溫室中無線執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

3.2 軟件設(shè)計(jì)

(1)μC/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的變化是巨大的。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的嵌入式操作系統(tǒng)必須具備好的移植性。與通用的操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)具有如下一些特征：小巧、實(shí)時(shí)性、可裁減性、固化代碼、穩(wěn)定性。針對不同的處理器類型，存儲(chǔ)器容量和實(shí)時(shí)性需求，有不同的嵌入式操作系統(tǒng)。UCB 為Mica 系列傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開發(fā)了一套微型的操作系統(tǒng)TinyOS;清華大學(xué)也開發(fā)出了一種靈活的低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) FLOWS，它的單片機(jī)采用TI 公司的MSP430，移植了uC/OS-II 操作系統(tǒng)，無線傳輸芯片采用NRF905。

μC/OS-II 是一個(gè)簡單、高效的源碼公開的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。其大多數(shù)函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時(shí)間具有可確定性;具有可搶占的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)功能，而且提供了用于任務(wù)間同步、互斥、通信的系統(tǒng)服務(wù)。這些功能可以根據(jù)不同需求進(jìn)行裁減，它的最小化內(nèi)核能編譯到2 KB，目前已經(jīng)被移植到x86、ARM、PowerPC、MIPS 等眾多體系結(jié)構(gòu)上。基于短小精悍、可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)，μC/OS-II 很適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)芯片。相比較于TinyOS，uC/OS-II 提供了更加完善的任務(wù)調(diào)度和任務(wù)通信機(jī)制，并且采用標(biāo)準(zhǔn)的C 語言設(shè)計(jì)，從而可以更加方便的移植與調(diào)試。

(2)μC/OS-II 在LM3S1968 上的移植

LM3S1968 片上具有高達(dá)256KB 的單周期Flash 和64KB 的單周期SRAM，因此，不需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器就可以滿足μC/OS-II 代碼對容量的要求。

μC/OS-II 在LM3S1968 上的移植，由用戶層、中間件層、μC/OS-II 源碼層、μC/OS-II移植層和驅(qū)動(dòng)庫層等五個(gè)層次組成。

①用戶層的User 目錄存放用戶代碼與設(shè)置。其中Main.C 文件是用戶編寫任務(wù)的地方，如通風(fēng)控制、光照強(qiáng)度控制等任務(wù);Main.H 定義任務(wù)的堆棧大小、優(yōu)先級等。OS_CFG.H是μC/OS-II 的配置文件，用戶可根據(jù)需要修改其內(nèi)容。Includes.H 是總的頭文件，除μC/OS-II的源碼外，所有“.C”的文件都包含它，這樣用戶所需的頭文件和其它聲明只需在Includes.H中聲明一次就行了。

②中間件層的Middleware 目錄存放用戶自己編寫的中間件，如Uart0.C、Uart0.H 串口通信中間件等。

③μC/OS-II 源碼層的μC/OS-II Source 目錄存放μC/OS-II 的源代碼(除uCOS_II.C 外的全部“.C”和“.H”的文件)。用戶只要把源碼復(fù)制到此目錄，不需對源碼作任何的修改。

④μC/OS-II 移植層的μC/OS-II Ports 目錄存放μC/OS-II 基于LM3S1968 的移植代碼，包括OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM 和OS_CPU.H 等三個(gè)必要的文件，用戶應(yīng)根據(jù)處理器來改寫這三個(gè)文件，使之能夠移植到相應(yīng)的處理器上。Target 目錄中的Startup 文件是LM3S1968 的啟動(dòng)代碼和中斷向量表，用戶要在其中加入需要的中斷服務(wù)函數(shù)的首地址;Target.C 和Target.H 提供LM3S1968 初始化函數(shù)targetInit()和其它外設(shè)控制函數(shù)。

⑤驅(qū)動(dòng)庫層是直接面向硬件目標(biāo)板的層。一般來說，除μC/OS-II 外，其它代碼都要直接或間接通過它訪問硬件。

3.3 后臺(tái)管理系統(tǒng)、匯聚節(jié)點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)間的通信

后臺(tái)管理系統(tǒng)與節(jié)點(diǎn)的通信途徑為：后臺(tái)管理系統(tǒng)←→Internet←→匯聚節(jié)點(diǎn)←→測量節(jié)點(diǎn)或執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。后臺(tái)管理系統(tǒng)以IP 數(shù)據(jù)包形式通過Internet 傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包括目標(biāo)節(jié)點(diǎn)編號、控制命令。測量節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)采取統(tǒng)一編號方式，控制命令為要求測量節(jié)點(diǎn)上傳采樣數(shù)據(jù)，或要求執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行命令要求的動(dòng)作(即控制設(shè)備的啟動(dòng)或停止)或要求執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)上傳該節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

匯聚節(jié)點(diǎn)與測量節(jié)點(diǎn)/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間采用多跳路由的通信方式，由于監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)眾多，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式有利于節(jié)點(diǎn)間的通信，數(shù)據(jù)格式如下：

其中，Preamble 為引導(dǎo)字節(jié)，BroAddr 為廣播地址(為0xFF)，F(xiàn)inal-No 為數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)節(jié)點(diǎn)編號，Middle-No 為中間節(jié)點(diǎn)編號，Source-No 為提供數(shù)據(jù)的源節(jié)點(diǎn)編號，CtrlData為控制命令，Data 1…Data n 為需發(fā)送或接收的有效數(shù)據(jù)，CRC 為校驗(yàn)碼。

nRF905 處于發(fā)射模式時(shí)，Preamble 和CRC 由nRF905 自動(dòng)加載，BroAddr 和中間所有數(shù)據(jù)由微控制器按順序送入射頻模塊 nRF905。接收模式時(shí)，nRF905 先接收一數(shù)據(jù)包，分別驗(yàn)證Preamble、BroAddr 和CRC 正確后，再將所有數(shù)據(jù)送入微控制器處理，由軟件比較地址，進(jìn)行相應(yīng)處理。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)基于無線通信技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，，采用基于ARM® Cortex™-M3 的LMS3S1968 微控制器和無線收發(fā)芯片nRF905 設(shè)計(jì)了無線執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)集成度高、性能穩(wěn)定、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)。溫室監(jiān)控系統(tǒng)由后臺(tái)終端根據(jù)測量節(jié)點(diǎn)的測得數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，以此控制執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)，系統(tǒng)可以比較方便的擴(kuò)展通信節(jié)點(diǎn)容量，實(shí)現(xiàn)較大區(qū)域的溫濕度及光照度的監(jiān)控?？梢杂糜谵r(nóng)業(yè)溫室等對溫濕度和光照度控制要求比較嚴(yán)格的行業(yè)。