基于TinyOS的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構

摘要 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN（Wireless Sensor Network）由部署在監測區域內大量廉價(jià)的傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成multi?hop自組織的網(wǎng)絡(luò )系統，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。本文從分析無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)Mica和其上運行的操作系統TinyOS出發(fā)，著(zhù)重描述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)應用程序體系結構和消息通信機制。

關(guān)鍵詞 TinyOS 無(wú)線(xiàn)傳感器 nesC Mica節點(diǎn)

1 節點(diǎn)組成

　　節點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中部署到研究區域中用于收集和轉發(fā)信息、協(xié)作完成指定任務(wù)的對象。每個(gè)節點(diǎn)上運行的程序可以是完全相同的，唯一不同的是其ID。

1.1 節點(diǎn)構成

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線(xiàn)電通信模塊和能量供應模塊4部分組成，整個(gè)結構如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)構成框圖

　　本質(zhì)上，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )化的分布式嵌入式系統，通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道實(shí)現網(wǎng)絡(luò )間的通信。為了減少通信量，在本地完成必要計算進(jìn)行數據融合，從而協(xié)作完成部署空間數據的采集。在應用上體現以網(wǎng)絡(luò )為中心，節點(diǎn)的功能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )來(lái)體現。因而傳統的嵌入式設計思想在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中遇到許多挑戰：節點(diǎn)中運行程序存在大量并行和節點(diǎn)協(xié)同計算。

1.2 節點(diǎn)特點(diǎn)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是應用相關(guān)性網(wǎng)絡(luò )，不同應用領(lǐng)域使用不同的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現。由于無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)是用于監測的，分布密度大且范疇廣，因此必須低成本、低功耗和小尺寸。從現有技術(shù)條件來(lái)看，值得考慮的是節點(diǎn)成本和能源補給。節點(diǎn)不可能采用太高的頻率，因為頻率與能量的消耗是正相關(guān)的，頻率高則能量消耗大。另外無(wú)線(xiàn)電通信模塊能量消耗也大，傳送距離同能量消耗也是正相關(guān)的，因而須在發(fā)送距離和節點(diǎn)數之間做出權衡。

1.3 Mica節點(diǎn)

　　加州大學(xué)伯克利分校主持開(kāi)發(fā)的低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)Mica，處理器芯片采用Atmel公司的AVR系列（TI公司的 MSP430也是不錯的選擇），無(wú)線(xiàn)電收發(fā)模塊采用TR1000或CC10000，外加相應傳感器接口，實(shí)現了無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，如圖2所示。節點(diǎn)間通過(guò)無(wú)線(xiàn)電方式進(jìn)行通信，協(xié)作完成指定任務(wù)；節點(diǎn)自身通過(guò)ADC通道來(lái)感知外界數據。

圖2 Mica節點(diǎn)實(shí)物圖

　　Mica節點(diǎn)上可感知多個(gè)不同物理量：光強度、溫度、地磁強度等。http://www.tinyos.net/網(wǎng)站提供了其實(shí)現的硬件布線(xiàn)圖，加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)人員為這個(gè)平臺開(kāi)發(fā)出微型操作系統TinyOS和編程語(yǔ)言nesC，同時(shí)國內外很多大學(xué)和機構利用這一平臺進(jìn)行相關(guān)問(wèn)題的研究。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與現在傳感器技術(shù)最大的不同在于，將現有的傳感器技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )化，使傳感器技術(shù)應用更好，為現在傳感器技術(shù)提供更新的解決方法。

2 節點(diǎn)上微型操作系統

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)存儲容量有限。通過(guò)研究發(fā)現，要滿(mǎn)足其自身網(wǎng)絡(luò )運行的需要，可以使用一種新的嵌入式系統和嵌入式軟件來(lái)實(shí)現。

2.1 操作系統需求

　　從對節點(diǎn)結構分析不難看出，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)硬件簡(jiǎn)單，可以直接在硬件上進(jìn)行編程。但這在工程實(shí)踐中產(chǎn)生許多問(wèn)題：應用程序開(kāi)發(fā)的難度大大增加，程序員必須對硬件十分了解；程序員無(wú)法繼承現有的軟件成果，延長(cháng)開(kāi)發(fā)周期；無(wú)法形成規?；?，使用新的芯片，上層模塊都必須改寫(xiě)。

　　從現有軟件技術(shù)來(lái)看，無(wú)線(xiàn)傳感器可以直接使用現有的嵌入式操作系統?，F有嵌入式操作系統大多是實(shí)時(shí)操作系統，很少考慮能源供應，而無(wú)線(xiàn)傳感器一個(gè)致命點(diǎn)就是能源供應無(wú)法解決；現有嵌入式操作系統大多所占用空間很大，而無(wú)線(xiàn)傳感器另一個(gè)致命點(diǎn)又是存儲容量有限。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)有兩個(gè)突出特點(diǎn)：一個(gè)是消息到達的并發(fā)性，很密集，即存在多個(gè)需要同時(shí)執行的邏輯控制，需要操作系統在較短時(shí)間內完成這些頻繁發(fā)生的操作；另一個(gè)是無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)模塊化程序高，要求操作系統為應用程序對硬件控制提供方便操作。

