ＣＣ２４２０为信息包处理提供广泛的硬件支持，
数据缓冲器、发射、数据加密、数据证明、空闲信道评 估、链路质量指示和信息包实时数据等，这些特点减 少主控制器的工作量，使ＣＣ２４２０可与低成本微处
理器相接。ＣＣ２４２０的四线串行ＳＰＩ接口引脚功能 如表ｌ所示，它是设计单片机电路的依据，充分发挥
这些功能是设计无线通信产品的前提。．
ＳＩＮＫ节点 ＳＩＮＫ节点的处理能力、存储能力和通信能力
的要求相对较强，它连接传感器网络与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ等 外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同 时发布处理节点的监控任务，并把收集的数据转发 到外部网络。处理器模块是无线传感器节点的核 心，负责整个网络的设备控制、任务分配与调度、数 据整合与传输等多个关键任务。 ＳＩＮＫ节点作为嵌入式Ｗｅｂ服务器，要能运行 嵌人式操作系统和嵌入式ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，所以对 硬件的核心微控制器有一定的要求。在我们的系统 中，我们选用低功耗的ＡＲＭ核处理器ＬＰＣ２２２０。 硬件框图如下图４所示。
计算机科学２００８Ｖ０１．３５№．１１Ａ
分簇型无线传感器网络节点的设计¨
郝中波景博孙勇姜兴旺
（空军工程大学工程学院 西安７１００３８）
摘要针对分簇型无线传感器网络，设计了以自带ｃ５１核的ＣＣ２４３０芯片作为成员节点、由ＡＴｍｅｇａｌ２８和 ＣＣ２４２０组成簇头和由ＡＲＭ处理器Ｌ尉ｃ２２２０和０Ｃ２４２０组成ＳＩＮＫ的网络节点，并嵌入了／ＺＩＰ协议，实现了与Ｉｎ— ｔｅｒｎｅｔ的互连通信。该分簇型网络体系具有层次清楚、结构简单，易于管理和维护等特点。 关键词无线传感器网络，簇，簇头，ｐｍ，ｖＣ／ＯＳ－１１
ｄｅｖｉｃｅｓ）。
ＣＣ２４２０与ＡＴｍｅｇａｌ２８单片机的接口电路如
图３所示。
Ａｔｍｌ毋ｔ１２￥ ＰＤ０ ＰＤｌ
ＨＩ＿
ＣＣ２４２０ ＦＩＦＯＰ ＦｌＦＯ ＣＣＡ
ｒ Ｌ，’
ＳＦＤ
ＰＢ２
ＳＩ Ｓｏ
ＰＢｌ’
■
ＳＣＬＫ
ＣＳｎ
图３
ＣＣ２４２０与ＡＴｍｅｇａｌ２８单片机的接口电路
ＣＣ２４３０芯片需要很少的外围部件配合就能实 现信号的收发功能ｒ９］。图２为ＣＣ２４３０的设计电 路。
ｔＯ
ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｎｏｄｅｓ ｉｓ
ｓｉｍｐｌｅｒ ａｎｄ ｅａｓｉｅｒ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ
ｍａｎａｇｅ
ａｎｄ
ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ．
Ｗｉｒｄｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ，Ｃｌｕｓｔｅｒ，Ｃ１ｕｓｔｅｒ ｈｅａｄ，ｒｉＰ，／ＺＣ／ＯＳ
１
引言
在传感器网络中，大量传感器节点随机部署在
表１串行ＳＰＩ接口引脚功能 引脚
ＦｌＦＯＰ ＦＩＦ０
ＣＣＡ ＳＦＤ
功能 数字输出 数字输入／输出 空闲信道估计 开始分隔符 ＳＰＩ数据输入（ＳＣＬＫ的上升沿采样） ＳＰＩ数据输出（ＳｃＬＫ的下降沿更新） ＳＰｌ接口时钟线 ＳＰＩ接口使能
图２设计电路
ＳＩ
ｓ０
２．２簇头 簇头通常是一个微型的嵌入式系统，构成无线 传感器网络的基础层支持平台，从网络功能上看，每 个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双 重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要 对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等
