1 概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）是當(dāng)前信息技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向之一，它綜合了傳感器技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，是一種通過無線通信方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量體積小、功耗低、具有無線通信、傳感和數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，它一般由傳感器模塊（傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器）、處理器模塊（微處理器、存儲(chǔ)器）、無線通信模塊（無線收發(fā)器）和能量供應(yīng)模塊（電池）組成。

本文研發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選用Chipcon公司低功耗低成本單片收發(fā)芯片CC1100作為無線通信模塊，將其通過SPI串行總線技術(shù)與MCU（MSP430F1611）相連。采用加州大學(xué)伯克利分校人員專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS作為軟件平臺(tái)。

2 設(shè)計(jì)需求分析

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量資源受限的節(jié)點(diǎn)組成。資源受限的特點(diǎn)決定了在選擇無線收發(fā)芯片以及開發(fā)驅(qū)動(dòng)時(shí)，必須滿足低功耗，并實(shí)現(xiàn)收發(fā)分組的基本功能。節(jié)點(diǎn)對(duì)CC1100的主要功能要求如下：發(fā)送時(shí)把MCU遞交過來的數(shù)據(jù)封裝成幀并實(shí)現(xiàn)分組發(fā)送；接收時(shí)完成分組接收后把數(shù)據(jù)提取出來交給MCU.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)比特所消耗的能量約等于其處理器進(jìn)行1 000次32位加法運(yùn)算消耗的能量[1],因此，為了減少分組碰撞，降低因分組重發(fā)而消耗的能量，CC1100應(yīng)實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)之前的信道監(jiān)聽即載波監(jiān)聽功能。為了進(jìn)一步降低能耗，節(jié)點(diǎn)在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收時(shí)應(yīng)置于休眠狀態(tài)，并可以按指定方式激活，即具有休眠喚醒功能。具體設(shè)計(jì)需求如下：

（1）收發(fā)分組。這是CC1100需要實(shí)現(xiàn)的主要功能，CC1100在發(fā)送數(shù)據(jù)前，要完成數(shù)據(jù)的分組封裝，CC1100無線通信協(xié)議的分組格式如下：

其中，前導(dǎo)碼是一連串的10101010?,其數(shù)量為8n個(gè)比特，n的大小由用戶編程決定。同步字的內(nèi)容和數(shù)量均可編程確定，長度為數(shù)據(jù)域的字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)域內(nèi)容為MCU遞交的數(shù)據(jù)，CRC校驗(yàn)可以編程選擇使用，灰色部分均可編程選擇。

（2）載波監(jiān)聽。由于無線傳感器中節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，節(jié)點(diǎn)密度大，如果不加控制就互相通信，必然會(huì)發(fā)生分組碰撞。為了減少碰撞機(jī)會(huì)，提高節(jié)點(diǎn)能量效率，本文通過CC1100的電平檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)載波監(jiān)聽。CC1100提供了2種載波監(jiān)聽方式：絕對(duì)門限監(jiān)聽和相對(duì)門限監(jiān)聽。絕對(duì)門限監(jiān)聽是當(dāng)信道電平超過某個(gè)指定數(shù)值時(shí)通知信道忙，相對(duì)門限監(jiān)聽是當(dāng)信道電平增加量超過指定倍數(shù)（如6 dB）時(shí)，檢測(cè)為信道忙。絕對(duì)門限監(jiān)聽需要大量信道特性統(tǒng)計(jì)來設(shè)置絕對(duì)門限電平值，相對(duì)門限監(jiān)聽方式可以避免上述工作且能適應(yīng)時(shí)變?cè)肼晥龊稀Ｔ诒疚捻?xiàng)目中采用相對(duì)門限來監(jiān)聽信道，效果很好。

（3）睡眠喚醒。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限，因此在不必要的情況下，應(yīng)盡量減少節(jié)點(diǎn)上硬件資源的活動(dòng)時(shí)間，在多數(shù)情況下，無線模塊應(yīng)處于休眠狀態(tài)。CC1100通過發(fā)送一個(gè)命令控制器可以關(guān)掉無線收發(fā)模塊。類似地，發(fā)送一個(gè)喚醒命令控制器可以激活該模塊。實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)時(shí)，筆者把上述命令封裝在一個(gè)接口中，供上層調(diào)用。

