无线传感器网络汇聚节点的设计与实现

张周平

摘 要：由于传统的传感器采用的是电缆形式，它不仅使系统成本增加，而且也产生了许多不同信号之间的干扰。文章采用无线传感器网络（WSN）方法，大大减少了连接的规模，而且安装更容易，信号更稳定。与传统传感器相比，无线传感器网络具有预防性维护方便、成本低、适合恶劣环境应用等优点。文章对无线传感器网络中汇聚节点的重要性进行了分析和讨论，并给出了硬件平台和软件平台的详细设计。在硬件平台上，设计了LPC2214处理器和CC2530模块的无线通信装置。为了确保传感器节点的网络灵活性，ZigBee作为无线通信协议。通过μμC/OS-II实时操作系统提供设计软件系统。该设计满足水槽节点的要求，并成功应用于大型油船温度监测系统

关键词：无线传感器网络；ZigBee；sink节点；μc/OS-II；温度监测

引言

无线传感器网络的节点安装过程较为灵活，布线相对简单，通常情况下，通过电池等设备进行供电，对于远程设备可以实时监测，本文介绍了一种无线传感器网络汇聚节点的设计。其采用ARM处理器和CC2530作为硬件平台，以Zigbee作为无线通信协议，μC/OS-II为操作系统，完成了汇聚节点应具备的功能，并成功运用于大型油船的温度监控系统。

1 无线传感器网络汇聚节点介绍

无线传感器网络一般通过三个部分组合而成，分别是传感器节点、汇聚节点以及远程客户端三级网络系统，对特定环境的物理量进行检测和感知是通过传感节点完成的，通过把这些物理量转化成电量，以供整个系统进行判断和处理。汇聚节点在整个网络中有两部分作用，其一是对传感器节点传输过来的数据进行处理，其二是把远程控制中心的命令发送到每一个传感器节点。所以，汇聚节点同时和远程终端以及传感器节点进行通信。

2 汇聚节点的总体设计

2.1 硬件平台的设计

根据汇聚节点的工作特性，硬件平台选用LPC2214芯片作为中央处理器，其采用ARM7TDMI-S为内核，是ARM体系中的一款高端芯片。内含多个定时器和计数器；LPC2214集成多种通信接口，能较好地满足通信领域的要求。硬件连接图如图1所示。

汇聚节点不仅需要与远程终端进行通信，而且还需与传感器节点进行通信，其计算能力较强，速度较快，所以对系统进行通讯接口的扩展。在汇聚节点与传感器节点之间采用无线通讯方式满足无线传感器节点数目庞大、分布较广，且工作功耗低等要求，本系统选用Zigbee作为无线通讯协议。

为了保证数据传输的快速性和可靠性，同时考虑到汇聚节点与远程终端的距离，所以在汇聚节点与远程终端之间采用有线以太网的通讯方式。系统采用RTL8019AS作为以太网接口芯片，连接汇聚节点与远程终端。其硬件电路如图2所示。

在存儲器扩展方面，系统采用两片FLASH芯片SST39VF1601和两片SRAM芯片ISSIS61LV25616AL构成32位的存储系统。

供电单元为系统运行提供能量来源，其稳定工作是系统可靠的基本保证。在本系统中，LPC2214内核所需电压为1.8V，I/O口电压为3.3V，RTL8019AS和CC2530无线收发单元的供电电压为5V，SST39VF1601、JTAG、74AC125D等其他芯片供电电压为3.3V，因此系统正常工作需要3种电平不同的电源。结合实际的工程情况，最终确定系统输入电源电压为5V，在电路板上通过稳压芯片LM1084IS-3.3将5V变换为3.3V和稳压芯片LM1117-1.8将5V变换为1.8V，保证了系统中各芯片的供电要求和整个系统的功率分配。系统功能总框图如图3所示。

2.2 软件平台的设计

计算机系统由硬件和软件组成，汇聚节点的硬件平台以ARM处理器为核心，而目前流行的嵌入式操作系统主要有：μC/OS-II、uClinux、Windows CE和VxWorks等。以下为几种主流操作系统的简单介绍。

（1）μC/OS-II：μC/OS-II操作系统和其他操作系统的区别是其代码为完全开放的。并且μC/OS-II是具有多任务的操作系统，在同一时间可以对多种功能进行完成。大多数开发环境支持C语言，但是该操作系统是通过ANSI-C编写的，这为开发者提供了很多方便，也同时降低了开发的难度，对开发效率也得以提高。

（2）嵌入式uClinux：uClinux操作系统有较好的实用性，其性能稳定，移植性能好，网络功能好，最为重要的是含有丰富的API函数，为其具体的工程应用做好了接口准备，这也是它具有良好通用性的一个原因。

（3）Windows CE：Windows CE操作系统相比其他的操作系统，其通用性较差。但 Windows CE的用户交互界面较好，且Windows CE操作系统的诸多特点给编程开发工作都降低了很多难度，可以将每个部分进行整合组成一个新的整体。

操作系统的选择直接关系着硬件电路和应用程序的编写。由于μC/OS-II具有实时性高、可以移植性强和对硬件要求较低等独特的性质，结合硬件平台的相关参数，最后选择μC/OS-II作为无线传感器网络汇聚节点的操作系统。

3 系统调试

3.1 μC/OS-II移植调试

根据汇聚节点对操作系统的需求和硬件资源的实际情况，本设计中采用的操作系统具体版本为μC/OS-II V2.52。μC/OS-II操作系统的源代码较多，但由于其本身易于移植，大部分源代码不需更改，直接添加至工程中即可用。需要根据具体的工程进行修改的文件只有以下三个：OS_CPU.H，OS_CPU_A.ASM，OS_CPU_C.C。

根据硬件电路的资源，修改了与CPU相关的三个文件，下载汇聚节点电路板，电路板上LED指示灯开始闪烁，表明μC/OS-II系统移植成功。

3.2 以太网通讯调试

目前源码公开的TCP/IP协议主要为LWIP、μC/IP、μIP和TinyIP等。参考系统的硬件平台和软件环境，最后选择移植LWIP协议栈。

将LWIP协议移植完成后，编写具体的驱动程序。将汇聚节点电路板通过网线与计算机相连接，在计算机命令运行Ping命令后，可以发现网络传输丢包率为零，网络延迟最小为1ms，最大为6ms，平均延迟为3ms，满足数据传输要求。通过对TCP/IP协议程序的反复调试，具体分析逻辑结构和相关功能的实现，确保以太网能够稳定可靠地实现数据传输。

3.3 无线通讯模块调试

本系统采用CC2530无线通讯模块来实现传感器节点与汇聚节点的数据传输，在LPC2214与CC2530之间通过SPI总线来完成数据交换。

LPC2214含有丰富的外设接口，通过配置器的配置，能方便地实现SPI总线通信。CC2530采用增强型8051单片机作为处理器，集成功能强大的SPI接口。本设计中将CC2530作为SPI通讯中的从设备，主要负责将运程监控中心的数据传输到传感器节点，然后将传感器节点采集的数据发送到汇聚节点。

经过对SPI总线的反复跟踪调试，实现了数据在LPC2214和CC2530之间的稳定传输。

4 结束语

实验证明，以LPC2214为核心、基于μC/OS-II操作系统的汇聚节点能满足无线传感器网络的监控以及监控数据的处理和传输。同时此设计具有电路简单，性能稳定和功耗低等优势，是一种可靠的汇聚节点解决方案。

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