2.2 TinyOS操作系統

　　操作系統就是為用戶(hù)提供一個(gè)良好的用戶(hù)接口。基于以上分析，研發(fā)人員在無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)處理能力和存儲能力有限情況下設計一種新型的嵌入式系統TinyOS，具有更強的網(wǎng)絡(luò )處理和資源收集能力，滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的要求。

　　為滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的要求，研究人員在TinyOS中引入4種技術(shù)：輕線(xiàn)程、主動(dòng)消息、事件驅動(dòng)和組件化編程。

　　輕線(xiàn)程主要是針對節點(diǎn)并發(fā)操作可能比較頻繁，且線(xiàn)程比較短，傳統的進(jìn)程/線(xiàn)程調度無(wú)法滿(mǎn)足（使用傳統調度算法會(huì )產(chǎn)生大量能量用在無(wú)效的進(jìn)程互換過(guò)程中）的問(wèn)題提出的。

　　主動(dòng)消息是并行計算機中的概念。在發(fā)送消息的同時(shí)傳送處理這個(gè)消息的相應處理函數ID和處理數據，接收方得到消息后可立即進(jìn)行處理，從而減少通信量。

　　整個(gè)系統的運行是因為事件驅動(dòng)而運行的，沒(méi)有事件發(fā)生時(shí)，微處理器進(jìn)入睡眠狀態(tài)，從而可以達到節能的目的。

　　組件就是對軟硬件進(jìn)行功能抽象。整個(gè)系統是由組件構成的，通過(guò)組件提高軟件重用度和兼容性，程序員只關(guān)心組件的功能和自己的業(yè)務(wù)邏輯，而不必關(guān)心組件的具體實(shí)現，從而提高編程效率。

2.3 TinyOS操作系統的實(shí)現

　　TinyOS操作系統最初是用C語(yǔ)言實(shí)現的，產(chǎn)生的目標代碼比較長(cháng)。后來(lái)研究設計出基于組件化和并行模型的nesC語(yǔ)言，產(chǎn)生的目標代碼相對較小。用nesC語(yǔ)言可開(kāi)發(fā)TinyOS操作系統和其上運行的應用程序。

2.3.1 接口

　　接口(interface)是一個(gè)雙向通道，表明接口具有的功能和事件通知能力是雙向的，向調用者提供命令和實(shí)現命令者進(jìn)行事件通告。

　　interface name {
　　　　asy commandresult_t Cname(pram p);
　　　　asy eventresult_tEname(pram p);
　　}

　　其示意圖如圖3所示。

圖3 接口示意圖

　　在接口中聲明命令和事件實(shí)現不同的功能，命令是接口具有的功能，事件是接口具有通告事件發(fā)生的能力。Asy可以命令或事件在中斷處理程序中調用。

　　接口體現事件驅動(dòng)功能和模塊化。通過(guò)事件通告讓使用接口者對事件進(jìn)行響應；任何滿(mǎn)足接口功能的實(shí)現者都可被其他需要這個(gè)接口功能的組件調用。

2.3.2 組件

　　組件是配線(xiàn)文件或模塊文件，是邏輯功能的抽象。程序員完全可直接調用組件進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。

　　配線(xiàn)文件只是完成組件之間的接口連接，模塊文件則具體實(shí)現接口中的命令和事件。在這兩個(gè)文件中都可使用provides、uses語(yǔ)句。provides表明這個(gè)組件可以提供哪些接口，實(shí)現這些接口的命令和事件通知。uses表明這個(gè)組件使用哪些接口，組件可以接口中提供的命令和實(shí)現對接口中事件進(jìn)行響應。組件結構如圖4所示。

圖4 組件結構圖

　　基于組件的思想，一個(gè)組件可通過(guò)多個(gè)組件實(shí)現一定的邏輯功能，對外聲明需要哪些接口和提供哪些接口。圖5所示為由組件A、B和C形成的新功能組件D。

圖5 組件D結構圖

2.3.3 并行模型

　　通過(guò)任務(wù)(task)和中斷處理事件(interrupt hander event)來(lái)體現TinyOS并行處理能力。任務(wù)(task)會(huì )加入一個(gè)FIFO隊列中，執行過(guò)程中，任務(wù)間沒(méi)有競爭；但中斷處理程序可以打斷任務(wù)執行。TinyOS采用二級調度機制來(lái)滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )運行特點(diǎn)，整個(gè)程序調度過(guò)程如圖6所示。組件中完成任務(wù)提交，由操作系統完成調度。

圖6 TinyOS程序結構框圖

　　基于以上分析，一個(gè)節點(diǎn)上應用程序的框圖如圖7所示。操作系統只是在后臺提供隊列服務(wù)。

圖7 應用程序結構框圖

3 具體實(shí)現說(shuō)明

　　現以節點(diǎn)收發(fā)計數器中的數值為例，更為詳細地說(shuō)明網(wǎng)絡(luò )協(xié)議是如何通過(guò)主動(dòng)消息傳遞來(lái)實(shí)現的。

