基于CC2538和Contiki的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

0 引言

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)控、智慧城市、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛 [1,2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中一個(gè)非常重要領(lǐng)域就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

（WSN）[3,4]。WSN 通過(guò)部署一定數(shù)量由電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)，組成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，可以方便地采集周?chē)h(huán)境的各種變化情況，例如溫度、濕度、照度等信息，也可以采集人體的各項(xiàng)生理指標(biāo)，例如心跳、血壓等信息。WSN 技術(shù)可以應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、老人健康護(hù)理、停車(chē)場(chǎng)管理、交通管理、智能家居等很多領(lǐng)域。

本文中采用 TI 公司的 CC2538 芯片和開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)操作系 統(tǒng) Contiki[5]，設(shè)計(jì)了用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)在空間中布置傳感器節(jié)點(diǎn)，采集各點(diǎn)的監(jiān)控信息， 并通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí) 時(shí)顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

WSN 中各傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，為了增加電池壽命， 在主芯片的選擇上必須把耗電量作為一個(gè)重要的指標(biāo)。傳感 器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。傳感器節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié) 7 號(hào)干電池作為電源，主芯片選用 TI 公司的 CC2538 芯片，該 芯片為 ARM Cortex-M3 內(nèi)核，帶有 I2C 接口，可以滿足與傳 感器通信和無(wú)線組網(wǎng)的要求。我們選用的 CC2538 芯片的片上 FLASH 為 512 KB，RAM 為 32 KB，其內(nèi)部集成了工作頻率 為 2.4 GHz 并符合 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的 RF 收發(fā)器。在最省 電的外部中斷模式下，該芯片的供電電流僅為 0.4 μA，滿足低功耗的設(shè)計(jì)要求。

傳感器節(jié)點(diǎn)中的溫濕度傳感器選用 Sensirion 公司的 SHT21 溫濕度傳感器芯片，該芯片在 PCB 板上占用的面積非 常小，僅為 3×3 mm2。缺省設(shè)置下溫度測(cè)量分辨率為 0.01 oC， 相對(duì)濕度測(cè)量分辨率為 0.04% RH。該芯片在休眠狀態(tài)下供電 電流僅為 0.15 μA，在測(cè)量狀態(tài)下供電電流為 300 μA。該芯 片通過(guò) I2C 總線與 CC2538 主芯片通信，通過(guò)設(shè)置寄存器，可 以分別讀取溫度測(cè)試值和相對(duì)濕度測(cè)試值，SHT21 芯片提供 了通過(guò) CRC 校驗(yàn)來(lái)進(jìn)行傳輸完整檢查的功能。通過(guò) I2C 總線 讀到的溫度原始值 ST 利用下面的公式換算為攝氏度值 T：

讀到的相對(duì)濕度原始值 SRH 則通過(guò)下列的公式換算為相 對(duì)濕度 RH ：

傳 感 器 節(jié)點(diǎn)中 的 照 度 傳 感 器 選 用 MAXIM 公司 的 MAX44009 照度傳感器芯片，該芯片為目前工業(yè)界最低功耗的 環(huán)境光傳感器芯片，在正常操作狀態(tài)下供電電流僅為 0.65μA。 在缺省狀態(tài)下，該芯片每 800 ms 測(cè)量一次環(huán)境照度值，該狀 態(tài)下芯片處于最省電的工作模式，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中使用了該工作 模式。該芯片在 PCB 板上占用的面積比溫濕度傳感器 SHT21 芯片更小，僅為 2×2 mm2。除此之外，該芯片具有十分寬廣 的照度測(cè)量范圍（0.045 Lux 至 188 000 Lux）。該芯片通過(guò) I2C 總線與 CC2538 主芯片進(jìn)行通信，通過(guò)設(shè)置寄存器可以讀取所 測(cè)量照度的指數(shù)部分（exponent）和尾數(shù)部分（mantissa），然 后通過(guò)下列公式換算為照度值（Lux）：

1.2 匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)的作用是接收各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的測(cè)量數(shù)據(jù)， 并通過(guò)串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)。匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)示意如圖 2 所示。主芯片 CC2538 通過(guò) FTDI 公司的 FT232R 芯片實(shí)現(xiàn) UART 接口與 USB 接口之間的轉(zhuǎn)換。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ：

