2 硬件設(shè)計(jì)
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、處理器模塊,、無線收發(fā)模塊,、電源模塊構(gòu)成,如圖2所示。

 
　　2．1 數(shù)據(jù)采集模塊
　　數(shù)據(jù)采集模塊直接與外界接觸進(jìn)行信息感知和采集,。它將采集的物理量通過積分,、放大電路的整形處理后經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送給處理器。
　　2．2 數(shù)據(jù)處理和控制模塊
　　數(shù)據(jù)處理和控制模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心,，它主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制,、任務(wù)調(diào)度,、資源管理等功能。作為硬件平臺(tái)的中心模塊,，應(yīng)該具有集成度高,，功耗低，運(yùn)行速度快,，I／O和擴(kuò)展接口多等特點(diǎn),，并應(yīng)適應(yīng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的需要?；谝陨显?，可以采用TI公司的 MSP430系列超低功耗處理器、高效的16位．RISC CPU確保任務(wù)的快速執(zhí)行,，以縮短工作時(shí)間,；可以從睡眠模式到活動(dòng)模式的6μs轉(zhuǎn)換時(shí)間延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，降低電池的功耗,；集成12位A／D轉(zhuǎn)換器,、溫度傳感器、FLASH程序存儲(chǔ)器和2 KB RAM,，具有豐富的端口資源,，可以與各種傳感器連接。
　　2．3 通信模塊
　　無線收發(fā)模塊主要完成傳感器節(jié)點(diǎn)之間,、節(jié)點(diǎn)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)交換功能,，這里采用Nordic公司的nRF24E1芯片。nRF24E1內(nèi)部集成了2．4 GHz的nRF2401無線收發(fā)器,，其增強(qiáng)型8051內(nèi)核和9輸入的10位A／D轉(zhuǎn)換器無線收發(fā)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn),、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信，具有體積小,，功耗低和外圍電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn),。對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一些只實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳送功能的節(jié)點(diǎn)可以由nRF24E1內(nèi)嵌的8051單片機(jī)進(jìn)行控制處理，所以可直接采用nRF24E1和傳感器模塊構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn),。然而,，對(duì)于數(shù)據(jù)處理要求高，功能復(fù)雜,，計(jì)算量大,，要為通信協(xié)議、功能協(xié)調(diào),、應(yīng)用處理等提供硬件支持的節(jié)點(diǎn)(如網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)),，則采用MSP430作為處理器，nRF24E1作為無線通信模塊，其連接圖如圖3所示,。

 
　　通過配置特殊寄存器,，可使nRF24E1工作在ShockBurst無線方式。數(shù)據(jù)低速輸入高速發(fā)送,，功耗極低,，并可通過軟件控制開關(guān)進(jìn)一步降低能耗。用MSP430的P1口控制nRF24E1,，通過配置CE,，PWR，CS三個(gè)控制管腳,，使芯片工作在不同的模式,。當(dāng)nRF24E1工作在發(fā)送方式時(shí)，接口引腳為CE,，CLK1和DATA,；當(dāng)CPU請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，置CE為高電平,。此時(shí)，將接收機(jī)地址和有效載荷數(shù)據(jù)送入nRF24E1,，置CE為低電平,，激活ShockBurst發(fā)射；當(dāng)nRF24E1工作在接收方式時(shí),，接口引腳為CE,，DR1，CLK1和DATA,。在正確設(shè)置射頻包輸入載荷的地址和大小后,，置CE為高電平。此后,，nRF24E1監(jiān)測(cè)信息輸入,，若收到有效數(shù)據(jù)包，則給處理器一個(gè)中斷,，并置DR1為高電平,，使處理器將有效載荷數(shù)據(jù)取走，待系統(tǒng)收到全部數(shù)據(jù)后再置DR1為低,。此時(shí),，如果CE保持高電平，則等待新的數(shù)據(jù)包,；若CE置低電平,，則開始其他工作流程。
　　2．4 電源模塊
　　傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有限，目前主要解決節(jié)約電能的方法是采用休眠機(jī)制,，即節(jié)點(diǎn)在沒有事件發(fā)生時(shí)盡快進(jìn)入休眠狀態(tài),；而在有事件發(fā)生時(shí)及時(shí)自動(dòng)醒來，并喚醒鄰居節(jié)點(diǎn),，形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),。在光線充足的地方采用太陽能電池代替化學(xué)電池，使節(jié)點(diǎn)有更長(zhǎng)的工作時(shí)間,。

        3 嵌入式操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可看作一個(gè)微型的嵌入式平臺(tái)。現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)大多是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),，很少考慮能源供應(yīng),，而且占用空間很大。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理能力,、電源及存儲(chǔ)能力有限,，采用TinyOS嵌入式系統(tǒng)，并引入輕線程,、主動(dòng)消息,、事件驅(qū)動(dòng)和組件化編程。TinyOS是一種專門為嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基于組件的操作系統(tǒng),，由nesC 語言實(shí)現(xiàn),，主要應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。TinyOS根據(jù)嵌入應(yīng)用可以輕易增減控制執(zhí)行的功能,，而且編譯器可避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)象,，可節(jié)省硬件資源，并能執(zhí)行多個(gè)快速響應(yīng)的控制操作,。
　　3．1 組件
　　TinyOS操作系統(tǒng)一般由Main組件(初始化硬件并執(zhí)行調(diào)度程序),、應(yīng)用組件(實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用功能)、系統(tǒng)組件(為應(yīng)用層組件提供服務(wù)),、HPL(硬件描述層)構(gòu)成,。這種體系結(jié)構(gòu)使得TinyOS非常方便用戶使用，增加了操作系統(tǒng)的移植性和軟件的復(fù)用性,。

　　3．2 接口
　　這里的接口是一個(gè)雙向通道,，它具有的功能和事件通知能力是雙向的，向調(diào)用者提供命令和實(shí)現(xiàn)命令者進(jìn)行事件通告,。代碼如下：

 
 
 
　　TinyOS應(yīng)用程序還要使用testSM,，GenericComm等組件實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的邏輯功能。test5M提供接口的命令,，并實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)用接口事件的響應(yīng),；GenericComm通過調(diào)用其他組件實(shí)現(xiàn)從消息包到主動(dòng)消息、位級(jí)數(shù)據(jù)傳送到無線電收發(fā)模塊的功能。為了能將TinyOS移植到節(jié)點(diǎn)平臺(tái)上,，需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)修改TinyOS中的初始化代碼,，編寫自己的BSP程序，達(dá)到移植操作系統(tǒng)的目的,。
　　GenericComm提供了256個(gè)消息收發(fā)接口,，采用CSMA／AD的MAC協(xié)議，消息到達(dá)組件test5M中,，receive事件就會(huì)立刻調(diào)用,。因此在這個(gè)事件中實(shí)現(xiàn)不同消息的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)通信雙方的握手：

 
　　4 結(jié) 語
　　在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)以超低功耗單片機(jī)MSP430為核心,，并結(jié)合了無線收發(fā)模塊nRF24E1的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。軟件開發(fā)平臺(tái)采用TinyOS操作系統(tǒng),，從硬件,、軟件等方面對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。