　　程序要求節點(diǎn)啟動(dòng)以后，開(kāi)始讓計數器計數，每秒向外廣播自己的計數值，同時(shí)接收其他節點(diǎn)上計數器的值。

3.1 main組件

　　TinyOS應用程序從main組件開(kāi)始，完成main組件的StdControl接口的3個(gè)命令init()、start()和stop()的具體實(shí)現。這個(gè)接口中命令執行次序可用init*(start|stop)*,應用程序執行前執行init()完成必要初始化工作，start是這個(gè)程序要完成的工作，stop是系統關(guān)閉前所要執行的動(dòng)作。這個(gè)接口是TinyOS應用程序標準接口，與硬件操作相關(guān)的其他組件必須用到這個(gè)接口，實(shí)現接口中的命令。

3.2 使用的接口

　　StdControl接口完成應用程序啟動(dòng)及相關(guān)硬件初始化。

interface StdControl {
　　command result_t init();
　　command result_t start();
　　command result_t stop();
}
　　Timer接口實(shí)現計數功能。
interface Timer {
　　command result_t start(char type, uint32_t interval);
　　//設定觸發(fā)類(lèi)型和計數值
　　command result_t stop()
　　//中止計數器
　　event result_t fired();
　　//計數器定時(shí)觸發(fā)事件
}
　　SendMsg接口發(fā)送消息。
interface SendMsg {
　　command result_t send(uint16_t address, uint8_t length, TOS_MsgPtr msg);
　　//發(fā)送消息
　　event result_t sendDone(TOS_MsgPtr msg, result_t success);
　　//消息發(fā)送完成以后事件
}
　　ReceiveMsg接口接收消息。
interface ReceiveMsg {
　　event TOS_MsgPtr receive(TOS_MsgPtr m);
　　//接收到消息事件
}

3.3 使用的組件

　　組件Main, test5M,TimerC,GenericComm as Comm實(shí)現邏輯功能。Main是系統必需的。test5M提供接口的命令并實(shí)現對調用接口事件的響應。GenericComm完成消息的發(fā)送和對接收消息的通告。其配線(xiàn)文件如下：

　　Main.StdControl -> test5M.StdControl;
　　Main.StdControl -> TimerC.StdControl;
　　test5M.Timer -> TimerC.Timer[unique("Timer")];
　　test5M.SubControl->Comm;
　　test5M.Send -> Comm.SendMsg;
　　test5M.Receive->Comm.ReceiveMsg;

3.4 test5M模塊文件

　　test5M模塊接口如下：

module test5M {
　　provides {
　　　　interface StdControl;
　　}
　　uses {
　　　　interface Timer;
　　　　interface SendMsg as Send[uint8_t id];//發(fā)送消息接口
　　　　interface ReceiveMsg as Receive[uint8_t id];//接收消息
　　　　interface StdControl as SubControl;//子組件：完成發(fā)送初始化
　　}
}

　　provides聲明這個(gè)組件所實(shí)現接口中命令和通告相關(guān)事件的產(chǎn)生。需要實(shí)現StdControl接口中命令init()、start()和stop()。

　　Uses聲明這個(gè)組件調用接口中命令并對接口中事件進(jìn)行響應。所需要響應的事件為T(mén)imer接口的fired()事件、SendMsg接口的sendDone事件和ReceiveMsg接口的receive事件。

3.5 通信實(shí)現

　　test5M發(fā)送和接收消息是通過(guò)組件GenericComm來(lái)實(shí)現的。GenericComm通過(guò)調用其他組件實(shí)現從消息包到主動(dòng)消息、字節級數據傳數、位級數據傳送到無(wú)線(xiàn)電收發(fā)模塊的功能。在此不再深入分析其實(shí)現過(guò)程，采用隨機后退的CSMA/AD的MAC協(xié)議，只要明白組件GenericComm就可以完成消息的收發(fā)。

　　GenericComm提供了256個(gè)消息收發(fā)接口，也就是說(shuō)系統可以使用256種消息，或者說(shuō)256種狀態(tài)進(jìn)行轉換。由于系統是非阻塞模式，一旦消息到達組件test5M中，receive事件就會(huì )立刻調用，因此在這個(gè)事件中實(shí)現不同消息的轉換，從而實(shí)現通信雙方的握手：

event TOS_MsgPtr Receive.receive[uint8_t id](TOS_MsgPtr m) {
　　switch(id) {
　　　　case 1: //狀態(tài)轉換1
　　　　case 2: //狀態(tài)轉換2
?　　
　　}
　　return m;
}

結語(yǔ)

　　分析無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)Mica和其上運行的TinyOS操作系統出發(fā)，描述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)體系結構，通過(guò)應用程序開(kāi)發(fā)說(shuō)明其通信模型建立思路，著(zhù)重描述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)應用程序體系結構和消息通信機制。

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