【正文】 Intel 的下一代 Mote 原型[38]便采用這種策略來(lái)使得整個(gè)系統(tǒng)維持操作任務(wù)周期不超過(guò) 1%。兩者都不采用時(shí)電池只能使用 3 天；只采用微觀的低功耗監(jiān)聽(tīng)，電池可以使用 天；只采用宏觀的周期性多跳監(jiān)聽(tīng)，電池壽命明顯增加至 65 天；兩者都采用，電池壽命可以達(dá)到數(shù)年。在[69]中作了詳細(xì)的比較，兩者都不采用時(shí) MCU 和收發(fā)模塊的功耗都很大；只采用微觀的低功耗監(jiān)聽(tīng)，MCU 的功耗明顯降低，但是，收發(fā)模塊的功耗降低不是很顯著；只采用宏觀的周期性多跳監(jiān)聽(tīng)，MCU 和收發(fā)模塊的功耗都顯著降低；兩者都采用，MCU 的功耗幾乎為 0，收發(fā)模塊功耗顯著降低。宏觀上進(jìn)行周期性多跳監(jiān)聽(tīng)，設(shè)置周期性采樣的時(shí)間間隔來(lái)減少主機(jī)和通訊模塊的激活工作時(shí)間，例如：每 100 秒激活 10 秒，則減少了 90%的能耗，但是限制了實(shí)際的帶寬；微觀上進(jìn)行低功耗監(jiān)聽(tīng)，增加監(jiān)聽(tīng)頻率，把每 100 秒監(jiān)聽(tīng) 10 秒變成每 300微秒監(jiān)聽(tīng) 30 微秒，這樣可以在監(jiān)聽(tīng)不到任何信息的時(shí)候讓無(wú)線收發(fā)器處于休眠狀態(tài)，并且能夠在傳送 1/3 位信息的時(shí)間內(nèi)喚醒，但是需要額外花費(fèi)傳送 5 位信息的時(shí)間來(lái)檢測(cè)信息的有無(wú)。如果我們能夠讓收發(fā)模塊和 MCU 處于多數(shù)時(shí)間休眠，少數(shù)時(shí)間激活狀態(tài)，那么就能明顯地降低系統(tǒng)的總體功耗。 低功耗監(jiān)聽(tīng)協(xié)議（1）主機(jī)模塊 MCU 和收發(fā)模塊占據(jù)電源消耗的絕大部分比重；（2）Active（激活）狀態(tài)耗能最多，相對(duì)而言 Idle（休眠）狀態(tài)耗能最少；（3）收發(fā)模塊比 MCU 耗能要多很多。這些節(jié)點(diǎn)記住第一次監(jiān)聽(tīng)到的路由更新，就是相應(yīng)的到基站的最短路徑。主要用到兩種方法：鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)和連接質(zhì)量估計(jì)服務(wù)；支持包的封裝和監(jiān)視轉(zhuǎn)發(fā)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送一個(gè)包給父節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)再傳給其父節(jié)點(diǎn)，直到包到達(dá)樹(shù)根。比較普遍的是基于樹(shù)結(jié)構(gòu)的路由。利用這種方式可以增加無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通訊范圍，但隨著傳輸次數(shù)增加，數(shù)據(jù)的正確率會(huì)降低，傳輸過(guò)程的可靠性也降低。它具有對(duì)稱性，即 B 若在 A 的通訊范圍內(nèi)，則 A 也在 B 的通訊范圍內(nèi)；但往往由于某些外部條件的限制，可能會(huì)造成這種對(duì)稱的不協(xié)調(diào)。自組織（Ad hoc）的網(wǎng)絡(luò)路由是一種不需要網(wǎng)橋（AP）的無(wú)線對(duì)等傳輸模式。所謂分段操作即：在 TinyOS 中由于任務(wù)之間不能互相占先執(zhí)行，所以 TinyOS 沒(méi)有提供任何阻塞操作。簡(jiǎn)單介紹如下：SMAC 基于 RTS/CTS 調(diào)度，并返回?zé)o線消息來(lái)減少監(jiān)聽(tīng)的開(kāi)銷。而且基于事件處理函數(shù)觸發(fā)模訊（例如，同傳感器交互或執(zhí)行其它的應(yīng)用）。盡管 AM 源于大規(guī)模并行處理機(jī)和計(jì)算群集（Computing Cluster），但是一些基本概念也適用于資源受限的網(wǎng)絡(luò)小設(shè)備。AM 消息包含用戶級(jí)處理函數(shù)名稱和作為參數(shù)傳送的有效載荷，為了避免網(wǎng)絡(luò)阻塞和保證充分的性能，消息處理函數(shù)必須被很快地執(zhí)行和異步處理。TinyOS 為滿足這樣要求的通訊協(xié)議提供了基于輕量級(jí) AM 通訊模型的最小的通訊內(nèi)核。 通訊通訊協(xié)議是 WSNs 研究的另一大重點(diǎn)。靜態(tài)分配的內(nèi)存有可預(yù)測(cè)性和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但缺乏靈活性。一般情況下，一個(gè)組件在緩沖區(qū)用完后會(huì)將其返回，但是如果這個(gè)組件希望保存這個(gè)緩沖區(qū)待以后用，會(huì)返回一個(gè)靜態(tài)地本地分配緩沖區(qū)，而不是依靠網(wǎng)絡(luò)棧提供緩沖區(qū)的單跳通信接口。當(dāng) TinyOS 中的一個(gè)組件接收到一個(gè)消息，它必須釋放一個(gè)緩沖區(qū)給無(wú)線棧。AM 通訊模型不提供拷貝而且只提供非常簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)管理。通訊棧中管理緩沖區(qū)是很困難的。 TinyOS 內(nèi)存管理TinyOS 的原始通訊使用緩沖區(qū)交換策略來(lái)進(jìn)行內(nèi)存管理。