点负责对簇头的管理和控制，并把簇头传送来的数
据通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ连接传送到上位机，供远程用户使
用数据。 分簇型无线传感器网络具有以下优点： （１）簇头具有数据聚集功能，可将成员节点的感 知信息经聚集后发送至高层节点或ＳＩＮＫ，减少网 内数据包的传送量，进而减少远距离无线传输的能 耗［７｜。 （２）成员节点根据休眠一唤醒机制，在无需向簇 头提交数据时处于低能耗的休眠状态，降低节点能 耗。 （３）分簇型网络结构是分布式的，大规模节点可 根据组网协议自组织的形成簇，便于对成员节点进 行管理。簇头和簇头之间又可形成高一级的簇，使 网络具有自相似性，便于网络的扩展与升级。 （４）分簇结构有利于容错技术的设计与实现，由 于分簇结构的层次性和局部性，使得故障的检测和 恢复便于集中和控制。 （５）通过ＳＩＮＫ，便于实现无线传感器网络与 Ｅｔｈｅｒｎｅｔ或Ｉｎｔｅｒｎｅｔ互连。 本文设计了一种分簇型网络节点：成员节点、簇
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｔｈｅｒｅ
ａｒｅ
ｔｈｒｅｅ
ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ｎｏｄｅｓ ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ
ｓｅｎｓｏｒ
ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｍｅｍｂｅｒ ｎｏｄｅ ｉｓ ｍａｄｅ ｂｙ ＣＣ２４３０ ｗｉｔｈ ｎｕｃｌｅｕｓ ｏｆ Ｃ５１；ｔｈｅ ｃｌｕｓｔｅｒ ｈｅａｄ ｉｓ ｍａｄｅ ｂｙ ＡＴｍｅｇａｌ２８ ａｎｄ ０Ｃ２４２０；ａｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＳＩＮＫ ｎｏｄｅ ｉｓ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｎｏｄｅｓ ｏｆ Ｃｌｕｓｔｅｒｅｄ ＨＡＯ Ｚｈｏｎｇ－ｂｏ
（Ａｉｒ
Ｗｉｒｅｌｅｓｓ
Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ＪＩＡＮＧ Ｘｉｎｇ－ｗａｎｇ
ＪＩＮＧ １３０
ＳＵＮ Ｙｏｎｇ
Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ
ｏｆ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００３８，Ｃｈｉｎａ）
监测区域内，节点以自组织形式构成网络。从网络 拓扑结构的角度来看，可将无线传感器网络分为平 面型、分簇型和混合型三种类型Ｅｌ，２］。平面网络结 构是无线传感器网络中最简单的一种拓扑结构，所
有节点均对等，无等级和层次差异，具有完全一致的 功能特性。每个节点均包含相同的ＭＡＣ、路由、管
理和安全等协议。这种网络结构由于没有中心管理 节点，组网算法比较复杂。在分簇型无线传感器网 络［３］中，网络通常被划分为簇（Ｃｌｕｓｔｅｒ）。所谓簇， 就是具有某种关联的网络节点集合。每个簇由簇头
璺 篱≥｛｜
而弧蠹／ｏ．多成
图１分簇型网络体系结构
２分簇型网络节点的设计
２．１
成员节点 成员节点采用ＴＤＭＡ的方式负责采集必要的
环境信息，然后把数据发送给簇头，然后进入休眠模 式，等待时机再次发送数据。 本文的成员节点主要是由Ｃｈｉｐｅｏｎ公司第２代 ＺｉｇＢｅｅＴＭ平台ＣＣ２４３０Ｅ８］组成的，ＣＣ２４３０结合了 行业中领先的射频２．４ＧＨｚ收发器和符合 ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议的ＣＣ２４２０，具有工业级，集成 小体积的８０５１微处理器。ＣＣ２４３０基于Ｃｈｉｐｃｏｎ公 司的ＳｍａｒｔＲＦ０３技术平台采用０．１８微米ＣＭＯＳ 工艺生产工作在７×７ｍｍ，４８ＰＩＮ封装下，在接收和 发射模式下，电流损耗分别低于２７ｍＡ或２５ｍＡ。 ＣＣ２４３０对于那些要求非常长的电池寿命的应用， 为理想的解决方案。这个配置可以被应用于所有 ＺｉｇｂｅｅＴＭ的无线网络节点，包括协调器（Ｃｏｏｒｄｉｎａ— ｔｏｒｓ）、路由器（Ｒｏｕｔｅｒｓ）和终端（Ｅｎｄ
