2 節(jié)點(diǎn)和基站硬件設(shè)計(jì)
　　節(jié)點(diǎn)和基站硬件都采用CC2431片上系統(tǒng)(SoC)作為處理核心。CC2431收發(fā)機(jī)采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)抵抗多徑效應(yīng)的穩(wěn)健性，并且具有較強(qiáng)抗復(fù)雜電磁環(huán)境干擾的能力。特別是其對(duì)同頻率噪聲具有極強(qiáng)的抑制能力，與收發(fā)機(jī)約定的碼片外的其他同頻率數(shù)據(jù)都將被認(rèn)為是噪聲而濾除。CC2431功能強(qiáng)大，使外圍電路得到大大的簡(jiǎn)化。加上采用PCB天線，使系統(tǒng)的節(jié)能性進(jìn)一步提高。
2.1 CC2431簡(jiǎn)介
　　CC2431片內(nèi)集成工業(yè)級(jí)低功耗8051 MCU，其內(nèi)部組件包括：128KB Flash和8KB RAM，2.4GHz頻段的頻率合成器，128bit AES安全協(xié)處理器，8路8～14bits ADC輸入，溫度傳感器，精確的定位引擎，具有DMA功能和電池監(jiān)測(cè)功能。其中頻率合成器內(nèi)含射頻協(xié)處理器，全面支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)^[1-2]。
　　CC2431外接電壓為2.0～3.6V，發(fā)射和接收時(shí)電流都為27mA，掉電和準(zhǔn)備模式電流分別為0.9?滋A和0.6?滋A；所需的外圍元件較少，所以具有較好的節(jié)能效果。
2.2 硬件電路
　　節(jié)點(diǎn)和基站硬件電路框圖如圖2所示，主要由電源、CC2431外圍電路、傳感器電路、Flash ROM、串行接口電路和三個(gè)LED指示燈構(gòu)成。

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　　電源部分由3節(jié)1.2V干電池為系統(tǒng)提供電能。在電源輸入端須接抑制各主要干擾諧波的濾波電容，然后分割出模擬電源和數(shù)字電源。數(shù)字電源直接接入主電源；模擬電源通過(guò)磁珠接入主電源。
　　CC2431的外圍電路較為簡(jiǎn)單，可根據(jù)CC2430數(shù)據(jù)手冊(cè)^[1]搭建(CC2431在CC2430基礎(chǔ)上加入定位引擎，主要數(shù)據(jù)都在CC2430數(shù)據(jù)手冊(cè)內(nèi))。需要注意的是，各模擬和數(shù)字電源引腳處必須加濾波或去耦電容；PCB天線部分須嚴(yán)格按照參考文獻(xiàn)[3]制作。
　　傳感器電路主要由紫外脈沖傳感器、超聲波傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器組成。
　　Flash ROM電路由一片Atmel公司出品的AT45DB041組成，直接接入CC2431 SPI輸入端。該芯片集成2 046頁(yè)×264B Flash存儲(chǔ)單元，用于存儲(chǔ)傳感器重要?dú)v史數(shù)據(jù)。
　　串行接口電路由一片低功耗MAX2323和COM母口組成。CC2431串口端接入MAX2323進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換通過(guò)COM口與PC上位機(jī)通信。
　　三個(gè)LED指示燈用于顯示節(jié)點(diǎn)和基站的運(yùn)行狀態(tài)。
3 軟件設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)主要論述TinyOS在本文硬件上的移植。由于整個(gè)移植工作包括眾多組件，本文以較為典型的RF組件的移植為例展開(kāi)論述。
3.1 TinyOS簡(jiǎn)介
　　TinyOS是加州大學(xué)Berkeley分校專(zhuān)門(mén)針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)的微型操作系統(tǒng)^[4]。TinyOS不是傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng)，確切地說(shuō)它是一個(gè)適用于網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)的編程框架，通過(guò)在這個(gè)框架內(nèi)鏈接一組必要的組件，就能方便地編譯出面向特定應(yīng)用的操作系統(tǒng)，這對(duì)于存儲(chǔ)資源極為有限的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)眾多的特點(diǎn)以及多并發(fā)操作的工作方式，該操作系統(tǒng)采用了事件驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)。
　　與通用操作系統(tǒng)相比，TinyOS更加簡(jiǎn)單可靠。TinyOS具有以下特點(diǎn)：
　　(1) 事件驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)；
　　(2) 單一的共享?xiàng)?share stack)；
　　(3) 無(wú)內(nèi)核、無(wú)進(jìn)程管理、無(wú)內(nèi)存管理和虛擬內(nèi)存。
　　TinyOS的應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由應(yīng)用層、硬件抽象層(HAL)和硬件表達(dá)層(HPL)構(gòu)成。應(yīng)用層由主組件和具體的應(yīng)用組件組成。主組件是一個(gè)簡(jiǎn)單的FIFO任務(wù)調(diào)度器。應(yīng)用組件結(jié)合具體的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行編寫(xiě)。硬件抽象層組件主要由感知組件、執(zhí)行組件和通信組件組成，為應(yīng)用層提供與硬件無(wú)關(guān)的各種功能。硬件表達(dá)層組件將硬件提供的各種功能以函數(shù)形式表達(dá)，供上層調(diào)用。層與層之間的互訪由接口文件完成。

