TinyOS移植技術(shù)分析及在CC2430平臺的應用
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4．2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中協(xié)調器的設計
協(xié)調器負責無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)、路由以及數據收集等功能。同時(shí)，協(xié)調器也是網(wǎng)路與PC機之間連接的一個(gè)橋梁，通過(guò)協(xié)調器可以監控節點(diǎn)探測到的數據并可以對傳感器節點(diǎn)進(jìn)行控制。
協(xié)調器設備打開(kāi)后，會(huì )自動(dòng)接收通信范圍內的節點(diǎn)信號，這個(gè)信號包括節點(diǎn)采集到的數據以及節點(diǎn)本身的地址。當協(xié)調器接收到信號時(shí)，對該信號進(jìn)行判斷，如果該信號已經(jīng)存在于網(wǎng)絡(luò )列表，則直接接收節點(diǎn)的數據。如果這個(gè)信號不存在于網(wǎng)絡(luò )列表當中，則將該節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )列表。然后將網(wǎng)絡(luò )列表中的節點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數據都通過(guò)串口傳輸至PC機。當協(xié)調器接收到PC發(fā)送的指令后，根據指令內容將指令信號發(fā)送給相應的傳感器節點(diǎn)。由此，通過(guò)協(xié)調器可以實(shí)現PC機對傳感器節點(diǎn)的監控和操作。軟件的設計流程如圖7所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/159772.htm
各節點(diǎn)發(fā)送到協(xié)調器的測量數據為一個(gè)16位的正整數值，協(xié)調器每接收到一個(gè)測量數據，即通過(guò)RS232接口電路將該數據傳輸至PC機，協(xié)調器的硬件框圖如圖8所示。
4．3 節點(diǎn)與協(xié)調器之間的通信協(xié)議
節點(diǎn)使用無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)(RFID)與協(xié)調器進(jìn)行通信。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，RFID技術(shù)已經(jīng)成為人們日常生活中一個(gè)重要工具。但RFID技術(shù)也存在一些技術(shù)問(wèn)題需要解決，其中標簽防碰撞問(wèn)題(Anti—collision)是RFID技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向協(xié)調器發(fā)送信號時(shí)，要防止信號的碰撞。為解決這一問(wèn)題，有空分多址、頻分多址、碼分多址和時(shí)分多址4種方法。文中選用基于CSMA／CA協(xié)議的無(wú)線(xiàn)射頻防碰撞算法。
CSMA算法是傳統TDMA(Time Division Multiple Access，動(dòng)態(tài)時(shí)分多址)的調度分配算法ALOHA的改進(jìn)。傳統的ALOHA算法在標簽視圖發(fā)送數據是，并不考慮信道當前的忙閑狀態(tài)，完全隨機接入?？梢钥吹?。這種算法有很大的盲目性，當存在大量節點(diǎn)或信息量過(guò)大時(shí)，會(huì )使信道重疊現象加劇，數據碰撞頻繁出現，傳輸性能?chē)乐叵陆?。為解決這一問(wèn)題，提出了在發(fā)送數據前，對信道進(jìn)行偵聽(tīng)，這就是廣泛使用的CSMA算法。CSMA算法的基本思路是：
(1)標簽產(chǎn)生新的數據，等待發(fā)送。
(2)偵聽(tīng)信道是否空閑，若空閑則發(fā)送數據，發(fā)送完成后返回第一步；若信道正忙則產(chǎn)生一個(gè)隨機數，進(jìn)入延時(shí)操作。假定隨機數的取值范圍為min～max之間，初始化時(shí)，值為min，每次重傳，隨機數逐漸增大，當達到max值時(shí)保持不變。沒(méi)成功傳輸之后，回復到初始值min。
(3)延時(shí)操作結束后，返回步驟(2)。
由于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的特殊性，很難確實(shí)地偵聽(tīng)是否有碰撞發(fā)生，所以采用帶沖突避免的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)即CSMA／CA算法。標簽發(fā)送數據前，先發(fā)送一段請求發(fā)送幀RTS(Request to Send)給目標端，等待目標端回應的清除發(fā)送幀CTS(Clear to Send)后，才開(kāi)始傳送。通過(guò)RTS與CTS的握手(handshake)避免發(fā)送數據時(shí)發(fā)生碰撞。
4．4 實(shí)驗與結果分析
協(xié)調器與節點(diǎn)上電后，即可實(shí)現自動(dòng)組網(wǎng)。組網(wǎng)成功后，節點(diǎn)可將采樣到的數據發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器接收信號，一方面會(huì )觸發(fā)自身的LED燈閃爍，同時(shí)通過(guò)RS232接口電路將采集到的數據通過(guò)串口發(fā)送給PC機。實(shí)驗結果如圖9所示。
每個(gè)節點(diǎn)與協(xié)調器上均設置有控制按鈕，用于通信的驗證與控制。在節點(diǎn)上，每按一次按鈕采集一個(gè)數據，同時(shí)將該數據發(fā)送到協(xié)調器。這些過(guò)程，通過(guò)實(shí)驗得到了有效的驗證。在PC機上，通過(guò)串口助手軟件來(lái)觀(guān)察接收的數據。其中，通信的波特率設置為9600bit·s-1，PC機屏幕上顯示信息如圖10所示。其中Device表示節點(diǎn)ID，最后的數值是經(jīng)過(guò)處理的節點(diǎn)的探測值。這里使用兩個(gè)節點(diǎn)均置于室內環(huán)境，其中一個(gè)用不透光的黑膠帶遮蓋住傳感器的光敏元件?？梢钥吹?，協(xié)調器共接收到了兩個(gè)節點(diǎn)的信號，兩個(gè)信號的值均比較平穩，其中一個(gè)節點(diǎn)的采樣值明顯大于另一個(gè)，與實(shí)際情況相符。實(shí)驗證明系統各項功能運行良好，網(wǎng)絡(luò )通信穩定。
5 結束語(yǔ)
在對TinyOS操作系統詳細分析的基礎上，提出了TinyOS的移植方法以及具體實(shí)現過(guò)程，并將其移植于CC2430硬件平臺。其中移植的功能模塊包括UART通信、定時(shí)器和RF無(wú)線(xiàn)射頻通信等。實(shí)驗結果表明，移植后的TinyOS可以健壯地運行于CC2430平臺，并能可靠地實(shí)現傳感器之間的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)。該系統可作為一個(gè)原型，經(jīng)進(jìn)一步性能完善或部分功能擴充即可實(shí)現實(shí)際應用。
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