引 言

　　無線傳感網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)是利用傳感器獲取被感知物理對象的信息,通過無線通信將獲取的感知信息傳送給遠端的監控終端,并在通信中間環節或終端對數據進行壓縮、融合、分析等處理的一種無線通信網絡。WSN使用方便靈活,可以實現重大裝備、交通運輸等領域中的關鍵指標監測、安全預警等[1]。在無線傳感網絡中,節點負責感知、采集和處理感知對象的物理信息,是整個無線傳感網絡中最重要的一環,節點的軟硬件研究是無線傳感網絡設計的重點。無線傳感網絡節點一般是被隨機部署至惡劣環境中,不易取回。但節點的設計研究,尤其是軟件部分,不可能是一步到位的,需根據使用者的需求及時的對節點軟件進行更新[2]。傳統的更新方法是取回節點,通過下載器對節點軟件進行更新,該方法受設備、更新地點和操作人員的限制。目前較先進的更新技術是通過物理總線與無線設備協同作業將編譯器生成的程序文件直接寫入MCU的ROM中[3]。此方法只需節點與網關在應用層實現連接,無需對硬件做任何改動即可實現節點軟件更新,但此方法存在可靠性低、傳輸效率不高等問題。針對此問題,本文基于MSP430F149單片機,設計了一種無線傳感網絡節點軟件高效更新方法,本方法采取程序文件差異、可變格式傳輸比較等措施提高了數據傳輸效率,通過強制更新等措施提高了節點軟件遠程更新的可靠性。

　　關鍵詞：科研論文范文,無線傳感,技術研究,遠程更新

　　推薦閱讀：科研論文發表多少錢?

　　1 系統概述

　　本無線傳感網絡由節點、網關、服務器、數據庫、客戶端等組成,其組成及結構如圖1所示。

　　節點的主控制器(MCU)采用TI公司的MSP430F149單片機,MSP430F149單片機是一款超低功耗的16位單片機,采用了精簡指令集(RISC)結構,具有豐富的尋址方式和大量的片內存儲器。MSP430F149的具有60 KB的程序ROM(FLASH)和2 KB的RAM,能夠完全滿足系統程序駐留和用戶程序存儲的要求[3]。

　　MSP430F149的程序存儲在FLASH中,其FLASH可在正常工作電壓下擦寫。因此只要對MSP430F149的FLASH的存儲內容進行更新即可實現對節點軟件的遠程更新。本文為提高節點運行的可靠性,在FLASH中存儲一個更新引導程序和兩個應用程序。當某應用程序更新失敗時,節點自動運行另一應用程序,從而保證節點的正常工作。

　　對節點軟件進行遠程更新時,擁有管理員權限的用戶首先向程序開發人員索取欲更新程序文件,然后在客戶端通過節點遠程更新軟件將程序數據按照預定協議更新至節點的內部FLASH。節點的更新引導程序與客戶端進行程序數據交互,完成節點軟件遠程更新。

　　2 更新流程

　　2.1 程序數據格式

　　本文對MSP430F149的程序編譯采用IAR公司提供的MSP430系列單片機的集成開發和調試環境IAR Embedded Workbench。其可生成txt格式程序文件,其樣式如下:

　　“@”后的“3000”表示后面的程序數據從3 000地址后依次寫入MSP430F149的FLASH,每一個“@”對應一個中斷向量,“q”表示程序文件結束。只需將程序文件里的數據按地址寫入FLASH的相應位置,即可實現節點軟件的更新[4?5]。

　　2.2 節點軟件更新流程

　　節點正常情況下運行的是應用程序。用戶欲對節點軟件進行遠程更新時,選中節點后,用戶首先選取相應的程序更新文件,然后點擊節點軟件遠程更新按鈕。節點在收到更新命令后進入更新引導程序,并向上位機索要程序數據。上位機軟件收到該命令后判斷并下發相應的數據,判斷是否更新完成。具體更新過程分為以下七步:

　　(1)客戶端發送節點遠程更新命令。

　　(2)節點收到更新命令后將更新標志位置1,回復后程序指針PC指向復位向量。

　　(3)節點程序重新運行,檢測更新標志位,跳轉到更新程序后向客戶端索要程序數據。

　　(4)客戶端節點遠程更新軟件讀取、處理并發送程序數據。

　　(5)節點解析程序數據,擦除相應的FLASH后寫入新的程序數據并向客戶端繼續索要。

　　(6)客戶端判斷程序數據是否全部發送完畢,如果發送完畢,則發送節點軟件更新完成指令,否則繼續發送程序數據。

　　(7)節點判斷是否為更新完成指令,如果是,則判斷程序數據是否完整,并選擇是否跳入新的應用程序;如果不是,則繼續重復步驟(3)~(7)。

　　3 高效更新設計

　　程序數據在無線傳輸過程易受到電磁干擾,導致數據阻塞和丟失[1]。為提高傳輸效率,本文主要采用以下三種措施來提高節點軟件遠程更新的效率。

　　3.1 程序文件差異比較

　　一個小的程序文件可以從根本上減少遠程更新時間、提高更新效率[6]。一般情況下對節點的軟件進行維護更新時只是對部分功能進行更新,生成的新程序與節點正在運行的舊程序內容差異不大,沒有必要對節點的程序進行完全更新。因此本文對節點軟件進行遠程更新時,首先對新舊程序文件進行差異比對,刪除新舊程序文件中相同的內容,保留差異的內容,并重新計算差異內容在FLASH中存儲的地址,從而生成數據量較少的程序文件