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　　TinyOS的編程語(yǔ)言為nesC(C language for network embedded systems)。nesC對(duì)C作了擴(kuò)展，目的就是為了支持TinyOS的組件化編程模式。nesC有三種文件，分別為接口、模塊組件和配置組件。接口采用基于組件編程模式的nesC編程結(jié)構(gòu)，詳細(xì)描述了服務(wù)提供者和使用者之間的多功能交互；模塊組件實(shí)現(xiàn)具有一定功能的子系統(tǒng)；配置組件負(fù)責(zé)將各個(gè)子系統(tǒng)鏈接成完整的應(yīng)用。多個(gè)模塊組件和配置組件共同構(gòu)成TinyOS的應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序^[5]。
3.2 TinyOS移植實(shí)現(xiàn)
　　TinyOS在8051核上的移植不同于TinyOS在AVR/MSP430/PIC/ARM核的移植，因?yàn)閚esC編譯器ncc是基于GCC編寫(xiě)的，而GCC不支持對(duì)MCS-51系列核心的交叉編譯。
　　本次移植的總體流程如圖4所示：根據(jù)TinyOS上層組件接口的需要，用nesC編寫(xiě)硬件表達(dá)層和硬件抽象層文件。代碼只能按照nesC語(yǔ)法編寫(xiě)才能通過(guò)ncc編譯。編寫(xiě)完成后，結(jié)合上層應(yīng)用程序編譯出app.c文件。再將app.c文件通過(guò)perl語(yǔ)言編寫(xiě)的腳本將其原語(yǔ)法轉(zhuǎn)換為CC2431開(kāi)發(fā)環(huán)境" title="開(kāi)發(fā)環(huán)境">開(kāi)發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench for 8051支持的語(yǔ)法。再通過(guò)IAR編譯器編譯、調(diào)試和下載。

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　　下面主要以RF組件的移植為例來(lái)說(shuō)明移植具體過(guò)程。
3.2.1 編寫(xiě)HPL和HAL文件
　　圖5為CC2430RadioC配置文件的連接框圖。該文件為HAL文件，將下層的CC2430RadioM、CC2430ControlM、CC2430TimerM、HPLCC2430RFInterruptM、LedsC模塊連接成一個(gè)RF功能組件，向上層提供StdControl、BareSendMsg、ReceiveMsg、CC2430Control、SplitControl、MacControl、RadioCoordinator接口。根據(jù)上層應(yīng)用程序的不同，可以添加其他接口，但需要對(duì)配置文件和相關(guān)模塊作相應(yīng)的修改。

