2 硬件設計
　　無線傳感器網絡節(jié)點主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線收發(fā)模塊、電源模塊構成,如圖2所示。

 
　　2．1 數據采集模塊
　　數據采集模塊直接與外界接觸進行信息感知和采集。它將采集的物理量通過積分、放大電路的整形處理后經過A／D轉化為數字信號送給處理器。
　　2．2 數據處理和控制模塊
　　數據處理和控制模塊是傳感器節(jié)點的核心，它主要實現設備控制、任務調度、資源管理等功能。作為硬件平臺的中心模塊，應該具有集成度高，功耗低，運行速度快，I／O和擴展接口多等特點，并應適應整個網絡的需要?；谝陨显颍梢圆捎肨I公司的 MSP430系列超低功耗處理器、高效的16位．RISC CPU確保任務的快速執(zhí)行，以縮短工作時間；可以從睡眠模式到活動模式的6μs轉換時間延長待機時間，降低電池的功耗；集成12位A／D轉換器、溫度傳感器、FLASH程序存儲器和2 KB RAM，具有豐富的端口資源，可以與各種傳感器連接。
　　2．3 通信模塊
　　無線收發(fā)模塊主要完成傳感器節(jié)點之間、節(jié)點與無線傳感器網絡網關之間的數據交換功能，這里采用Nordic公司的nRF24E1芯片。nRF24E1內部集成了2．4 GHz的nRF2401無線收發(fā)器，其增強型8051內核和9輸入的10位A／D轉換器無線收發(fā)模塊能夠實現點對點、點對多點的無線通信，具有體積小，功耗低和外圍電路簡單等特點。對于無線傳感器網絡中的一些只實現數據采集和傳送功能的節(jié)點可以由nRF24E1內嵌的8051單片機進行控制處理，所以可直接采用nRF24E1和傳感器模塊構成傳感器節(jié)點。然而，對于數據處理要求高，功能復雜，計算量大，要為通信協(xié)議、功能協(xié)調、應用處理等提供硬件支持的節(jié)點(如網關節(jié)點)，則采用MSP430作為處理器，nRF24E1作為無線通信模塊，其連接圖如圖3所示。

 
　　通過配置特殊寄存器，可使nRF24E1工作在ShockBurst無線方式。數據低速輸入高速發(fā)送，功耗極低，并可通過軟件控制開關進一步降低能耗。用MSP430的P1口控制nRF24E1，通過配置CE，PWR，CS三個控制管腳，使芯片工作在不同的模式。當nRF24E1工作在發(fā)送方式時，接口引腳為CE，CLK1和DATA；當CPU請求發(fā)送數據時，置CE為高電平。此時，將接收機地址和有效載荷數據送入nRF24E1，置CE為低電平，激活ShockBurst發(fā)射；當nRF24E1工作在接收方式時，接口引腳為CE，DR1，CLK1和DATA。在正確設置射頻包輸入載荷的地址和大小后，置CE為高電平。此后，nRF24E1監(jiān)測信息輸入，若收到有效數據包，則給處理器一個中斷，并置DR1為高電平，使處理器將有效載荷數據取走，待系統(tǒng)收到全部數據后再置DR1為低。此時，如果CE保持高電平，則等待新的數據包；若CE置低電平，則開始其他工作流程。
　　2．4 電源模塊
　　傳感器網絡能量有限，目前主要解決節(jié)約電能的方法是采用休眠機制，即節(jié)點在沒有事件發(fā)生時盡快進入休眠狀態(tài)；而在有事件發(fā)生時及時自動醒來，并喚醒鄰居節(jié)點，形成數據轉發(fā)的拓撲結構。在光線充足的地方采用太陽能電池代替化學電池，使節(jié)點有更長的工作時間。

        3 嵌入式操作系統(tǒng)的設計與實現
　　無線傳感器網絡是由大量節(jié)點組成的網絡系統(tǒng)，每個節(jié)點可看作一個微型的嵌入式平臺?，F有的嵌入式操作系統(tǒng)大多是實時操作系統(tǒng)，很少考慮能源供應，而且占用空間很大。由于無線傳感器網絡節(jié)點處理能力、電源及存儲能力有限，采用TinyOS嵌入式系統(tǒng)，并引入輕線程、主動消息、事件驅動和組件化編程。TinyOS是一種專門為嵌入式操作系統(tǒng)設計的基于組件的操作系統(tǒng)，由nesC 語言實現，主要應用于無線傳感器網絡。TinyOS根據嵌入應用可以輕易增減控制執(zhí)行的功能，而且編譯器可避免數據競爭的現象，可節(jié)省硬件資源，并能執(zhí)行多個快速響應的控制操作。
　　3．1 組件
　　TinyOS操作系統(tǒng)一般由Main組件(初始化硬件并執(zhí)行調度程序)、應用組件(實現具體應用功能)、系統(tǒng)組件(為應用層組件提供服務)、HPL(硬件描述層)構成。這種體系結構使得TinyOS非常方便用戶使用，增加了操作系統(tǒng)的移植性和軟件的復用性。

　　3．2 接口
　　這里的接口是一個雙向通道，它具有的功能和事件通知能力是雙向的，向調用者提供命令和實現命令者進行事件通告。代碼如下：

 
 
 
　　TinyOS應用程序還要使用testSM，GenericComm等組件實現無線傳感器網絡的邏輯功能。test5M提供接口的命令，并實現對調用接口事件的響應；GenericComm通過調用其他組件實現從消息包到主動消息、位級數據傳送到無線電收發(fā)模塊的功能。為了能將TinyOS移植到節(jié)點平臺上，需要根據節(jié)點平臺設計修改TinyOS中的初始化代碼，編寫自己的BSP程序，達到移植操作系統(tǒng)的目的。
　　GenericComm提供了256個消息收發(fā)接口，采用CSMA／AD的MAC協(xié)議，消息到達組件test5M中，receive事件就會立刻調用。因此在這個事件中實現不同消息的轉換，從而實現通信雙方的握手：

 
　　4 結 語
　　在分析無線傳感器網絡體系結構的基礎上，設計以超低功耗單片機MSP430為核心，并結合了無線收發(fā)模塊nRF24E1的無線傳感器網絡節(jié)點。軟件開發(fā)平臺采用TinyOS操作系統(tǒng)，從硬件、軟件等方面對無線傳感器網絡的節(jié)點進行了設計。