3 硬件連接關(guān)系

節(jié)點(diǎn)上MCU與無線收發(fā)模塊的硬件連接關(guān)系如圖1所示。左側(cè)是MCU,采用美國Texas Instruments（TI）公司生產(chǎn)的超低功耗微處理器MSP430F1611,它是一個(gè)16 位、具有精簡指令集（RISC）、超低功耗的混合型單片機(jī)，其片上集成了豐富的外圍模塊，包括看門狗、定時(shí)器、硬件乘法器、A/D轉(zhuǎn)換器等，根據(jù)其運(yùn)行打開的模塊數(shù)目不同（即采用不同的工作模式），芯片的功耗有著顯著差異，除了正常的活動(dòng)模式外，它具有5種低功耗模式（LPM0~LPM4），在等待方式下，其電流僅為0.7 μA,在深睡眠情況下，最低電流僅為0.1 μA [2].右側(cè)是無線收發(fā)模塊CC1100,它是Chipcon公司采用0.18 μm CMOS技術(shù)生產(chǎn)的低功耗多頻段無線收發(fā)芯片，具有尺寸小、功耗低、靈敏度高、獨(dú)立的64字節(jié)收發(fā)緩存（TXFIFO/ RXFIFO）、數(shù)字化接收信號(hào)強(qiáng)度輸出（RSSI）等特點(diǎn)，并有前向糾錯(cuò)和數(shù)據(jù)白化等硬件處理模塊。它還具有3個(gè)通用數(shù)字輸出引腳GDOx（x=1~3），在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以通過寄存器配置讓它們?yōu)樯蠈訉?shí)時(shí)提供信道或分組狀態(tài)[3].在硬件平臺(tái)上，CC1100的4個(gè)SPI通信管腳（SI, SO, SCLK, CSn）分別連接到相應(yīng)MSP430F1611的4個(gè)SPI串行通信引腳，即MOSI, MISO, UCLK, MCLK上。通過這4根線，處理器可以對(duì)CC1100進(jìn)行寄存器讀寫和功能配置。由于CC1100只是從機(jī)模式，因此處理器只能采用主機(jī)模式。另外，本項(xiàng)目采用了其中2個(gè)通用數(shù)字輸出引腳GDO0和GDO2,分別用來實(shí)現(xiàn)分組發(fā)送指示和載波監(jiān)聽指示。

圖1 CC1100與MSP430F1611的硬件連接關(guān)系

CC1100與MSP430F1611通信時(shí)，時(shí)鐘源由MSP430F1611提供，經(jīng)過配置處理器寄存器，本文采用其外圍時(shí)鐘模塊的系統(tǒng)子時(shí)鐘SMCLK.它們的通信方式為SPI串行通信方式。SPI通信是一種高速、全雙工的同步總線通信技術(shù)，其硬件功能很強(qiáng)大，僅通過4個(gè)管腳，就可以在主機(jī)時(shí)鐘源SCLK節(jié)拍的控制下，通過2個(gè)雙向移位寄存器實(shí)現(xiàn)CC1100與MSP430F1611的串行數(shù)據(jù)交換。CSn引腳主要用來控制數(shù)據(jù)通信的同步性，在CC1100和MSP430F1611通信期間，要始終保證CSn引腳電平為低。

4 軟件平臺(tái)

TinyOS操作系統(tǒng)是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用較廣泛的操作系統(tǒng)，它是UC Berkeley開發(fā)的源代碼開放式操作系統(tǒng)，專門為無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。它基于組件的架構(gòu)方式，可以快速實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用。此外，其輕量級(jí)線程技術(shù)、事件驅(qū)動(dòng)模式、主動(dòng)消息通信技術(shù)等思想極大提高了節(jié)點(diǎn)的資源利用率[2].TinyOS環(huán)境下編程語言為NesC,NesC是對(duì)C語言的擴(kuò)展，擴(kuò)展的目的是將C的模塊化思想與TinyOS的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制結(jié)合起來。為了支持組件化編程模式，NesC語言引入了接口和組件的概念。接口是一系統(tǒng)功能類似或相關(guān)的函數(shù)聲明，根據(jù)不同方向命名為命令或事件，具體實(shí)現(xiàn)在提供或使用該接口的組件中。組件包括配件和模塊，配件負(fù)責(zé)把不同組件通過接口連接起來，模塊提供程序所需的代碼實(shí)現(xiàn)。組件中的接口是雙向的，它給出使用者可以調(diào)用的命令或必須處理的事件。不同組件之間通過接口靜態(tài)連接，以提高程序的運(yùn)行效率，增加程序的魯棒性。NesC的并發(fā)模型是基于"運(yùn)行到結(jié)束"的任務(wù)實(shí)現(xiàn)的，程序運(yùn)行任務(wù)時(shí)，硬件中斷服務(wù)程序能搶占任務(wù)，且在中斷服務(wù)程序中也可能出現(xiàn)其他中斷服務(wù)程序來搶占的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)多級(jí)中斷嵌套。但由于中斷處理程序只做少量工作，會(huì)很快執(zhí)行完畢，因此沒有提交成功的任務(wù)不會(huì)被無限期掛起。