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　　CC2430RadioM是HAL文件，為RF組件功能的主要實(shí)現(xiàn)模塊，完成消息的接收和發(fā)送任務(wù)，包括數(shù)據(jù)幀封裝和各種MAC協(xié)議如CSMA/CA、MAC層會(huì)話協(xié)議等的實(shí)現(xiàn)。
　　CC2430ControlM是HPL文件，將RF各種控制動(dòng)作抽象為函數(shù)，供CC2430RadioM調(diào)用。
　　HPLCC2430RFInterruptM是HPL文件，主要處理與RF有關(guān)的中斷服務(wù)，為CC2430RadioM和CC2430ControlM提供事件信號(hào)。
　　CC2430TimerM是HPL文件，主要提供RF組件中MAC控制時(shí)鐘，如通過(guò)對(duì)SFD的捕獲而計(jì)算幀傳送時(shí)間。
　　LedsC模塊是HAL文件，以LED燈的形式為用戶(hù)提供RF組件運(yùn)行狀態(tài)的指示。
3.2.2 ncc編譯
　　編寫(xiě)完上層需要的HPL與HAL文件后，接下來(lái)結(jié)合某個(gè)應(yīng)用程序利用ncc進(jìn)行編譯。編譯前，須在appsmakerules文件里加入CC2431平臺(tái)參數(shù)和創(chuàng)建平臺(tái)配置文件.platform。
　　appsmakerules文件內(nèi)“PLATFORMS =”代碼后為各平臺(tái)名稱(chēng)，在此加入CC2431平臺(tái)。
　　.paltform文件創(chuàng)建在平臺(tái)目錄下。由于目標(biāo)平臺(tái)沒(méi)有IAR選項(xiàng)，所以平臺(tái)配置只能配置成keil。文件內(nèi)容如下：
　　@opts = ('-fnesc-target=keil', '-fnesc-no-debug');
　　經(jīng)過(guò)上兩步后，即可用ncc對(duì)應(yīng)用程序編譯生成app.c文件。
3.2.3 語(yǔ)法編輯腳本
　　語(yǔ)法編輯腳本用于app.c文件與IAR Embedded Workbench開(kāi)發(fā)環(huán)境的耦合。ncc編譯出來(lái)的app.c文件有部分語(yǔ)法與IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境的語(yǔ)法不兼容，因此須將不兼容的語(yǔ)法作相應(yīng)的修改。由于app.c文件代碼較長(zhǎng)，一般有幾千行，人工修改費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且容易出錯(cuò)，所以需用一個(gè)語(yǔ)法編輯腳本對(duì)不兼容代碼進(jìn)行修改。本文語(yǔ)法編輯腳本采用perl語(yǔ)言(Practical Extraction Report Language)編寫(xiě)。perl語(yǔ)言在Internet編程中應(yīng)用廣泛，具有語(yǔ)法簡(jiǎn)單、用途廣泛、跨平臺(tái)、面向?qū)ο?、嵌入文檔、可與C/C++鏈接及易調(diào)試等特點(diǎn)[6]。本文利用了其在文本編輯方面的強(qiáng)大功能。
　　所作修改的語(yǔ)法：
　　(1) 在 “typedef int sfr;” 、“typedef int sbit;”和DBG調(diào)試信息代碼、行命令代碼以及其他對(duì)IAR無(wú)用代碼前加 “//”屏蔽。
　　(2) 寄存器定義語(yǔ)句如 “sfr P0 __attribute((x80));”改為“SFR(P0,0x80)”。
　　(3) 外部數(shù)據(jù)訪問(wèn)語(yǔ)句“ ((unsigned char *)0)[addr]”改為“((unsigned char volatile __xdata *) 0)[addr]”。
　　(4)計(jì)算數(shù)據(jù)偏移量語(yǔ)句，如“(size_t )&((struct TOS_Msg *)0)->data”改為“(size_t)(unsigned long)&((struct TOS_Msg *)0)->data”。
　　(5) 去除64bit “l(fā)ong long”類(lèi)型，將所有“l(fā)ong long”類(lèi)型改為32bit “l(fā)ong”類(lèi)型。
　　(6) 中斷服務(wù)程序名如“void __attribute((interrupt)) __vector_16(void)”或“void __attribute((signal)) __vector_16(void)”改為“#pragma vector=RF_VECTOR_interrupt void RF_IRQ(void) ”
　　經(jīng)過(guò)以上修改后生成IARapp.c就可以用于IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境的調(diào)試了。
3.2.4? 調(diào)試和下載
　　調(diào)試和下載直接在IAR Embedded Workbench for 8051環(huán)境下進(jìn)行。這一步與其他開(kāi)發(fā)環(huán)境下的調(diào)試和下載相似[7]，不再贅述。
4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)
　　本次測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)合紫外脈沖傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，用火花放電模擬高壓絕緣子放電，測(cè)試時(shí)間為30分鐘。數(shù)據(jù)傳輸方式是使用TinyOS自帶的多跳路由(Multi-Hop Routing)算法，以?xún)商男问絺鬏敗９?jié)點(diǎn)每10秒發(fā)送前10秒鐘的放電脈沖數(shù)和平均溫度、濕度。測(cè)試結(jié)果表明在這種情況下，數(shù)據(jù)的接收率和正確率都為100%。這些數(shù)據(jù)可以為電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷提供依據(jù)。
　　但是，由于實(shí)際情況下，高壓絕緣子的放電時(shí)間分布具有一定的隨機(jī)性，并且與環(huán)境溫度和濕度有關(guān)。這樣對(duì)在線監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性就有較高要求。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所強(qiáng)調(diào)的節(jié)能性必須使節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。這個(gè)矛盾將設(shè)法通過(guò)跨層路由協(xié)議的算法予以解決。
　　本文詳細(xì)論述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)移植，及其應(yīng)用于電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線性減少了電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜度和有線連接隱患。其自組織、自適應(yīng)性方便了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建和擴(kuò)充。其網(wǎng)絡(luò)靈活性減小了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障對(duì)監(jiān)測(cè)工作的影響。
　　由于紫外脈沖監(jiān)測(cè)法是非接觸式的監(jiān)測(cè)方法，且監(jiān)測(cè)距離可以達(dá)到11米，減小了節(jié)點(diǎn)在被監(jiān)測(cè)設(shè)備具有強(qiáng)電磁場(chǎng)情況下所受的電磁干擾。
　　下一步將充分利用CC2431的節(jié)點(diǎn)定位引擎，加入節(jié)點(diǎn)定位程序，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位。然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)在不同電氣設(shè)備的工作環(huán)境，加入太陽(yáng)能發(fā)電、溫差發(fā)電等模塊，使無(wú)線傳感器電能管理更加靈活，并延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期。

參考文獻(xiàn)
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