【正文】 喚醒 MCU。方法是置位模擬比較器控制和狀態(tài)寄存器 ACSR 的位 ACD。（2）ADC 噪聲抑制模式：當(dāng) SM2..0 為 001 時，SLEEP 指令將使 MCU 進(jìn)入噪聲抑制模式。這個睡眠模式只停止了 clkI/O、clkCPU 和 clkFLASH，其他時鐘則繼續(xù)工作。ADC 使能的時候，進(jìn)入此模式將自動啟動一次 AD 轉(zhuǎn)換。（3）掉電模式：當(dāng) SM2..0 為 010 時，SLEEP 指令將使 MCU 進(jìn)入掉電模式。只有外部復(fù)位、看門狗復(fù)位、BOD 復(fù)位、兩線接口地址匹配中斷、外部電平中斷 INT7:4，或外部中斷 INT3:0 可以使 MCU 脫離掉電模式。當(dāng)使用外部電平中斷方式將 MCU 從掉電模式喚醒時，必須保持外部電平一定的時間。喚醒周期與由熔絲位 CKSEL 定義的復(fù)位周期是一樣的。這一模式與掉電模式只有一點不同：如果定時器/ 計數(shù)器 0 為異步驅(qū)動，即寄存器 ASSR 的 AS0 置位，則定時器/計數(shù)器 0 在睡眠時繼續(xù)運行。如果異步定時器不是異步驅(qū)動的，建議使用掉電模式，而不是省電模式。這個睡眠模式停止了除 clkASY 以外所有的時鐘，只有異步模塊可以繼續(xù)工作。這一模式與掉電模式唯一的不同之處在于振蕩器繼續(xù)工作。低功耗和信號的無線傳輸是無線傳感網(wǎng)絡(luò)得以快速發(fā)展的特點，但是在設(shè)計和選擇無線通信模塊時，必須首先保證采用的無線通信技術(shù)是可靠且高效的。 低功耗無線收發(fā)集成芯片 CC1000CC1000 是根據(jù) Chipcon 公司的 SmartRF 技術(shù)，在 CMOS 工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發(fā)通信芯片。它具有低電壓（～），極低的功耗，可編程輸出功率（20～10dBm），高靈敏度（一般 109dBm），小尺寸（TSSOP28 封裝），集成了位同步器等特點。圖 11 CC1000 的簡化模塊圖圖 11所示為 CC1000 的簡化模塊圖。射頻（Radio Frequency，RF）輸入信號經(jīng)低噪聲放大器（LNA）放大后翻轉(zhuǎn)進(jìn)入混頻器，通過混頻器混頻產(chǎn)生中頻（IF）信號。可選的 RSSI 信號和 IF信號也可通過混頻產(chǎn)生于引腳 RSSI/IF。在發(fā)送模式下，壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillators，VCO）輸出的信號直接送入功率放大器（PowerAmplifier，PA）。這種內(nèi)部 T/R 切換電路使天線的連接和匹配設(shè)計更容易。頻率合成器是由晶振（XOSC）、鑒相器（PD）、充電脈沖、VCO 以及分頻器（/R 和/N）構(gòu)成，外接的晶體必須與 XOSC 引腳相連，只有外圍電感需要與 VCO 相連。當(dāng)配置CC1000 不同的發(fā)射頻率時，外圍元器件參數(shù)也不同[46]。圖 13 是SmartRFStudio 的設(shè)計界面，通過該設(shè)計軟件可以快速的得出最優(yōu)化的阻抗匹配設(shè)計方案。一個完整的 CC1000 配置，要求發(fā)送 29 個數(shù)據(jù)幀，每個 16 位（7 個地址位，1 個讀/寫位和 8 個數(shù)據(jù)位）。在 10MHz 的 PCLK 頻率工作下，完成整個配置所需時間少于 60μs。所有寄存器都可讀。下一個發(fā)送的位是讀/寫位（高電平寫，低電平讀），在傳輸?shù)刂泛妥x/寫位期間，PALE （編程地址鎖存使能）必須保持低電平，接著傳輸 8 個數(shù)據(jù)位（D7： 0），如圖 14 所示。PDATA 在 PCLK 下降沿有效。經(jīng)過低電位狀態(tài)下編程的配置信息才會有效，但是不能關(guān)閉電源。首先，發(fā)送 7位地址位，然后讀/寫位設(shè)為低電平，用來初始化讀回的數(shù)據(jù)。此時，PDATA 用作輸出口，在讀回數(shù)據(jù)期間（D7：0），微控制器必須把它設(shè)成三態(tài)，或者在引腳開路時設(shè)為高電平。微控制器使用 3 個輸出引腳用于接口（PDATA、PCLK、PALE），與 PDATA相連的引腳必須是雙向引腳，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。當(dāng) PLL 鎖定時，該信號為邏輯高電平。表 4 CC1000 的串行接口時序圖15 CC1000 的讀操作時序圖圖16 ATmega128 與 CC1000 硬件連接原理圖當(dāng)調(diào)制數(shù)據(jù)時，CC1000 能被設(shè)置成三種不同的數(shù)據(jù)形式，分別為同步 NRZ模式、同步曼徹斯特碼模式、異步傳輸模式。通過 MAIN 寄存器控制低電平模式，有單獨的位控制接收部分、發(fā)射部分、頻率合成以及晶振，這種獨立控制使得設(shè)計更加方便，并盡可能的降低其電流損耗。通信的可靠性、抗干擾性又是無線通信電路設(shè)計所要解決的主要問題。（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。（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。（6）天線采用微型的 50 歐姆同軸高頻天線底座，配接長度為 （）圖17 印刷電路板布線示意圖的天線（頻段選擇在 915MHz）。