溫室中無線執行器節點的設計

3.2 軟件設計

(1)μC/OS-II嵌入式實時操作系統

隨著無線傳感器網絡的廣泛應用，節點構成的變化是巨大的。因此無線傳感器網絡節點上的嵌入式操作系統必須具備好的移植性。與通用的操作系統相比，嵌入式操作系統具有如下一些特征：小巧、實時性、可裁減性、固化代碼、穩定性。針對不同的處理器類型，存儲器容量和實時性需求，有不同的嵌入式操作系統。UCB 為Mica 系列傳感器網絡產品開發了一套微型的操作系統TinyOS;清華大學也開發出了一種靈活的低成本無線傳感器網絡節點 FLOWS，它的單片機采用TI 公司的MSP430，移植了uC/OS-II 操作系統，無線傳輸芯片采用NRF905。

μC/OS-II 是一個簡單、高效的源碼公開的嵌入式實時操作系統內核。其大多數函數調用和服務的執行時間具有可確定性;具有可搶占的實時多任務調度系統功能，而且提供了用于任務間同步、互斥、通信的系統服務。這些功能可以根據不同需求進行裁減，它的最小化內核能編譯到2 KB，目前已經被移植到x86、ARM、PowerPC、MIPS 等眾多體系結構上。基于短小精悍、可移植性強的特點，μC/OS-II 很適用于無線傳感器網絡節點芯片。相比較于TinyOS，uC/OS-II 提供了更加完善的任務調度和任務通信機制，并且采用標準的C 語言設計，從而可以更加方便的移植與調試。

(2)μC/OS-II 在LM3S1968 上的移植

LM3S1968 片上具有高達256KB 的單周期Flash 和64KB 的單周期SRAM，因此，不需要外擴存儲器就可以滿足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移植層和驅動庫層等五個層次組成。

①用戶層的User 目錄存放用戶代碼與設置。其中Main.C 文件是用戶編寫任務的地方，如通風控制、光照強度控制等任務;Main.H 定義任務的堆棧大小、優先級等。OS_CFG.H是μC/OS-II 的配置文件，用戶可根據需要修改其內容。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 等三個必要的文件，用戶應根據處理器來改寫這三個文件，使之能夠移植到相應的處理器上。Target 目錄中的Startup 文件是LM3S1968 的啟動代碼和中斷向量表，用戶要在其中加入需要的中斷服務函數的首地址;Target.C 和Target.H 提供LM3S1968 初始化函數targetInit()和其它外設控制函數。

⑤驅動庫層是直接面向硬件目標板的層。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 后臺管理系統、匯聚節點及節點間的通信

后臺管理系統與節點的通信途徑為：后臺管理系統←→Internet←→匯聚節點←→測量節點或執行器節點。后臺管理系統以IP 數據包形式通過Internet 傳送到匯聚節點的數據包括目標節點編號、控制命令。測量節點和執行器節點采取統一編號方式，控制命令為要求測量節點上傳采樣數據，或要求執行器節點執行命令要求的動作(即控制設備的啟動或停止)或要求執行器節點上傳該節點控制設備的運行狀態。

匯聚節點與測量節點/執行器節點之間采用多跳路由的通信方式，由于監控區域內的節點眾多，采用統一的數據格式有利于節點間的通信，數據格式如下：

其中，Preamble 為引導字節，BroAddr 為廣播地址(為0xFF)，Final-No 為數據傳輸的目標節點編號，Middle-No 為中間節點編號，Source-No 為提供數據的源節點編號，CtrlData為控制命令，Data 1…Data n 為需發送或接收的有效數據，CRC 為校驗碼。

nRF905 處于發射模式時，Preamble 和CRC 由nRF905 自動加載，BroAddr 和中間所有數據由微控制器按順序送入射頻模塊 nRF905。接收模式時，nRF905 先接收一數據包，分別驗證Preamble、BroAddr 和CRC 正確后，再將所有數據送入微控制器處理，由軟件比較地址，進行相應處理。

4 結語

本設計基于無線通信技術、電子技術和計算機技術，，采用基于ARM® Cortex™-M3 的LMS3S1968 微控制器和無線收發芯片nRF905 設計了無線執行器節點。系統集成度高、性能穩定、可靠性高、實用性強。溫室監控系統由后臺終端根據測量節點的測得數據進行決策，以此控制執行器節點執行任務，系統可以比較方便的擴展通信節點容量，實現較大區域的溫濕度及光照度的監控。可以用于農業溫室等對溫濕度和光照度控制要求比較嚴格的行業。