在 TinyOS 中，由于是單任務(wù)的系統(tǒng)，不同的任務(wù)來(lái)自不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此采用管道的任務(wù)通信方式，也就是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信方式。TinyOS 單任務(wù)的模型避免了其他任務(wù)同步的問(wèn)題。它主要解決原子操作和任務(wù)間相互合作的同步機(jī)制。 任務(wù)通訊和同步任務(wù)同步是在多任務(wù)的環(huán)境下存在的。在 TinyDB 中，簡(jiǎn)單的，專用的抽象是種很自然的提供這種時(shí)間同步服務(wù)的方式，但是這種同步機(jī)制并不滿足所有需要的通用的時(shí)間同步。也有一些應(yīng)用更重視健壯性而不是最精確的時(shí)間同步。這種同步機(jī)制應(yīng)用在確定來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)事件的先后關(guān)系時(shí)有足夠的精度。它改變通訊間隔的睡眠周期持續(xù)時(shí)間而不是改變傳感器的工作時(shí)間長(zhǎng)度，因?yàn)闇p少工作周期會(huì)引起嚴(yán)重的服務(wù)問(wèn)題，如數(shù)據(jù)獲取失敗。目前 TinyOS 采用的方案是提供獲取和設(shè)置當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間的機(jī)制（TinyOS 的通訊組件 GenericComm 使用 hook 函數(shù)為底層的通訊包打上時(shí)間戳，以實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間同步[57]），同時(shí)靠應(yīng)用來(lái)選擇何時(shí)激活同步。某些系統(tǒng)，例如 NTP(network timeprotocol)通過(guò)緩慢調(diào)整時(shí)鐘率同鄰節(jié)點(diǎn)同步來(lái)規(guī)避這個(gè)問(wèn)題。某些情況允許逐漸的時(shí)間改變，但另一些則需要立即轉(zhuǎn)換成正確的時(shí)間。這 3 個(gè)實(shí)現(xiàn)都精確到子毫秒級(jí)，最初打算開(kāi)發(fā)一個(gè)通用的、底層的時(shí)間同步組件，結(jié)果失敗了。如：傳感器融合應(yīng)用程序收集一組從不同地方讀來(lái)的信息（如：較短距離位置需要建立暫時(shí)一致的數(shù)據(jù)）；TDMA 風(fēng)格的介質(zhì)訪問(wèn)協(xié)議需要精確的時(shí)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(wú)線信號(hào)開(kāi)始時(shí)達(dá)成一致等。 時(shí)鐘同步TinyOS 提供獲取和設(shè)置當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間的機(jī)制，同時(shí)，在 WSN 網(wǎng)絡(luò)中提供分布式的時(shí)間同步。由于 nesC 編譯器對(duì) 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。然而，讓中斷關(guān)掉很長(zhǎng)時(shí)間會(huì)延遲中斷的處理，造成系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍。對(duì)于低功耗的處理而言，需要長(zhǎng)時(shí)間休眠，可以通過(guò)減少中斷的開(kāi)銷來(lái)降低喚醒處理器的功耗。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)。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。[52]提出了一種任務(wù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法來(lái)相對(duì)提高過(guò)載節(jié)點(diǎn)的吞吐量以解決本地節(jié)點(diǎn)包過(guò)載的問(wèn)題。[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。為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，多采用基于優(yōu)先級(jí)的可搶占式的任務(wù)調(diào)度策略。TinyOS 只是搭建好了最基本的調(diào)度框架，只實(shí)現(xiàn)了軟實(shí)時(shí)，而無(wú)法滿足硬實(shí)時(shí)，這對(duì)嵌入式系統(tǒng)的可靠性會(huì)產(chǎn)生影響。（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(gè)執(zhí)行上下文。當(dāng)任務(wù)隊(duì)列為空，處理器休眠，等待事件發(fā)生來(lái)觸發(fā)調(diào)度。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(gè)任務(wù)棧，這對(duì)內(nèi)存受限的系統(tǒng)很重要。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(xiě)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(shí)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(jí)。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(gè)描述狀態(tài)信息和固定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的框架。