1 概述

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network, WSN）是當前信息技術領域的熱點研究方向之一，它綜合了傳感器技術、遙測技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和無線通信技術，是一種通過無線通信方式形成的多跳自組織網絡系統。無線傳感器網絡由大量體積小、功耗低、具有無線通信、傳感和數據處理功能的傳感器節點組成。節點是無線傳感器網絡的基本單元，它一般由傳感器模塊（傳感器、A/D轉換器）、處理器模塊（微處理器、存儲器）、無線通信模塊（無線收發器）和能量供應模塊（電池）組成。

本文研發的無線傳感器網絡節點選用Chipcon公司低功耗低成本單片收發芯片CC1100作為無線通信模塊，將其通過SPI串行總線技術與MCU（MSP430F1611）相連。采用加州大學伯克利分校人員專門為無線傳感器網絡開發的嵌入式操作系統TinyOS作為軟件平臺。

2 設計需求分析

無線傳感器網絡由大量資源受限的節點組成。資源受限的特點決定了在選擇無線收發芯片以及開發驅動時，必須滿足低功耗，并實現收發分組的基本功能。節點對CC1100的主要功能要求如下：發送時把MCU遞交過來的數據封裝成幀并實現分組發送；接收時完成分組接收后把數據提取出來交給MCU.無線傳感器網絡中節點發送一個比特所消耗的能量約等于其處理器進行1 000次32位加法運算消耗的能量[1],因此，為了減少分組碰撞，降低因分組重發而消耗的能量，CC1100應實現發送數據之前的信道監聽即載波監聽功能。為了進一步降低能耗，節點在沒有數據發送或接收時應置于休眠狀態，并可以按指定方式激活，即具有休眠喚醒功能。具體設計需求如下：

（1）收發分組。這是CC1100需要實現的主要功能，CC1100在發送數據前，要完成數據的分組封裝，CC1100無線通信協議的分組格式如下：

其中，前導碼是一連串的10101010?,其數量為8n個比特，n的大小由用戶編程決定。同步字的內容和數量均可編程確定，長度為數據域的字節數，數據域內容為MCU遞交的數據，CRC校驗可以編程選擇使用，灰色部分均可編程選擇。

（2）載波監聽。由于無線傳感器中節點數量眾多，節點密度大，如果不加控制就互相通信，必然會發生分組碰撞。為了減少碰撞機會，提高節點能量效率，本文通過CC1100的電平檢測功能實現載波監聽。CC1100提供了2種載波監聽方式：絕對門限監聽和相對門限監聽。絕對門限監聽是當信道電平超過某個指定數值時通知信道忙，相對門限監聽是當信道電平增加量超過指定倍數（如6 dB）時，檢測為信道忙。絕對門限監聽需要大量信道特性統計來設置絕對門限電平值，相對門限監聽方式可以避免上述工作且能適應時變噪聲場合。在本文項目中采用相對門限來監聽信道，效果很好。

（3）睡眠喚醒。由于無線傳感器節點能量受限，因此在不必要的情況下，應盡量減少節點上硬件資源的活動時間，在多數情況下，無線模塊應處于休眠狀態。CC1100通過發送一個命令控制器可以關掉無線收發模塊。類似地，發送一個喚醒命令控制器可以激活該模塊。實現驅動時，筆者把上述命令封裝在一個接口中，供上層調用。

3 硬件連接關系

節點上MCU與無線收發模塊的硬件連接關系如圖1所示。左側是MCU,采用美國Texas Instruments（TI）公司生產的超低功耗微處理器MSP430F1611,它是一個16 位、具有精簡指令集（RISC）、超低功耗的混合型單片機，其片上集成了豐富的外圍模塊，包括看門狗、定時器、硬件乘法器、A/D轉換器等，根據其運行打開的模塊數目不同（即采用不同的工作模式），芯片的功耗有著顯著差異，除了正常的活動模式外，它具有5種低功耗模式（LPM0~LPM4），在等待方式下，其電流僅為0.7 μA,在深睡眠情況下，最低電流僅為0.1 μA [2].右側是無線收發模塊CC1100,它是Chipcon公司采用0.18 μm CMOS技術生產的低功耗多頻段無線收發芯片，具有尺寸小、功耗低、靈敏度高、獨立的64字節收發緩存（TXFIFO/ RXFIFO）、數字化接收信號強度輸出（RSSI）等特點，并有前向糾錯和數據白化等硬件處理模塊。它還具有3個通用數字輸出引腳GDOx（x=1~3），在實際應用時，可以通過寄存器配置讓它們為上層實時提供信道或分組狀態[3].在硬件平臺上，CC1100的4個SPI通信管腳（SI, SO, SCLK, CSn）分別連接到相應MSP430F1611的4個SPI串行通信引腳，即MOSI, MISO, UCLK, MCLK上。通過這4根線，處理器可以對CC1100進行寄存器讀寫和功能配置。由于CC1100只是從機模式，因此處理器只能采用主機模式。另外，本項目采用了其中2個通用數字輸出引腳GDO0和GDO2,分別用來實現分組發送指示和載波監聽指示。

