基于CC2531的无线传感器网络节点软件设计
摘要: 提出一种基于射频芯片CC2531的无线传感器网络节点的软件设计方案，基于任务调度机制，采用功能模块化设计。简要介绍了无线传感器网络的系统结构和节点的硬件电路，重点对系统软件主流程以及数据采集、数据处理、数据传输和能源管理4个功能模块的软件设计作了详细介绍。
引言
v无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由一组传感器网络节点组成。它们通过多跳自组织的方式构成无线通信网络系统，传感器节点实时采集分布区域内监测对象的各种信息，以无线通信方式发送至上位机。节点硬件提供了实现相关功能的平台，而真正实现这些功能的应用需要借助软件来完成。因此，软件设计对整个节点的功能控制和资源的分配利用有较大的影响。
1 无线传感器网络系统结构
整个传感器网络是由若干个采集节点、1个汇聚节点、1个数据中转器以及1个便于用户查看和控制的上位机组成。系统的结构如图1所示。采集节点用于对环境数据的采集和数据的预处理，担当数据的路由；汇聚节点负责整个网络的开启和维护，向采集节点发送命令，搜集节点的数据，以及完成与数据中转器之间的串口通信；数据中转器承担数据的中转，负责转发上位机的命令；上位机是数据搜集的终端设备，并且可以根据用户的需要对节点的采集时间间隔、休眠时间间隔、传感器的开关进行相应设置。
2 节点硬件设计
为方便数据的搜集，汇聚节点和采集节点硬件电路设计相同，只是软件设计有所不同。任意节点都可作为汇聚节点与数据中转器通过串口进行通信，来搜集网络中其他节点的数据。节点的硬件结构如图2所示。
核心芯片选用TI公司推出的ZigBee芯片CC2531[3]。它以8051微处理器为内核，自身携带的射频收发器用来实现无线传感器网络节点的通信。选用5路I/O口来控制传感器的打开和关闭。传感器组将相应的环境数据变成电压、电流等信号送给信号调理电路，经相关调理后送到CC2531的A/D转换器接口进行A/D采样，最后将得到的采样数据存入一个外接的256Kb的存储器中。当节点作为网络中的汇聚节点时，CC2531的两路I/O口被设置成UART0串口Tx和Rx，用于与数据中转器进行串口通信。为保证节点长期稳定地工作，选用3 Ah 的铅酸充电电池，两组铅酸电池采用双电源供电模式。软件通过控制两组铅酸电池的切换实现对节点的轮流供电，并在电池电压不足时控制太阳能电池板对其进行充电，保持“一充一供”的状态。
3 节点软件设计
3.1 ZigBee技术简介
ZigBee[4]技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低传输速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制等领域，可以嵌入到各种设备中，相对于其他的无线通信标准更简单紧凑。此外，ZigBee具有省电、可靠、延时短、网络容量大、安全等优点。
3.2 节点软件主流程
本软件设计基于TI公司的ZStack 2007协议栈。ZStack 2007是TI公司专门为CC2531芯片设计的ZigBee协议栈。它是由一个简单的单线程操作系统管理，该系统基于任务调度的机制。各个任务的事件处理函数按照任务的优先级被放入函数指针数组tasksArr[idx]中，事件以16位的变量形式存放在数组tasksEvents[idx]中，因此每个任务最多可定义16个事件。
