用于环境监测的无线传感器网络节点设计

　　汇聚节点和采集节点在同一时刻醒来。当汇聚节点创建网络成功，并且采集节点入网成功后，全网节点处于通信状态。汇聚节点会通过串口向数据中转器发送1个表示网络准备就绪的消息，数据中转器接收到该消息之后根据上位机的要求决定要不要上传数据，以及上传哪些数据。汇聚节点接收到命令之后会触发相应的事件进行处理，先命令采集节点将相应的数据上传给它，再通过触发串口事件将数据发送至数据中转器。采集节点在入网成功以后也处于准备就绪的状态，等待接受汇聚节点的命令，做相应的事件触发处理。

　　在每次通信结束之前，汇聚节点会向数据中转器发送1个请求休眠的消息，数据中转器接收到该消息之后会按照上位机的要求对全网节点的休眠过程进行设置。

　　3.3 串口通信协议

　　汇聚节点与数据中转器之间的通信是通过串口进行的。串口通信协议保证数据的安全收发，便于汇聚节点和数据中转器对数据进行解析和存储管理。数据中转器和汇聚节点之间的串口通信数据帧格式如下所示：

　　其中，SOP为起始标志符，用1字节来表示数据包的起始，将这个字节定义为0x02；CMD表示命令ID，用1字节的数据来标识命令消息。 LEN表示DATA的长度，用1字节来指示DATA位的数据的长度。DATA为具体要发送的数据。FCS是校验位，这里使用XOR(异或校验)，校验 CMD、LEN、DATA中的所有数据。

　　当汇聚节点和数据中转器通过串口接收到数据后，都是通过判别CMD对数据进行解析的。串口数据的CMD有如下几种：

　　①0x03，数据中转器发送上传路由表命令。作为响应，汇聚节点通过串口上传路由表数据的CMD标识为0x83。

　　②0x04，数据中转器发送上传邻居表命令。作为响应，汇聚节点通过串口上传邻居表数据的CMD标识为0x84。

　　③0x05，数据中转器发送上传采集数据命令。作为响应，汇聚节点通过串口上传采集数据时的CMD标识为0x85。

　　④0x89，汇聚节点发送至数据中转器，表示网络创建成功，等待命令消息。

　　⑤0xF9，汇聚节点发送至数据中转器，表示数据全部上传完毕，等待休眠。作为响应，数据中转器通过串口向汇聚节点发送CMD为0x09的休眠设置命令。

　　LEN表示数据的长度，方便数据中转器对接收到的数据进行空间分配和存储。FCS是校验位，用于表征数据的准确性。

　　当汇聚节点接收到串口数据时，汇聚节点会触发自身应用层的串口事件，用于解析发送过来的命令消息，然后根据该命令来触发相应的事件进行处理。

         休眠设置 #e#

　　3.4 休眠设置

　　实验证实，节点在休眠过程中处于断网状态。因此，为节省节点频繁联网带来的功耗和保证全网节点工作状态同步，在软件上设计为节点在联网成功后只执行通信任务，而休眠过程中只执行采集任务。当节点采集时刻到来，触发采集事件，打开传感器的开关对环境数据进行采集，并控制I／O口对传感器采集得到的信号进行A／D采样，最后将采样值以SPI方式存入外部存储器。在每次通信结束之前节点都会判断是否有休眠设置命令，若接收到休眠设置命令，节点则会按照该设置进行休眠，直到下一次醒来；若没接收到命令，节点则会按照上一次的休眠设置进行休眠。

　　数据中转器通过串口向汇聚节点发送的休眠设置命令的数据帧格式如表1所列。

　　Sleeping_Time表示节点要休眠的时间；Collecting_Time表示节点在休眠过程中的采集时间间隔；Current_Time是当前的校准时间；Sensor_Flag表示传感器开关的标志。休眠过程中到达采集时刻，进行环境数据的采集、采样和存储。向采集节点发送当前的校准时间，保证节点采集时刻精确和时间的同步。同时，传感器的开关标志位可以控制打开或关闭哪几路传感器，采集用户感兴趣的环境数据。到达休眠时刻，节点醒来，连接网络。

　　3.5 充 电

　　为保证镍氢电池对节点长期供电，节点硬件电路设计了1个充电控制电路对其进行充电管理。CC2430专门提供1个I／O口对供电电压进行A／D采样。当供电的电源电压不足时(即低于设定的值)，在软件上会通过切换先让另一组电源对节点进行供电，再打开太阳能的充电电路对电源充电。节点在通信和采集数据时功耗很大，因此在每一次通信和采集数据完成之后都会检测当前供电电压值和当前的充电电压值，根据2个电压值决定要不要进行电源切换、是否对电源进行供电以及充电是否完成。

　　3.6 异常处理

　　网络中节点在工作时可能出现一些异常，因此要对这些异常作纠错处理，以保证节点的正常工作。

　　(1)新加入节点的异步

　　在全网节点处于休眠状态时，若有新的节点加入网络，为保证其网络状态和其他节点同步，新加入的节点在搜索不到网络时会按照默认的休眠设置进行休眠。休眠醒来继续搜索网络。以此循环直到搜索到网络。

　　(2)数据出错

　　数据中转器通过串口获得的数据都要进行校验处理，若校验出错，则抛弃该数据包，命令汇聚节点重发数据。

　　(3)无应答

　　汇聚节点对某一采集节点发送上传数据的请求命令，若该节点在规定时间内没有作出响应，汇聚节点会默认该节点被抛弃，它将向下一个节点发送上传数据的请求。