傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)平臺TinyOS下CC2420驅動組件的設計
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網(wǎng)絡節(jié)點是構成無線傳感器網(wǎng)絡的基本單位，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點有兩種常用體系結構：Atmel AVR處理器+TinyOS[1]和MSP430+TinyOS[2].本文采用 ATmega128L+TinyOS的體系結構。因此，CC2420驅動組件設計應符合TinyOS的硬件抽象體系結構（Hardware AbSTractiON Architecture,HAA）[3].TinyOS中將硬件抽象體系結構分為3層：硬件表示層（Hardware Presentation Layer,HPL）、硬件適配層（Hardware Adapation Layer,HAL）和硬件接口層（Hardware Interface Layer,HIL）。各層功能作用及具體設計原理在本文中作了細致的研究。CC2420是一款基于IEEE 802.15.4協(xié)議的低功耗無線收發(fā)模塊。本文根據(jù)硬件抽象體系結構的原則，對CC2420無線收發(fā)模塊在TinyOS平臺下的驅動組件設計作了深入的研究，這使得基于CC2420硬件的無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network,WSN）應用程序的開發(fā)，可以與TinyOS操作系統(tǒng)的組件模型、主動消息、基于事件驅動等機制有效地結合起來，使應用程序具有代碼量小、能耗少、并發(fā)性高等特點。
1 nesC語言及TinyOS操作系統(tǒng)
早期的面向傳感器網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)TinyOS是用匯編和C語言開發(fā)的。但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，C語言并不能高效地完成傳感器網(wǎng)絡的應用開發(fā)。所以研究人員對C語言進行了一定的擴展，提出了一種新型的編程語言--支持組件化編程的nesC（C language for network embedded Systems）語言[4].用nesC語言編寫的TinyOS[56],將輕量級線程、主動消息通信模型、事件驅動機制和組件化編程等技術相結合，是一種專門為無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)的微型操作系統(tǒng)，使面向傳感器網(wǎng)絡的操作系統(tǒng)及應用程序開發(fā)的復雜度大大降低，使程序的整體性能得到優(yōu)化，提高了程序的健壯性和安全性。
圖1 TinyOS組件模型體系結構
TinyOS采用組件模型，這種模塊化的思想使得應用程序的編寫更加方便、高效。程序開發(fā)人員可以方便快捷地將獨立的組件組合到各種配件文件中，并在應用程序的頂層（toplevel）配件文件中完成程序的整體裝配。TinyOS的組件模型體系結構如圖1所示。
上層組件對下層組件發(fā)命令，下層組件向上層組件發(fā)信號通知事件，最底層的組件直接和硬件打交道。TinyOS中有3種類型的組件：硬件抽象組件、合成組件、高層軟件組件。硬件抽象組件將物理硬件映射到TinyOS組件模型；合成組件模擬高級硬件行為；高層軟件組件負責數(shù)據(jù)傳輸、控制、路由等。本文針對的是實際硬件上的抽象層。
2 節(jié)點硬件模塊
節(jié)點采用ATmega128L微處理器和CC2420無線收發(fā)模塊，硬件連接如圖2所示。
圖2 ATmega128L與CC2420的硬件連接
CC2420[7]無線收發(fā)芯片符合IEEE 802.15.4標準，工作在ISM 2.4 GHz頻段。其內(nèi)部集成了壓控振蕩器、天線、16 MHz晶振等外圍電路。CC2420通過SPI接口與ATmega128L完成設置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的任務。如圖2所示，SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK四個引腳構成。ATmega128L為接口主設備，訪問CC2420內(nèi)部寄存器和存儲區(qū)；CC2420為SPI接口從設備，接收時鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入/輸出操作。
CC2420通過SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳與ATmega128L表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)。CC2420收到物理幀的SFD字段后，會在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟用了地址識別，在地址識別后，SFD引腳立即轉為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳標識FIFO緩存區(qū)的狀態(tài)。如果接收FIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO引腳輸出高電平；如果接收FIFO緩沖區(qū)為空，F(xiàn)IFO引腳輸出低電平。FIFOP引腳在接收FIFO緩存區(qū)的數(shù)據(jù)超過某個臨界值時或者在CC2420接收到一個完整的幀以后輸出高電平，觸發(fā)ATmega128L的中斷。CCA引腳有效表示信道空閑評估有效，通常為CSMACA算法的實現(xiàn)提供依據(jù)。
3 CC2420驅動組件
TinyOS中的硬件抽象體系結構分為3層：硬件表示層、硬件適配層和硬件接口層。本設計根據(jù)實際需求，完成了其中兩層結構的實現(xiàn)。
3.1 HPL組件
如前面所述，ATmega128L通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和存儲區(qū)，CC2420使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)。硬件表示層的作用就是根據(jù)這種硬件連接將CC2420所提供的硬件基本功能以接口函數(shù)的形式封裝起來，供上層HAL組件調(diào)用，實現(xiàn)對底層硬件的隔離。
HPL體系結構如圖3所示。HPL組件包括3個模塊文件HPLCC2420FIFOM、HPLCC2420M、HPLCC2420Interrupt,分別實現(xiàn)CC2420的不同功能接口，最后由HPLCC2420C以組件的形式將所有的接口函數(shù)封裝起來，提供給HAL組件調(diào)用。
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