5 CC1100驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

在TinyOS中，硬件抽象體系結(jié)構(gòu)（Hardware Abstract Architecture, HAA）一般有3個(gè)不同的抽象層次，根據(jù)不同需要，可以靈活地實(shí)現(xiàn)不同芯片、不同平臺(tái)、甚至不同系統(tǒng)間的程序調(diào)用。但考慮到代碼數(shù)量、程序復(fù)雜度、節(jié)點(diǎn)資源等因素，在設(shè)計(jì)CC1100驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，需要借鑒TinyOS 3層抽象體系外，并兼顧節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力和運(yùn)算能力。

5.1 TinyOS中的硬件抽象體系結(jié)構(gòu)

TinyOS 中的硬件抽象體系結(jié)構(gòu)一般分為3層，如圖2所示，分別為硬件表示層（HPL）、硬件抽象層（HAL）和硬件接口層（HIL）[4].通過對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行不同層次的抽象，可以在系統(tǒng)開發(fā)中有區(qū)別地向上層屏蔽硬件特征，從而實(shí)現(xiàn)在不同程度上隔離上層組件和物理平臺(tái)，便于程序移植。在功能上，硬件抽象組件相當(dāng)于底層硬件的驅(qū)動(dòng)程序，上層組件通過硬件抽象組件提供的接口進(jìn)行調(diào)用。

圖2 TinyOS 中的硬件抽象體系結(jié)構(gòu)

在圖2中，硬件表示層通過存儲(chǔ)器或端口映射對(duì)硬件平臺(tái)上某個(gè)模塊（如通信模塊、存儲(chǔ)模塊等）進(jìn)行直接操作與控制，對(duì)上層屏蔽硬件特征，實(shí)現(xiàn)軟/硬件的分離，從而實(shí)現(xiàn)該模塊硬件功能的軟件語言表達(dá)。硬件接口層在硬件抽象層的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)該硬件的功能操作，這是該體系結(jié)構(gòu)的核心，通過調(diào)用該層接口，可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上某個(gè)模塊提供的全部功能。硬件接口層是針對(duì)平臺(tái)上不同芯片（如一個(gè)硬件平臺(tái)上的2個(gè)通信模塊CC1100和CC2420）的更高層次的抽象，它通過不同硬件抽象層提供的接口，把平臺(tái)上不同芯片的組件封裝成與底層組件芯片甚至硬件芯片無關(guān)的接口供高層調(diào)用，從而屏蔽不同芯片的差異，實(shí)現(xiàn)了兼容性較強(qiáng)的跨平臺(tái)抽象體 系結(jié)構(gòu)。

5.2 CC1100驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，由于CC1100硬件功能強(qiáng)大并能夠提供豐富的控制寄存器資源，通過對(duì)這些寄存器的配置可以實(shí)現(xiàn)基本功能，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，筆者側(cè)重于構(gòu)建一個(gè)合理的組件層次結(jié)構(gòu)，以便模塊的修改與跨平臺(tái)應(yīng)用。在筆者開發(fā)的節(jié)點(diǎn)上只有一個(gè)通信模塊CC1100,未涉及多個(gè)無線收發(fā)芯片，加上節(jié)點(diǎn)處理、存儲(chǔ)能力的限制，在滿足需求的前提下，本文只設(shè)計(jì)了TinyOS 硬件抽象體系3層中的下2層，從而達(dá)到縮減代碼、節(jié)約能量的目的。CC1100驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)體系如圖3所示。

圖3 CC1100驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)

在圖3中，硬件表示層配件HPLCC1100C向上層提供了3個(gè)接口：StdControl, Chipcon, CCFIFO,模塊HPLCC1100M完成對(duì)CC1100直接控制和基本功能的軟件表達(dá)，實(shí)現(xiàn)3個(gè)接口的全部命令執(zhí)行代碼。硬件抽象層配件CC1100RadioC向上層提供了4個(gè)接口：StdControl, PhyState, PhyPacket和CarriSns,模塊CC1100RadioM包含了CC1100全部功能的軟件實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合CC1100驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)，簡要介紹其主要功能，即收發(fā)分組。

HAL層的CC1100RadioM模塊是物理層組件結(jié)構(gòu)的高層，該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)分組的發(fā)送與接收、對(duì)無線發(fā)送模塊的狀態(tài)進(jìn)行控制以及載波監(jiān)聽功能。其中，StdControl接口主要完成無線收發(fā)模塊的初始化和CC1100的啟動(dòng)及停止；PhyState實(shí)現(xiàn)CC1100的各個(gè)工作狀態(tài)的切換，包括無線模塊的休眠和喚醒；PhyPacket實(shí)現(xiàn)分組的收發(fā)，高層組件可以直接調(diào)用該接口進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送或接收；CarriSns用來為上層提供載波監(jiān)聽功能，通過硬件引腳電平情況來判斷信道忙閑狀態(tài)。上述接口只是相關(guān)命令或事件的聲明，其真正實(shí)現(xiàn)在提供這些接口的模塊，即CC1100RadioM中。