而上層會(huì)發(fā)出命令給下層處理。物理層硬件為框架的最底層，傳感器、收發(fā)器以及時(shí)鐘等硬件能觸發(fā)事件的發(fā)生，交由上層處理。TinyOS 只要在控制臺(tái)發(fā)出管理信息，然后由各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)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?？梢园?TinyOS 看成是一個(gè)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 的程序采用的是模塊化設(shè)計(jì)，所以它的程序核心往往都很?。ㄒ话銇?lái)說(shuō)核心代碼和數(shù)據(jù)大概在 400Bytes 左右），能夠突破傳感器存儲(chǔ)資源少的限制，這能夠讓 TinyOS 很有效的運(yùn)行在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上并去執(zhí)行相應(yīng)的管理工作等。 專用的、開(kāi)放源碼的 WSNs 軟件操作系統(tǒng) TinyOSTinyOS 是一個(gè)開(kāi)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(kāi)發(fā)出來(lái)的，主要應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面。它致力于提供有限資源的并發(fā)，而不是提供接口或形式。它的獨(dú)特性在于，資源極端受限（處理器速度、存儲(chǔ)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。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(shí)現(xiàn)；它提供框架的模塊化，以便適應(yīng)硬件的多樣性，同時(shí)允許應(yīng)用程序重用通用的軟件服務(wù)和抽象。在詳細(xì)介紹軟件模塊設(shè)計(jì)之前，需要深入分析專用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)“TinyOS”內(nèi)核及其構(gòu)建機(jī)制。本文采用基于 nesC 語(yǔ)言的設(shè)計(jì)方法，首先針對(duì)硬件模塊設(shè)計(jì)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。利用 nesC 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的 TinyOS 軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)是專門(mén)針對(duì)無(wú)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。5無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)平臺(tái)及嵌入式軟件設(shè)計(jì) 嵌入式軟件開(kāi)發(fā)流程很多大型的嵌入式系統(tǒng)都可以采用底層開(kāi)發(fā)語(yǔ)言如匯編語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，但是目前針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)者最多的還是選用類似標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言作為首選定開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，因?yàn)?C 語(yǔ)言是可以直接操作底層硬件的高級(jí)語(yǔ)言，利用 C語(yǔ)言可以直接操作硬件地址和各種 I/O 設(shè)備以及存儲(chǔ)器，另外利用 C 語(yǔ)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。試驗(yàn)中利用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生峰峰值為250mA的正弦波信號(hào)直接輸入至AD轉(zhuǎn)換器，通過(guò)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信將信號(hào)直接顯示在PC上(傳輸距離為20米)，圖19正弦波頻率為1KHz時(shí)的信號(hào)采集波形圖20正弦波頻率為2KHz時(shí)的信號(hào)采集波形試驗(yàn)中采用了TinyOS的示波器顯示程序Oscilloscope（采樣計(jì)數(shù)器設(shè)為10），圖19是正弦波頻率為1KHz時(shí)的信號(hào)采集波形，圖20 8是正弦波頻率為2KHz時(shí)的信號(hào)采集波形，可以看出2KHz時(shí)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(jì)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。試驗(yàn)測(cè)得的傳輸距離能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用中對(duì)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(cè)試，傳輸距離將會(huì)更遠(yuǎn)。