基于TinyOS的无线传感器网络节点设计

西安工程大学机电工程学院 李远朝 高晓丁 李忠欣

基于TinyOS的无线传感器网络节点设计

西安工程大学机电工程学院 李远朝 高晓丁 李忠欣

本文从硬件和软件两个方面分析了构建无线传感器网络节点的一般规律和方法，设计了以msp430控制芯片和D21DL无线数传电台为核心的无线传感器网络硬件平台、无线传感器网络系统软件移植了加州大学伯克利学院开发的专用于无线传感器网络的TinyOS开源系统，在此基础上进行硬件驱动以及上层通讯协议的开发。

TinyOS；传感器网络节点；msp430；无线数传电台

1.引言

无线传感器网络(WSN)是传感器和无线通讯以及电子等技术的结合，起初是用于解决因监测区域范围过大、监测节点过多或者环境太恶劣等的地方。随着该技术的发展，现今其已被应用于很多领域，不论是在环境的监测和保护方面，还在精细农业、医疗护理，甚至在军事领域以及目标方面都有很大的应用。如图1所示为以无线数传电台为传输媒介的传感器网络组成形式：监测区域内的大量传感器节点对监测区域内的环境参数进行监测，通过无线数传电台传送至汇聚节点，最后汇聚节点通过数据线传输到数据处理中心(计算机)进行数据的处理，其中传感器节点是无线传感器网络的关键部分。本文设计的传感器节点是在msp430控制芯片上移植TinyOS操作系统来实现数据采集、处理和传输。

图1 无线传感器网络图

图2 传感器节点结构图

2.无线传感器节点结构设计

无线传感器节点包括固定节点(锚点)和移动节点。固定节点便是位置固定的节点，其在整个无线传感器网络中的作用十分重要，移动节点或者其他新增节点可以通过固定节点对自己进行定位，而起移动节点的信息传递也要借助于固定的转发。根据监测对象的运动状态，整个网络中的节点可以都是固定节点，也可以是移动节点。

本文所设计的无线传感器网络系统是对某个地区的温湿度进行监测，所有节点都设计为固定节点；每个无线传感器节点的组成结构如图2所示。

3.无线传感器节点硬件设计

该传感器节点的硬件部分由msp430单片机模块、温湿度传感器模块、无线通信模块、电源模块和RS232通讯模块等组成，其中RS232模块是主节点独有的，它主要是用于主节点与PC通讯用的。

图3 单片机的最小系统

单片机模块主要是对采集的信息的处理。设计采用的TI的msp430f169芯片，该芯片是16位自带AD转换的低功耗芯片，选用该芯片简化了电路，也一定程度上减少了能耗，延长了该节点数据采集时间。msp430f169单片机的最小系统如图3所示。

本设计选择数字温度传感器，传感器将检测的信息直接送到单片机的IO口，由单片机处理后进行上传。其电路连接情况如图4所示。

图4 温湿度传感器模块

图5 TinyOS体系结构

本设计采用双电源供电模式：单片机模块由三块1.2v的干电池供电，这样就能保证msp430和温湿度传感器都在正常工作电压以内。无线数传模块单独供电，因为无线传输非常消耗电量。

4.无线传感器节点软件设计

节点的软件设计设计实际上就是对TinyOS系统的修改和移植。TinyOS采用了组件的结构，它是一个基于事件的系统．其设计的主要目标是代码量小、耗能少、并发性高、鲁棒性好，可以适应不同的应用．完整的系统由一个调度器和一些组件组成，应用程序与组件一起编译成系统．组件由下到上可分为硬件抽象组件、综合硬件组件和高层软件组件，高层组件向底层组件发出命令，底层组件向高层组件报告事件．调度器具有两层结构，第一层维护着命令和事件，它主要是在硬件中断发生时对组件的状态进行处理；第二层维护着任务(负责各种计算)，只有当组件状态维护工作完成后，任务才能被调度．TinyOS的组件层次结构就如同一个网络协议栈，底层的组件负责接收和发送最原始的数据位，而高层的组件对这些位数据进行编码、解码，更高层的组件则负责数据打包、路由和传输数据．TinyOS体系结构如图5所示。

TinyOS无法直接在windows上进行裁剪和修改，本设计使用的方法是在windows上安装一个类linux系统的cygwin系统，并以此为平台安装TinyOS、nesC编辑器以及msp430 tools。通过这种方法解决了系统平台的搭建。

TinyOS的层次化思想就是把把组成系统的所有构件按照某种标准划分成层次，以分层的形式来组织系统。上层对下层通过构件接口进行命令调用，下层对上层通过构件接口进行事件通知。从上到下划分成应用层、管理层、硬件抽象层。

本节点的设计主要对通讯类模块、传感类模块和控制类模块进行编程，其他的一些则是根据需要对TinyOS系统进行裁剪。

5.结束语

本论文对无线传感网络节点的相关知识进行了简单介绍，提出了一套完整的以msp430f169控制器和无线数传电台为基础构建无线传感网络节点硬件平台的方案，构建了一个全新的无线传器网络硬件平台。对当前无线传感器网络领域流行的嵌入式系统TinyOS请进了概括的分析，并在新搭建的硬件平台上以TinyOS为基础设计了各硬件的驱动。系统设计完成后，通过10个该节点组成的无线网络对10个房间的温湿度变化进行了监测，其结果与实际温湿度变化相同，验证了整个节点软硬件系统的准据和可靠。

[1]孙利民,李建中,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.407-409.

[2]李响.无线传感器网络节点嵌入式操作系统TinyOS的研究与移植[D].西安:西安电子科技大学,2008.

[3]刘振宇.无线传感器网络专用微处理器设计与实现[D].成都:电子科技大学,2007.

[4]钱开国,桑楠.基于TinyOS的无线传感器网络操作系统移植性研究与实现[A].第二届全国通信新理论与新技术学术大会会议论文集[C].

[5]王大喜.无线传感器网络的网络管理协议及关键技术研究[D].杭州电子科技大学,2010.

[6]王洪通,金淑梅,王忠.基于WSN的公路监控系统设计[J].通信技术,2010(06).

[7]韩晓刚,吕彭民.基于MSP430和USB的数据采集系统[J].电子产品世界,2005(15).

Design of WSN Node on TinyOS Platform

Li Yuan-chao Gao Xiao-ding
（College of mechanical and electrical，Xi’an Polytechnic University，Xi’an 710048，China）

The general rules and methods of building wireless sensor network(WSN)node are analyzed from aspects of hardware and software.The wireless sensor network has been built with the msp430 MCU and wireless digital radio.And the software of wireless sensor network has been developed on the tinyOS which is developed by the California Berkeley College for WSN field.

TinyOS；WSN node；msp430；wireless digital radio

李远朝（1989—），男，西安工程大学机电工程学院硕士研究生，研究方向：机电测试技术、物联网技术。