圖1 CC1100與MSP430F1611的硬件連接關系

CC1100與MSP430F1611通信時，時鐘源由MSP430F1611提供，經過配置處理器寄存器，本文采用其外圍時鐘模塊的系統子時鐘SMCLK.它們的通信方式為SPI串行通信方式。SPI通信是一種高速、全雙工的同步總線通信技術，其硬件功能很強大，僅通過4個管腳，就可以在主機時鐘源SCLK節拍的控制下，通過2個雙向移位寄存器實現CC1100與MSP430F1611的串行數據交換。CSn引腳主要用來控制數據通信的同步性，在CC1100和MSP430F1611通信期間，要始終保證CSn引腳電平為低。

4 軟件平臺

TinyOS操作系統是目前無線傳感器網絡中應用較廣泛的操作系統，它是UC Berkeley開發的源代碼開放式操作系統，專門為無線傳感網絡設計。它基于組件的架構方式，可以快速實現各種應用。此外，其輕量級線程技術、事件驅動模式、主動消息通信技術等思想極大提高了節點的資源利用率[2].TinyOS環境下編程語言為NesC,NesC是對C語言的擴展，擴展的目的是將C的模塊化思想與TinyOS的事件驅動機制結合起來。為了支持組件化編程模式，NesC語言引入了接口和組件的概念。接口是一系統功能類似或相關的函數聲明，根據不同方向命名為命令或事件，具體實現在提供或使用該接口的組件中。組件包括配件和模塊，配件負責把不同組件通過接口連接起來，模塊提供程序所需的代碼實現。組件中的接口是雙向的，它給出使用者可以調用的命令或必須處理的事件。不同組件之間通過接口靜態連接，以提高程序的運行效率，增加程序的魯棒性。NesC的并發模型是基于"運行到結束"的任務實現的，程序運行任務時，硬件中斷服務程序能搶占任務，且在中斷服務程序中也可能出現其他中斷服務程序來搶占的現象，甚至出現多級中斷嵌套。但由于中斷處理程序只做少量工作，會很快執行完畢，因此沒有提交成功的任務不會被無限期掛起。

5 CC1100驅動實現

在TinyOS中，硬件抽象體系結構（Hardware Abstract Architecture, HAA）一般有3個不同的抽象層次，根據不同需要，可以靈活地實現不同芯片、不同平臺、甚至不同系統間的程序調用。但考慮到代碼數量、程序復雜度、節點資源等因素，在設計CC1100驅動程序時，需要借鑒TinyOS 3層抽象體系外，并兼顧節點存儲能力和運算能力。

5.1 TinyOS中的硬件抽象體系結構

TinyOS 中的硬件抽象體系結構一般分為3層，如圖2所示，分別為硬件表示層（HPL）、硬件抽象層（HAL）和硬件接口層（HIL）[4].通過對硬件平臺進行不同層次的抽象，可以在系統開發中有區別地向上層屏蔽硬件特征，從而實現在不同程度上隔離上層組件和物理平臺，便于程序移植。在功能上，硬件抽象組件相當于底層硬件的驅動程序，上層組件通過硬件抽象組件提供的接口進行調用。

圖2 TinyOS 中的硬件抽象體系結構

在圖2中，硬件表示層通過存儲器或端口映射對硬件平臺上某個模塊（如通信模塊、存儲模塊等）進行直接操作與控制，對上層屏蔽硬件特征，實現軟/硬件的分離，從而實現該模塊硬件功能的軟件語言表達。硬件接口層在硬件抽象層的基礎上實現對該硬件的功能操作，這是該體系結構的核心，通過調用該層接口，可以實現平臺上某個模塊提供的全部功能。硬件接口層是針對平臺上不同芯片（如一個硬件平臺上的2個通信模塊CC1100和CC2420）的更高層次的抽象，它通過不同硬件抽象層提供的接口，把平臺上不同芯片的組件封裝成與底層組件芯片甚至硬件芯片無關的接口供高層調用，從而屏蔽不同芯片的差異，實現了兼容性較強的跨平臺抽象體 系結構。

5.2 CC1100驅動體系結構

在設計驅動程序時，由于CC1100硬件功能強大并能夠提供豐富的控制寄存器資源，通過對這些寄存器的配置可以實現基本功能，因此在設計時，筆者側重于構建一個合理的組件層次結構，以便模塊的修改與跨平臺應用。在筆者開發的節點上只有一個通信模塊CC1100,未涉及多個無線收發芯片，加上節點處理、存儲能力的限制，在滿足需求的前提下，本文只設計了TinyOS 硬件抽象體系3層中的下2層，從而達到縮減代碼、節約能量的目的。CC1100驅動體系結構體系如圖3所示。

