡單方便的編制程序，用來獲取和處理傳感器的數(shù)據(jù)并通過無線電來傳輸信息?？梢园? TinyOS 看成是一個可以與傳感器進(jìn)行交互的 API 接口，它們之間可以進(jìn)行各種通訊。 TinyOS 在構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，它會有一Xxx 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 34 個基地控制臺，主要是用來控制各個傳感器子節(jié)點(diǎn)，并聚集 和處理它們所采集到的信息。TinyOS 只要在控制臺發(fā)出管理信息，然后由各個節(jié)點(diǎn)通過無線網(wǎng)絡(luò)互相傳遞，最后達(dá)到協(xié)同一致的目的，非常方便。 TinyOS 框架 圖 21 是 TinyOS 的總體框架。物理層硬件為框架的最底層，傳感器、收發(fā)器以及時鐘等硬件能觸發(fā)事件的發(fā)生，交由上層處理。相對下層的組件也能觸發(fā)事件交由上層處理。而上層會發(fā)出命令給下層處理。為了協(xié)調(diào)各個組件任務(wù)的有序處理，需要操作系統(tǒng)采取一定的調(diào)度機(jī)制。 圖 22 提供了 TinyOS 組件的所包括的具體內(nèi)容，包括一組命令處理函數(shù)，一組事件處理函數(shù)，一組任務(wù)集合和一個描述狀態(tài)信息和固定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的框架。除了 TinyOS 提供的處理器初始化、系統(tǒng)調(diào)度和 C 運(yùn)行時庫（ C RunTime） 3 個組件是必需的以外，每個應(yīng)用程序可以非常靈活地使用任何 TinyOS 組件。 圖 21TinyOS 的總體框架示意圖 這種面向組件的系統(tǒng)框架的優(yōu)點(diǎn)是：首先，“事件 命令 任務(wù)”的組件模型可以屏蔽低層細(xì)節(jié)，有利于程序員更方便地編寫應(yīng)用程序；其次，“命令 事件”的雙向信息控制機(jī)制，使得系統(tǒng)的實現(xiàn)更加靈活；再次，調(diào)度機(jī)制獨(dú)立成單獨(dú)的一塊，有利于為了滿足不同調(diào)度需求進(jìn)行的修改和升級。 Xxx 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 35 圖 22 TinyOS 組件的功能模塊 TinyOS 內(nèi)核 調(diào)度機(jī)制 TinyOS 的調(diào)度模型為任務(wù)加事件的兩級調(diào)度，調(diào)度的方式是任務(wù)不搶占事件要搶占，調(diào)度的算法是簡單的 FIFO，任務(wù)隊列是功耗敏感的。調(diào)度模型有以下的特點(diǎn)： （ 1）基本的任務(wù)單線程運(yùn)行到結(jié)束，只分配單個任務(wù)棧，這對內(nèi)存受限的系統(tǒng)很重要。 （ 2） FIFO 的任務(wù)調(diào)度策略是電源敏感的。當(dāng)任務(wù)隊列為空，處理器休眠，等待事件發(fā)生來觸發(fā)調(diào)度。 （ 3）兩級的調(diào)度結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)優(yōu)先執(zhí)行少量同事件相關(guān)的處 理，同時打斷長時間運(yùn)行的任務(wù)。 （ 4）基于事件的調(diào)度策略，只需少量空間就可獲得并發(fā)性，并允許獨(dú)立的組件共享單個執(zhí)行上下文。同事件相關(guān)的任務(wù)集合可以很快被處理，不允許阻塞，具有高度并發(fā)性。 TinyOS 只是搭建好了最基本的調(diào)度框架，只實現(xiàn)了軟實時，而無法滿足硬實時，這對嵌入式系統(tǒng)的可靠性會產(chǎn)生影響。同時，由于是單任務(wù)的內(nèi)核，吞吐量和處理器利用率不高，因此有可能需要設(shè)計多任務(wù)系統(tǒng)。為保證系統(tǒng)的實時性，多采用基于優(yōu)先級的可搶占式的任務(wù)調(diào)度策略。依賴于應(yīng)用需求，出現(xiàn)了許多基于優(yōu)先級多任務(wù)的調(diào)度算法的研究。[50]把 TinyOS 擴(kuò)展成多任務(wù)的調(diào)度，給 TinyOS 加入了多任務(wù)的調(diào)度功能，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。 [51]提出在 TinyOS 中實現(xiàn)基于時限（ deadline）的優(yōu)先級調(diào)度，有利于提高 WSN 系統(tǒng)的實時性。 [52]提出了一種任務(wù)優(yōu)先級調(diào)度算法來相對提高過載節(jié)點(diǎn)的吞吐量以解決本地節(jié)點(diǎn)包過載的問題。 總之，調(diào)度決定了處理器的功耗，如 TinyDB 就是使用好的調(diào)度策略來降低功耗的。Xxx 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計 36 更為重要的是，各種調(diào)度算法也能更好地提高處理器的響應(yīng)速度，從而提高系統(tǒng)的可靠性。各種基于 TinyOS 調(diào)度算法的擴(kuò)展研究， 各自獨(dú)立地使得高可靠性和低功耗分別得到滿足。 中斷 在 TinyOS 中，代碼運(yùn)行方式為響應(yīng)中斷的異步處理或同步地調(diào)度任務(wù)。 TinyOS 的每一個應(yīng)用代碼里，約有 41%64%的中斷代碼 [53]，可見中斷的優(yōu)化處理非常重要。對于低功耗的處理而言，需要長時間休眠，可以通過減少中斷的開銷來降低喚醒處理器的功耗。目前通過禁用和打開中斷來實現(xiàn)原子操作，這個操作非常的短暫（幾個時鐘周期cycles）。然而，讓中斷關(guān)掉很長時間會延遲中斷的處理，造成系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍。 TinyOS 的原子操作能工作得很好是因為 它阻止了阻塞的使用也限制了原子操作代碼段的長度，而這一些條件的滿足是通過 nesC[53]編譯器來協(xié)助處理的。由于 nesC 編譯器對 TinyOS 做靜態(tài)的資源分析以及其調(diào)度模式?jīng)Q定了中斷不允許嵌套。在多任務(wù)模式下，中斷嵌套可以提高實時響應(yīng)速度。 時鐘同步 TinyOS 提供獲取和設(shè)置當(dāng)前系統(tǒng)時間的機(jī)制，同時，在 WSN 網(wǎng)絡(luò)中提供分布式的時間同步。 TinyOS 是以通訊為中心的操作系統(tǒng)，因此更加注重各個節(jié)點(diǎn)的時間同步。如：傳感器融合應(yīng)用程序收集一組從不同地方讀來的信息（如：較短距離位置需要建 立暫時一致的數(shù)據(jù)）； TDMA 風(fēng)格的介質(zhì)訪問協(xié)議需要精確的時間同步；電源敏感的通訊調(diào)度需要發(fā)送者和接收者在他們的無線信號開始時達(dá)成一致等。 加州大學(xué)洛杉磯分校（ UCLA） [54] 、 Vanderbilt[55]和加州大學(xué)伯克利分校（ UCBerkeley） [56]分別用不同方法實現(xiàn)了時間同步。這 3 個實現(xiàn)都精確到子毫秒級，最初打算開發(fā)一個通用的、底層的時間同步組件，結(jié)果失敗了。應(yīng)用程序需要一套多樣的時間同步，因此只能把時鐘作為一種服務(wù)來靈活地提供給用戶取舍使用。 某些情況允