　　3.2 變格式傳輸

　　3.3 數據壓縮

　　通過分析程序數據發現,程序數據可分為以下三類:自定義變量的初始化值、寄存器的地址及寄存器的設定值。對于自定義變量的初始化值,可以將其設定為需要的值以便于壓縮,但是寄存器的地址及設定值則毫無規律可言,此時對其進行壓縮可能導致越壓越大的反效果。因此本文對于程序文件采用基于變長編碼的無線傳感器網絡數據壓縮方法對程序數據進行有選擇性的壓縮[7]。首先對程序數據進行試壓縮,只有壓縮成功顯著的數據幀才對其進行壓縮傳輸,并采用標識字節的某位對該幀程序數據是否進行了壓縮進行標識。

　　經過改進后的更新效率提升見表1。

　　4 可靠性設計

　　無線傳感網絡工作環境復雜多變,影響無線通信質量的因素較多,節點軟件遠程更新的可靠性難以保證。因此本文對提高節點軟件遠程更新的可靠性進行了設計研究。

　　4.1 程序冗余存儲

　　程序數據冗余存儲是指在MSP430F149的FLASH中存儲多個應用程序,由單片機的更新引導程序通過標志位判斷執行哪個應用程序。對節點軟件進行更新時,只對某個應用程序進行更新,一旦更新失敗,更新引導程序自動修改標志位,執行冗余的應用程序,從而保證節點的正常工作。圖3為單片機FLASH中程序存儲圖。

　　4.2 強制更新

　　由于節點絕大部分時間是在運行應用程序,所以上位機給節點發送遠程更新命令時,節點應在應用程序中響應。但是由于兩個應用程序在無線傳輸過程中和使用過程中有可能受到強磁干擾等未知的干擾而導致程序遭到破壞,因此,本系統為了增加節點軟件遠程更新的可靠性,增加了強制更新功能:客戶端設置無線通信模塊的強制更新管腳為低電平,然后通過無線通信模塊復位單片機,節點單片機在重啟后首先檢測強制更新管腳電平的高低狀態,若該管腳為低電平,則不再判斷標志位,自動進入更新函數對節點的應用程序進行更新,從而避免了標志位判斷異常導致無法遠程更新情況的出現。采取強制更新措施后,節點軟件的可靠性提高了74%,即只要更新引導程序不被破壞,就可實現節點軟件遠程更新。

　　5 結 論

　　本文根據無線傳感網絡的特點及節點軟件遠程更新的需求,利用現有的無線傳感網絡設備,無需對節點硬件做任何改動,設計了一種無線傳感網絡節點軟件高效遠程更新方法,降低了無線傳感節點軟件的更新維護成本。目前,該方法已在電磁環境極為惡劣的京津高鐵某段試用,經過近一年的現場實際應用結果表明:該更新方法效果顯著,遠程更新效率和可靠性高,降低了節點更新維護成本。該更新方法適用于對其他可自編程的嵌入式設備,具有很高的實用性和通用性。

　　注:本文通信作者為張志新。

　　參考文獻

　　[1] 徐征,張華.無線傳感網中的節點分組控制策略[J].傳感器與微系統,2013,32(1):63?68.

　　[2] 朱飛龍,楊鳴.基于IAP功能單片機的遠程更新系統設計[J].機電工程,2010,27(9):76?79.

　　[3] 于榮榮.鋼軌應變實時監測節點的研究[D].大連:大連理工大學,2012.

　　[4] 陶維青,王付軍.基于GPRS網絡的MSP430單片機FLASH遠程更新方法[J].電測與儀表,2007,44(7):33?36.

　　[5] 唐文,劉芳伶.MSP430系列單片機軟件在線升級設計與實現[J].通信技術,2012,45(1):144?146.

　　[6] 徐洪全.嵌入式鋼軌振動監測節點設計[D].大連:大連理工大學,2012.

　　[7] 大連理工大學.一種基于變長編碼的無線傳感器網絡數據壓縮方法:中國,201210461346.2[P].2012?11?15.

　　[8] 陳萬里.基于無線傳感器網絡的監測系統研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2010.

　　[9] 霍文文.無線傳感器網絡在線升級系統設計與實現[D].濟南:山東大學,2012.

　　[10] 劉梁,李東旭.一種無線傳感器軟件非接觸升級的方法[J].嵌入式技術,2010,37(3):45?47.