・
ＳＣＬＫ
Ｃห้องสมุดไป่ตู้ｎ
ＣＣ２４２０通过简单的四线（ＳＩ，ＳＯ，ＳＣＩ。Ｋ，ＣＳｎ） 与ＳＰＩ兼容串行接口配置，这时ＣＣ２４２０是受控的。 ＡＴｍｅｇａｌ２８的ＳＰＩ接口工作在主机模式，它是ＳＰｌ
】４・
数据传输的控制方，ＣＣ２４２０设为从机工作方式。
２．３
ｒＩＰ是一个专门为小设备应用而设计的小型ＴＣＰ／ ＩＰ协议栈，占用极小的代码空间。ｖｌＰ可以移植到 操作系统上，也可以在不要操作系统的情况下独立 运行。ｇｌＰ的实现重点是在保持ＴＣＰ／ＩＰ主要功能 的基础上减少内存的占用，一般只需几十ｋ的 ＲＡＭ和３０ｋ左右的程序内存ＲＯＭ就可以运行。 ｒＩＰ不同于其它的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，它的某些网络 层的功能需要应用程序介入才能完成，如重传机制、 确定最大传输单元等。需要重传时，由应用程序重 新生成数据，以减少内存使用。在协商确定最大传 输段单元ＭＳＳ后，由应用程序保证发送数据块的大 小不超过该值。 ｒＩＰ实现了ＴＣＰ／ＩＰ协议栈中的四个基本协 议：ＡＲＰ，ＴＣＰ，ＩＰ以及ＩＣＭＰ协议。为了节省内存 的使用，在ｐＩＰ中ＴＣＰ没有应用滑动窗口。对收到 的数据包也不进行缓存，而必须立即通过应用程序 处理。在流量控制、重发策略、错误检测等问题上，
ＬＰＣ２２２０
ｒＩＰ也都尽可能以简单方式处理，而且不支持ＩＰ和 ＴｃＰ数据流中的选项，ＩＰ头和ＴＣＰ头固定为４０个 字节。 ｒＩＰ是专门为８／１６位微处理器设计的微型 ＴＣＰ／ＩＰ协议栈。而嵌入式Ｗｅｂ传感器选用的是 ３２位的ＡＲＭ微处理器，因此，必须对ｒｉＰ进行修 改，使其适应３２位微处理器的要求。通过分析８／ １６位与３２位微处理器在体系结构的差异，发现要 使ｒｉＰ能够移植到３２位微处理器上，必须从数据类 型、数据存储结构以及处理速度三方面进行修改。 通过分析８／１６位与３２位微处理器的差别，将 支持８／１６位微处理器的ｒＩＰ成功地移植到３２位的 ＡＲＭ微处理器上，为嵌入式Ｗｅｂ传感器接人Ｉｎ＿ ｔｅｒｎｅｔ提供基础。 另外，作者正在研究ＩＰｖ６协议，通过裁剪和移 植，将实现ＳＩＮＫ节点与下一代互联网的互连通信。 结束语这样的三种节点组成的分簇型无线传 感器网络层次清楚，结构简单，易于管理和维护。用 户可以通过ＳＩＮＫ节点方便地对整个网络系统进行 统一的管理；簇头可以对簇内的成员节点进行实时 的监控，以确保服务的质量，并且可以上传簇的健康 信息和下达ＳＩＮＫ节点传来的命令等；单个的成员 节点失效并不影响该簇及系统的功能；若有某个节 点出现故障或失效，ＳＩＮＫ节点或簇头可以方便地 感知到，从而通知用户作出相应的处理。 参考文献
［１］孙利民，李建中，陈渝，等．无线传感器网络［Ｍ］．北京：清华大
图４
ＳＩＮＫ节点硬件框图
我们在ＳＩＮＫ节点上集成了简单的弘ｃ／０§Ⅱ 操作系统。ｐｃ／Ｏ孓Ⅱ的软件体系结构ｎｏ］如图５所 示，它包括应用程序软件、与应用相关的代码、与处 理器无关的代码和与处理器相关的代码。应用程序 软件是用户根据需求来编写的代码。用户根据自己 的应用系统通过编写与应用相关的代码来定制合适 的内核服务功能，通过这部分代码可以实现对肛ｃ／ ０§Ⅱ的裁剪。与处理器无关的代码就是通常所说 的操作系统的内核，弘ｃ／Ｏ§Ⅱ所有系统服务均由内 核提供。内核将应用系统和底层硬件有机地结合成 一个实时系统。要使同一个内核能适用于不同硬件 体系，就需要在内核和硬件之间有一个中间层，这就 是与处理器相关的代码。