HPL層的HPLCC1100M（）模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)無線通信模塊的直接控制和軟件表達(dá)，實(shí)質(zhì)是對(duì)CC1100各個(gè)寄存器進(jìn)行讀寫。該模塊為整個(gè)硬件平臺(tái)提供了SPI同步串行通信機(jī)制，向上層提供了StdControl, Chipcon, CCFIFO接口。其中，StdControl接口完成CC1100復(fù)位并初始化底層芯片，包括SPI通信時(shí)鐘源選擇、波特率設(shè)置、引腳輸入輸出方式以及無線收發(fā)模塊的射頻頻率、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)速率、信號(hào)檢測(cè)方式等；Chipcon接口實(shí)現(xiàn)控制寄存器讀寫操作和命令控制器的發(fā)送，以實(shí)現(xiàn)對(duì)CC1100的配置和控制，其實(shí)現(xiàn)方式是SPI串行通信，CCFIFO主要完成TXFIFO和RXFIFO的數(shù)據(jù)連續(xù)讀寫操作，主要是在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)供CC1100RadioM調(diào)用。上述接口只是相關(guān)命令或事件的聲明，其真正實(shí)現(xiàn)在提供這些接口的模塊即HPLCC1100M中。

當(dāng)上層組件把需要發(fā)送的數(shù)據(jù)遞交下來，并調(diào)用CC1100RadioM組件提供的接口PhyPacket中的發(fā)送命令時(shí)，CC1100RadioM會(huì)先調(diào)用HPLCC1100M中CCFIFO接口提供的寫FIFO命令把要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩存TXFIFO中，筆者使用CC1100的連續(xù)讀寫方式來實(shí)現(xiàn)。然后發(fā)送命令控制器STX使能CC1100開始發(fā)送分組，并把CC1100狀態(tài)切換到發(fā)送狀態(tài)。本文使用了CC1100的通用數(shù)字輸出引腳GDO2,通過適當(dāng)配置，該引腳電平會(huì)在CC1100發(fā)送/接收完前導(dǎo)碼時(shí)產(chǎn)生上升沿跳變，在整個(gè)分組發(fā)送/接收完成后產(chǎn)生下降沿跳變。可以通過查詢GDO2引腳電平來判斷分組是否寫入完畢。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)寫完以后，CC1100會(huì)按第2節(jié)所述的分組格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，上層組件通過查詢GDO2引腳確定分組發(fā)送完畢后，根據(jù)需要再發(fā)送命令控制器把CC1100置于空閑或休眠狀態(tài)。

接收分組時(shí)節(jié)點(diǎn)會(huì)先檢測(cè)信道中的前導(dǎo)碼，如果按指定方式檢測(cè)到指定數(shù)量的前導(dǎo)碼，CC1100的GDO2引腳電平會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上升沿跳變，上層組件得知引腳跳變后，會(huì)把CC1100切換到接收狀態(tài)并調(diào)用HPLCC1100M組件中的讀取接收緩存RXFIFO命令，然后開始讀取接收緩存，讀取完CC1100接收緩存中的分組并把有用數(shù)據(jù)提取出來交給上層后，可以根據(jù)需要把它置于空閑或休眠狀態(tài)。在程序?qū)崿F(xiàn)過程中，為了節(jié)約節(jié)點(diǎn)能源，減少M(fèi)SP430F1611的活動(dòng)時(shí)間，筆者沒有使用等待查詢方式而采用硬件中斷方式，即使用了GDO2引腳的電平跳變特點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)到前導(dǎo)碼時(shí)，觸發(fā)一個(gè)MSP430F1611端口中斷，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行了讀取接收緩存RXFIFO等操作，從而讓MSP430F1611更多時(shí)間處于休眠狀態(tài)，達(dá)到降低功耗的目的。

6 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量受限的特點(diǎn)決定了本文選擇和開發(fā)軟硬件的思路及方法。出于低功耗考慮，筆者選擇CC1100芯片，給出使用NesC語言在TinyOS環(huán)境下設(shè)計(jì)的基于SPI串行總線的CC1100驅(qū)動(dòng)程序。程序在本文節(jié)點(diǎn)上的實(shí)際應(yīng)用說明該程序?qū)崿F(xiàn)了基于MSP430F1611平臺(tái)的無線收發(fā)功能以及分組的正常收發(fā)。大量測(cè)試結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，具備載波監(jiān)聽、休眠喚醒等相關(guān)功能。