、節(jié)點的測試試驗圖18是所研制的節(jié)點的外形示意圖，節(jié)點的外形尺寸（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。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。圖18 設(shè)計節(jié)點的外形示意圖. 功耗測試首先是測試節(jié)點的功耗，采用兩節(jié)五號(AA)電池供電，在四個節(jié)點上采用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。試驗測得采用容量21700mAh的AA電池時節(jié)點連續(xù)工作的時間為170小時。、傳輸距離測試節(jié)點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。該項測試同樣采用TinyOS的CntToLedsAndRfm應(yīng)用組件，以節(jié)點不能接收到數(shù)據(jù)包（即LED不閃亮）為傳輸距離的判定界限。表6 不同的傳輸功率情況下測得的節(jié)點傳輸距離功率P（dBm）－20－1005距離L（m）113無線數(shù)據(jù)采集測試節(jié)點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），（采用曼徹斯特編碼）。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)點的研制效率。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。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)的機制。圖 20是系統(tǒng)軟件開發(fā)設(shè)計流程圖。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)。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)。因此，WSNOS 是一個資源庫，可以從中抽取一部分組成應(yīng)用。伯克利開發(fā)的 TinyOS 正是這樣一套 WSNOS 系統(tǒng)。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 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。TinyOS 在構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，它會有一個基地控制臺，主要是用來控制各個傳感器子節(jié)點，并聚集和處理它們所采集到的信息。 TinyOS 框架圖 21是 TinyOS 的總體框架。相對下層的組件也能觸發(fā)事件交由上層處理。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)度機制。除了 TinyOS 提供的處理器初始化、系統(tǒng)調(diào)度和 C 運行時庫（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 22 TinyOS 組件的功能模塊 TinyOS 內(nèi)核 調(diào)度機制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。（2）FIFO 的任務(wù)調(diào)度策略是電源敏感的。（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，同時打斷長時間運行的任務(wù)。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。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)。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。[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?？傊?，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。各種基于 TinyOS 調(diào)度算法的擴展研究，各自獨立地使得高可靠性和低功耗分別得到滿足。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。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）。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。在多任務(wù)模式下，中斷嵌套可以提高實時響應(yīng)速度。TinyOS 是以通訊為中心的操作系統(tǒng)，因此更加注重各個節(jié)點的時間同步。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。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。當(dāng)時間同步改變下層時鐘時，會導(dǎo)致應(yīng)用失敗。NTP 方案很容易在像 TinyOS 那樣對時間敏感的環(huán)境中出錯，因為時間即使早觸發(fā)幾毫秒都會引起無線信號或傳感器數(shù)據(jù)丟失。