傳感器網(wǎng)絡(luò )應用程序的建模、仿真與自動(dòng)代碼生成框架

引言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks，WSN)在現場(chǎng)應用時(shí)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道通信進(jìn)行信息共享和協(xié)作處理。

　　WSN應用目前存在兩種功能分析包，即特定平臺操作系統和量身定制模型，在應用程序開(kāi)發(fā)階段都存在明顯的缺陷。第一類(lèi)將應用程序遷移到其他平臺時(shí)很困難，例如從TinyOS遷移到MANTIS或遷移到ZigBee兼容平臺，必須重寫(xiě)大量代碼并進(jìn)行大量調試。第二類(lèi)有許多依賴(lài)于平臺的具體代碼需要開(kāi)發(fā)和調試，如果在開(kāi)發(fā)和集成階段結束后發(fā)現問(wèn)題，惟一的解決方法就是基于LED進(jìn)行調試，極為耗時(shí)。

　　參考仿真框架

　　The MathWorks公司構建了基于 Simulink的傳感器網(wǎng)絡(luò )模型作為動(dòng)態(tài)系統的基時(shí)仿真器。模型具有兩個(gè)主要組件：無(wú)線(xiàn)信道模型(下文稱(chēng)為Communication Medium)和Node塊。

　　Communication Medium塊可以通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現，可將其修改為重用任意現有信道和連接模型。

　　Node塊有多個(gè)完全參數化的mote，包含硬件與軟件平臺模型。例如包括計時(shí)器、LED以及應用程序的參數化Stateflow塊。Stateflow是一種有限狀態(tài)機語(yǔ)言，用于建模、仿真控制邏輯和流程圖?？梢杂糜趯?shí)現各mote內運行的算法(應用程序、中間件或設備驅動(dòng)器)。

　　只需修改模板算法(Stateflow 庫對象)，在Communication Medium塊中設置節點(diǎn)的連接參數即可開(kāi)始仿真。使用動(dòng)畫(huà)狀態(tài)圖、觀(guān)測儀器和顯示器收集統計數據，以執行算法的功能分析。如果結果分析表明需要改進(jìn)，則可通過(guò)改進(jìn)算法實(shí)現。

　　完成算法的功能分析后，通過(guò)算法的Stateflow自動(dòng)為任何受支持的WSN平臺生成代碼。這是利用RealTime Workshop Embedded Coder軟件的自定義功能完成的，它能為Simulink和Stateflow塊生成可嵌入的ANSI C代碼。

　　圖1 WSN的一個(gè)簡(jiǎn)單仿真框架

　　WSN應用程序操作系統示例：TinyOS與MANTIS

　　TinyOS的編程模型基于組件，概念實(shí)體由模塊和配置兩類(lèi)組件表示，實(shí)現用于聲明命令和事件簽名的接口。事件即軟件抽象，例如接受信息包、完成傳感器取樣等。命令用于觸發(fā)操作，例如傳感器讀取操作或啟動(dòng)無(wú)線(xiàn)電接收和傳輸信息等。TinyOS應用程序是使用nesC編寫(xiě)的，這是C語(yǔ)言的一個(gè)擴展。

　　MANTIS是一種輕量級、多線(xiàn)程的操作系統，能在能源受限的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò )上進(jìn)行多任務(wù)處理。調度程序采用基于優(yōu)先級的輪叫調度，支持線(xiàn)程先占(pre-emption)，允許操作系統在活動(dòng)線(xiàn)程間自由切換而無(wú)需等待。由于采用了這樣的方法，操作系統對于關(guān)鍵事件的響應速度比TinyOS更快。MANTIS的內核和API都是使用標準C語(yǔ)言編寫(xiě)的。

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