2.1 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 本文中的 WSN 采用開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng) Contiki 作為各 節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)作為輕量級(jí)的嵌入式操作系統(tǒng)， 具有占用硬件資源小的優(yōu)點(diǎn)，在典型的配置下，Contiki 僅僅 占用大約 2 KB 的 RAM 以及 40 KB 的 FLASH。除此之外， Contiki 提供了非常方便的無(wú)線通信協(xié)議。所有節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè) 計(jì)在 Ubuntu下完成，編譯鏈接工具為 arm-none-eabi-gcc。

一般情況下，WSN 網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的 RF 收發(fā)器都是功耗最 高的部分，如何在保證通信暢通的前提下降低 RF 收發(fā)器的功 耗就成了 WSN操作系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。Contiki操作系統(tǒng)中， 通過(guò)利用稱為 ContikiMAC 的 RDC（radio duty cycling）機(jī)制 來(lái)減少各節(jié)點(diǎn) RF 收發(fā)器的工作時(shí)間 [6]。在無(wú)線信號(hào)正常傳輸 的前提下，該機(jī)制做到了讓各節(jié)點(diǎn) RF 收發(fā)器在大約 99% 的 時(shí)間內(nèi)處于關(guān)閉狀態(tài)，從而大大降低各節(jié)點(diǎn)的功耗。

對(duì)于各傳感器節(jié)點(diǎn)，我們?cè)谲浖惺紫仍O(shè)計(jì)了溫濕度 傳感器和照度傳感器的 I2C 讀寫(xiě)功能，并利用了 Contiki 的 RIME 協(xié)議將各傳感器收集到數(shù)據(jù)發(fā)送出去。CC2538 與 SHT21 溫濕度傳感器之間進(jìn)行 I2C 通訊的代碼如下：

CC2538 和 MAX44009 照度傳感器之間進(jìn)行 I2C 通信的 代碼如下：

RIME 協(xié)議是 Contiki 自帶的無(wú)線局域網(wǎng)通信協(xié)議 [7]，通 過(guò)分層化的協(xié)議結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)廣播、單播、可靠單播等傳 輸方式，并可以實(shí)現(xiàn)多跳傳輸。在考慮到使用環(huán)境后，我們 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比了幾種傳輸方式的可靠性，最后決定采用 單跳的 RIME 可靠單播方式來(lái)發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)。各傳感器節(jié) 點(diǎn)每十分鐘采集一次數(shù)據(jù)并發(fā)送出去，由匯聚節(jié)點(diǎn)接收到后發(fā) 送給上位計(jì)算機(jī)，整個(gè)無(wú)線采集系統(tǒng)的示意圖如圖 3 所示。

2.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用 C# 語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，在功能上主要包括了顯示各傳感器節(jié)點(diǎn)回傳數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)保存。上位機(jī)通過(guò) USB 轉(zhuǎn)串口的方式實(shí)現(xiàn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的串口通訊，為了提高串口數(shù)據(jù) 讀取的可靠性，在程序設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用串口控件，而是使用了 下面的接收函數(shù)來(lái)接收串口數(shù)據(jù) ：

數(shù)據(jù)庫(kù)部分采用 SQL Server 2008 作為數(shù)據(jù)源，記錄所 采集的溫濕度、照度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表的第一列為各傳感器節(jié)點(diǎn)中 CC2538 芯片 RF MAC 的 IEEE 地址，以區(qū)分各傳感器，最后 一列為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間，以備以后查詢。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)了基于 CC2538 和 Contiki 的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以采集空間各點(diǎn)的溫濕度、照度數(shù)據(jù)，并 通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該系 統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)丟包現(xiàn)象。由于 各芯片選用上突出了低功耗的要求，使得 WSN 中各傳感器節(jié) 點(diǎn)的電池壽命大大增加。本文中所設(shè)計(jì)的 WSN 提供了更加方 便精確地進(jìn)行測(cè)試環(huán)境監(jiān)控的手段，可以用于大型分布式光 度計(jì)光學(xué)暗室的三維空間中溫濕度、照度的測(cè)量。