例如：在 TinyDB 應(yīng)用中，當(dāng)一個節(jié)點監(jiān)聽到來自于路由樹中父節(jié)點的時間戳消息后會調(diào)整自己的時鐘以使下一個通訊周期的開始時間跟父節(jié)點一樣。節(jié)點以自己的時鐘記錄事件，隨后用第三方廣播的基準(zhǔn)時間加以校正，精度依賴于對這段間隔時間的測量。設(shè)計高精度的時鐘同步機制是傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和應(yīng)用中的一個技術(shù)難點。例如：TinyDB 只要求時間同步到毫秒級，但需要快速設(shè)置時間。另外，還可以采取 Lamport 分布式同步算法，并不全部靠時鐘來同步。因為多個任務(wù)彼此無關(guān)，并不知道有其它任務(wù)的存在，如果共享同一種資源就會存在資源競爭的問題。TinyOS 中用 nesC 編譯器檢測共享變量有無沖突，并把檢測到的沖突語句放入原子操作或任務(wù)中來避免沖突（因為 TinyOS 的任務(wù)是串行執(zhí)行的，任務(wù)之間不能互相搶占）。如果需要，可以參照傳統(tǒng)操作系統(tǒng)(例如 μc/os)的方法，利用信號量來給多任務(wù)系統(tǒng)加上任務(wù)同步機制，使得提供的原子操作不是關(guān)掉所有的中斷，從而使得系統(tǒng)的響應(yīng)不會延遲。管道是無結(jié)構(gòu)的固定大小數(shù)據(jù)流，但可以建立消息郵箱和消息隊列來滿足結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的通信。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)包被收到，無線組件傳送一個緩沖區(qū)給應(yīng)用；應(yīng)用返回一個獨立的緩沖區(qū)給組件以備下一次接收。傳統(tǒng)的 OS 把復(fù)雜的緩沖區(qū)管理推給了內(nèi)核處理，以拷貝復(fù)雜的存儲管理以及塊接口為代價，提供一個簡單的、無限制的用戶模式。消息緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是固定大小的。無線棧使用這個緩沖區(qū)來裝下一個到達(dá)的消息。盡管只有 1 個組件，任何時候只有一個進(jìn)入給定緩沖區(qū)的指針，組件來回交換使用它們。不是預(yù)估大了而造成浪費就是小了造成系統(tǒng)崩潰，為了充分利用內(nèi)存，可以采用響應(yīng)快的簡單的 slab 動態(tài)內(nèi)存管理。通訊協(xié)議的好壞不僅決定通訊功耗的大小，同時也影響到通訊的可靠性（包的丟失率，包過載等）。 AM 通訊模型輕量級的AM通訊模型，它構(gòu)成TinyOS極小內(nèi)核的通訊系統(tǒng)，其他應(yīng)用都建立在這個通訊系統(tǒng)之上。所有的這些措施都是為了實現(xiàn)低功耗的通訊。特別是輕量級的 AM 體系結(jié)構(gòu)可作為杠桿來平衡擴展的通訊框架的需求和有效的靈活性。 WSN 通訊協(xié)議AM 為基礎(chǔ)的單跳協(xié)議和多跳協(xié)議，如 SMAC是其中一種單跳協(xié)議的低功耗實現(xiàn)；多跳通訊協(xié)議，主要解決自組織的網(wǎng)絡(luò)路由。SMAC 保持分段操作（splitphase）和無拷貝特性。為了讓一個耗時較長的操作盡快完成，一般來說都是將對這個操作的需求和這個操作的完成分開來實現(xiàn)，以便獲得較高的執(zhí)行效率。任兩個傳感器若在彼此的通訊覆蓋范圍內(nèi)，則這兩個傳感器可直接互相通訊，共享資源。若在兩個相距較遠(yuǎn)的傳感器之間通訊，可以尋找一個中間的傳感器作為轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點，采用接力的方式來完成通訊過程。這種多跳路由一般可采用樹狀結(jié)構(gòu)的集中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部路由和分發(fā)（dissemination）3 種形式。它包含父節(jié)點標(biāo)識多跳數(shù)或從樹根開始的深度（即：父節(jié)點的多跳數(shù)加 1）。設(shè)計的關(guān)鍵問題是怎樣建立路由樹和怎樣維護(hù)以及怎樣轉(zhuǎn)發(fā)以便提高傳輸?shù)目煽啃圆⒔档凸?。WSN 系統(tǒng)中，基站連接到PC，發(fā)出廣播，接收到廣播的節(jié)點更新路由信息，并重新廣播給通過它自己可以連接到基站上的那些節(jié)點。為了防止路由循環(huán)，時間被分成多個時間段，每個時間段路由更新廣播一次。發(fā)送一個字節(jié)（byte）消耗的能量約等于 11000個 MCU 計算周期所消耗的能量[69]，或是收發(fā)一位（bit）消耗的能量相當(dāng)于 MCU處理 100 條指令；從總體的消耗來看，收發(fā)數(shù)據(jù)所消耗的能量也是最多的。兩種典型的低功耗監(jiān)聽方式：周期性多跳監(jiān)聽（PeriodicMultiHop Listening）和低功耗監(jiān)聽（Low Power Listening）。使用以上兩種監(jiān)聽方式帶來的降低功耗效果是顯著的。可以用電池壽命數(shù)據(jù)來說明使用了以上兩種監(jiān)聽方式帶來的低功耗的效果?？梢?，采用這兩種監(jiān)聽方式把電池的壽命從 3 天延長到幾年，對于應(yīng)用來說是具有突破性意義的。 電源管理服務(wù)所謂服務(wù)就是提供功能