表6 為設(shè)定不同的傳輸功率情況下試驗(yàn)中所測(cè)得的節(jié)點(diǎn)傳輸距離（實(shí)驗(yàn)室環(huán)境）。如果使表5 節(jié)點(diǎn)采用不同容量電池供電時(shí)系統(tǒng)的工作壽命電池容量（mAh）工作壽命（h）10009817001703000291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(shí)間將超過(guò)一年，可以滿足特定應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)系統(tǒng)工作壽命的特殊要求。表5是節(jié)點(diǎn)采用不同容量電池供電時(shí)系統(tǒng)的工作壽命。測(cè)試項(xiàng)目主要包括四個(gè)方面：功耗、傳輸距離、采樣速率以及無(wú)線傳輸速率。需要說(shuō)明的是，設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)僅僅包括處理器和無(wú)線通信模塊的無(wú)線通信和處理節(jié)點(diǎn)，并不包括傳感器及其信號(hào)調(diào)理部分。圖17 是采用 Protel 軟件設(shè)計(jì)的印刷電路板布線圖。（5）無(wú)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(duì)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。（3）采用特性較好的鉭電容組成 LC 濾波電路，對(duì) CC1000 的 AVCC 和 VCC進(jìn)行專門(mén)的濾波處理。因而需對(duì)整個(gè)電路的 PCB 設(shè)計(jì)進(jìn)行全局考慮和設(shè)計(jì)：（1）整個(gè) PCB 板采用 4 層電路板設(shè)計(jì)，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(gè)電路的抗干擾性。 電路板設(shè)計(jì)及抗干擾措施在完成整個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)“Cute1”的印刷電路板的設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)線通信電路的設(shè)計(jì)以及模擬、數(shù)字電路的抗干擾設(shè)計(jì)是需要主要考慮和解決的問(wèn)題。為了滿足電池供電情況下嚴(yán)格的電源損耗要求，CC1000 提供了十分方便的電源管理方法。圖 16 為微控制器ATmega128 與 CC1000硬件連接原理圖。提供數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)的 DCLK 應(yīng)與微控制器輸入端相連，其余引腳用來(lái)監(jiān)視 LOCK 信號(hào)（在引腳 CHP_OUT）。讀操作的時(shí)序如圖 15 所示。接著，CC1000 從尋址寄存器中返回?cái)?shù)據(jù)。圖14 CC1000 寫(xiě)操作的編程時(shí)序圖微控制器通過(guò)相同的接口也能讀出配置寄存器。當(dāng) 8 位數(shù)據(jù)位中的最后一個(gè)字節(jié)位 D0 裝入后，整個(gè)數(shù)據(jù)字才被裝入內(nèi)部配置寄存器中。表 4 是對(duì)各時(shí)序參數(shù)的說(shuō)明。在每次寫(xiě)循環(huán)中，16 位字節(jié)送入 PDATA 通道，每個(gè)數(shù)據(jù)幀中 7 個(gè)最重要的位（A6：0）是地址位，A6 是 MSB（最高位），首先被發(fā)送。在低電位模式設(shè)置時(shí)，僅需發(fā)射一個(gè)幀，所需時(shí)間少于2μs。PCLK頻率決定了完全配置所需的時(shí)間。圖 12 CC1000 的典型應(yīng)用電路圖 13 CC1000 設(shè)計(jì)軟件 SmartRFStudioCC1000 可通過(guò)簡(jiǎn)單的三線串行接口(PDATA、PCLK 和 PALE) 進(jìn)行編程，有 36 個(gè) 8 位配置寄存器，每個(gè)由 7 位地址尋址。另外 CHIPCON 公司針對(duì) CC1000 設(shè)計(jì)有專門(mén)的阻抗匹配設(shè)計(jì)軟件 SmartRFStudio。 CC1000 射頻電路的設(shè)計(jì)CC1000 工作時(shí)外圍元件很少，典型的應(yīng)用電路如圖 12所示。頻率合成器產(chǎn)生的本振信號(hào)，在接收狀態(tài)下送入功放。射頻輸出是通過(guò)加在 DIO 腳上的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制的，稱為移頻鍵控（Frequency Shift Key，F(xiàn)SK）。解調(diào)后，CC1000 從引腳 DIO 輸出解調(diào)數(shù)字信號(hào)，解調(diào)信號(hào)的同步性由芯片上的 PCLK 提供的時(shí)鐘信號(hào)完成。在中頻處理階段，該信號(hào)在送入解調(diào)器之前被放大和濾波。在接收模式下，CC1000 可看成是一個(gè)傳統(tǒng)的超外差接收器。其 FSK 數(shù)傳可達(dá) ，具有 250Hz 步長(zhǎng)可編程頻率能力，適用于跳頻協(xié)議；主要工作參數(shù)能通過(guò)串行總線接口編程改變，使用非常靈活。它的工作頻帶在31868及915MHz，但 CC1000 很容易通過(guò)編程使其工作在 300～1000MHz 范圍內(nèi)。本文設(shè)計(jì)選用的無(wú)線通信 SmartRF 技術(shù)屬于低成本的頻率調(diào)制無(wú)線射頻技術(shù)，依據(jù)上一章給出的硬件體系架構(gòu)，選