圖3 CC1100驅動體系結構

在圖3中，硬件表示層配件HPLCC1100C向上層提供了3個接口：StdControl, Chipcon, CCFIFO,模塊HPLCC1100M完成對CC1100直接控制和基本功能的軟件表達，實現3個接口的全部命令執行代碼。硬件抽象層配件CC1100RadioC向上層提供了4個接口：StdControl, PhyState, PhyPacket和CarriSns,模塊CC1100RadioM包含了CC1100全部功能的軟件實現。本文結合CC1100驅動體系結構，簡要介紹其主要功能，即收發分組。

HAL層的CC1100RadioM模塊是物理層組件結構的高層，該模塊主要實現對分組的發送與接收、對無線發送模塊的狀態進行控制以及載波監聽功能。其中，StdControl接口主要完成無線收發模塊的初始化和CC1100的啟動及停止；PhyState實現CC1100的各個工作狀態的切換，包括無線模塊的休眠和喚醒；PhyPacket實現分組的收發，高層組件可以直接調用該接口進行數據發送或接收；CarriSns用來為上層提供載波監聽功能，通過硬件引腳電平情況來判斷信道忙閑狀態。上述接口只是相關命令或事件的聲明，其真正實現在提供這些接口的模塊，即CC1100RadioM中。

HPL層的HPLCC1100M（）模塊實現對無線通信模塊的直接控制和軟件表達，實質是對CC1100各個寄存器進行讀寫。該模塊為整個硬件平臺提供了SPI同步串行通信機制，向上層提供了StdControl, Chipcon, CCFIFO接口。其中，StdControl接口完成CC1100復位并初始化底層芯片，包括SPI通信時鐘源選擇、波特率設置、引腳輸入輸出方式以及無線收發模塊的射頻頻率、調制方式、數據速率、信號檢測方式等；Chipcon接口實現控制寄存器讀寫操作和命令控制器的發送，以實現對CC1100的配置和控制，其實現方式是SPI串行通信，CCFIFO主要完成TXFIFO和RXFIFO的數據連續讀寫操作，主要是在發送或接收數據時供CC1100RadioM調用。上述接口只是相關命令或事件的聲明，其真正實現在提供這些接口的模塊即HPLCC1100M中。

當上層組件把需要發送的數據遞交下來，并調用CC1100RadioM組件提供的接口PhyPacket中的發送命令時，CC1100RadioM會先調用HPLCC1100M中CCFIFO接口提供的寫FIFO命令把要發送的數據寫入發送緩存TXFIFO中，筆者使用CC1100的連續讀寫方式來實現。然后發送命令控制器STX使能CC1100開始發送分組，并把CC1100狀態切換到發送狀態。本文使用了CC1100的通用數字輸出引腳GDO2,通過適當配置，該引腳電平會在CC1100發送/接收完前導碼時產生上升沿跳變，在整個分組發送/接收完成后產生下降沿跳變。可以通過查詢GDO2引腳電平來判斷分組是否寫入完畢。當發送數據寫完以后，CC1100會按第2節所述的分組格式對數據進行封裝，上層組件通過查詢GDO2引腳確定分組發送完畢后，根據需要再發送命令控制器把CC1100置于空閑或休眠狀態。

接收分組時節點會先檢測信道中的前導碼，如果按指定方式檢測到指定數量的前導碼，CC1100的GDO2引腳電平會產生一個上升沿跳變，上層組件得知引腳跳變后，會把CC1100切換到接收狀態并調用HPLCC1100M組件中的讀取接收緩存RXFIFO命令，然后開始讀取接收緩存，讀取完CC1100接收緩存中的分組并把有用數據提取出來交給上層后，可以根據需要把它置于空閑或休眠狀態。在程序實現過程中，為了節約節點能源，減少MSP430F1611的活動時間，筆者沒有使用等待查詢方式而采用硬件中斷方式，即使用了GDO2引腳的電平跳變特點，當檢測到前導碼時，觸發一個MSP430F1611端口中斷，在中斷服務程序中進行了讀取接收緩存RXFIFO等操作，從而讓MSP430F1611更多時間處于休眠狀態，達到降低功耗的目的。

6 結束語

無線傳感器網絡節點能量受限的特點決定了本文選擇和開發軟硬件的思路及方法。出于低功耗考慮，筆者選擇CC1100芯片，給出使用NesC語言在TinyOS環境下設計的基于SPI串行總線的CC1100驅動程序。程序在本文節點上的實際應用說明該程序實現了基于MSP430F1611平臺的無線收發功能以及分組的正常收發。大量測試結果表明，節點運行穩定，具備載波監聽、休眠喚醒等相關功能。