摘要 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成multihop自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)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(jié)點(diǎn)Mica和其上運(yùn)行的操作系統(tǒng)TinyOS出發(fā)，著重描述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)和消息通信機(jī)制。
關(guān)鍵詞 TinyOS 無(wú)線(xiàn)傳感器 nesC Mica節(jié)點(diǎn)
1 節(jié)點(diǎn)組成
節(jié)點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署到研究區(qū)域中用于收集和轉(zhuǎn)發(fā)信息、協(xié)作完成指定任務(wù)的對(duì)象。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的程序可以是完全相同的，唯一不同的是其ID。
1.1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成
無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)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(yīng)模塊4部分組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成框圖
本質(zhì)上，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的分布式嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的通信。為了減少通信量，在本地完成必要計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而協(xié)作完成部署空間數(shù)據(jù)的采集。在應(yīng)用上體現(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)為中心，節(jié)點(diǎn)的功能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)體現(xiàn)。因而傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)思想在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中遇到許多挑戰(zhàn)：節(jié)點(diǎn)中運(yùn)行程序存在大量并行和節(jié)點(diǎn)協(xié)同計(jì)算。
1.2 節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)，不同應(yīng)用領(lǐng)域使用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。由于無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)是用于監(jiān)測(cè)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(xiàn)有技術(shù)條件來(lái)看，值得考慮的是節(jié)點(diǎn)成本和能源補(bǔ)給。節(jié)點(diǎn)不可能采用太高的頻率，因?yàn)轭l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(jié)點(diǎn)數(shù)之間做出權(quán)衡。
1.3 Mica節(jié)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(jié)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(cuò)的選擇），無(wú)線(xiàn)電收發(fā)模塊采用TR1000或CC10000，外加相應(yīng)傳感器接口，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。節(jié)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(jié)點(diǎn)自身通過(guò)ADC通道來(lái)感知外界數(shù)據(jù)。
圖2 Mica節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖
Mica節(jié)點(diǎn)上可感知多個(gè)不同物理量：光強(qiáng)度、溫度、地磁強(qiáng)度等。http://www.tinyos.net/網(wǎng)站提供了其實(shí)現(xiàn)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(tái)開(kāi)發(fā)出微型操作系統(tǒng)TinyOS和編程語(yǔ)言nesC，同時(shí)國(guó)內(nèi)外很多大學(xué)和機(jī)構(gòu)利用這一平臺(tái)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(xiàn)在傳感器技術(shù)最大的不同在于，將現(xiàn)有的傳感器技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化，使傳感器技術(shù)應(yīng)用更好，為現(xiàn)在傳感器技術(shù)提供更新的解決方法。
2 節(jié)點(diǎn)上微型操作系統(tǒng)
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)容量有限。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，要滿(mǎn)足其自身網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的需要，可以使用一種新的嵌入式系統(tǒng)和嵌入式軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.1 操作系統(tǒng)需求
從對(duì)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析不難看出，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)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(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的難度大大增加，程序員必須對(duì)硬件十分了解；程序員無(wú)法繼承現(xiàn)有的軟件成果，延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期；無(wú)法形成規(guī)模化，使用新的芯片，上層模塊都必須改寫(xiě)。
從現(xiàn)有軟件技術(shù)來(lái)看，無(wú)線(xiàn)傳感器可以直接使用現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)。現(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)大多是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，很少考慮能源供應(yīng)，而無(wú)線(xiàn)傳感器一個(gè)致命點(diǎn)就是能源供應(yīng)無(wú)法解決；現(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)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(chǔ)容量有限。
無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)突出特點(diǎn)：一個(gè)是消息到達(dá)的并發(fā)性，很密集，即存在多個(gè)需要同時(shí)執(zhí)行的邏輯控制，需要操作系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)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(jié)點(diǎn)模塊化程序高，要求操作系統(tǒng)為應(yīng)用程序?qū)τ布刂铺峁┓奖悴僮鳌?/P>
2.2 TinyOS操作系統(tǒng)
操作系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)處理能力和存儲(chǔ)能力有限情況下設(shè)計(jì)一種新型的嵌入式系統(tǒng)TinyOS，具有更強(qiáng)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(qū)動(dòng)和組件化編程。
輕線(xiàn)程主要是針對(duì)節(jié)點(diǎn)并發(fā)操作可能比較頻繁，且線(xiàn)程比較短，傳統(tǒng)的進(jìn)程/線(xiàn)程調(diào)度無(wú)法滿(mǎn)足（使用傳統(tǒng)調(diào)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(jì)算機(jī)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(yīng)處理函數(shù)ID和處理數(shù)據(jù)，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(tǒng)的運(yùn)行是因?yàn)槭录?qū)動(dòng)而運(yùn)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(dá)到節(jié)能的目的。
組件就是對(duì)軟硬件進(jìn)行功能抽象。整個(gè)系統(tǒng)是由組件構(gòu)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(xiàn)，從而提高編程效率。
2.3 TinyOS操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
TinyOS操作系統(tǒng)最初是用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，產(chǎn)生的目標(biāo)代碼比較長(zhǎng)。后來(lái)研究設(shè)計(jì)出基于組件化和并行模型的nesC語(yǔ)言，產(chǎn)生的目標(biāo)代碼相對(duì)較小。用nesC語(yǔ)言可開(kāi)發(fā)TinyOS操作系統(tǒng)和其上運(yùn)行的應(yīng)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(diào)用者提供命令和實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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(diào)用。
接口體現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)功能和模塊化。通過(guò)事件通告讓使用接口者對(duì)事件進(jìn)行響應(yīng)；任何滿(mǎn)足接口功能的實(shí)現(xiàn)者都可被其他需要這個(gè)接口功能的組件調(diào)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(diào)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)對(duì)接口中事件進(jìn)行響應(yīng)。組件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 組件結(jié)構(gòu)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(xiàn)一定的邏輯功能，對(duì)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(jié)構(gòu)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(xiàn)TinyOS并行處理能力。任務(wù)(task)會(huì)加入一個(gè)FIFO隊(duì)列中，執(zhí)行過(guò)程中，任務(wù)間沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)；但中斷處理程序可以打斷任務(wù)執(zhí)行。TinyOS采用二級(jí)調(diào)度機(jī)制來(lái)滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行特點(diǎn)，整個(gè)程序調(diào)度過(guò)程如圖6所示。組件中完成任務(wù)提交，由操作系統(tǒng)完成調(diào)度。
圖6 TinyOS程序結(jié)構(gòu)框圖
基于以上分析，一個(gè)節(jié)點(diǎn)上應(yīng)用程序的框圖如圖7所示。操作系統(tǒng)只是在后臺(tái)提供隊(duì)列服務(wù)。
圖7 應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)框圖
3 具體實(shí)現(xiàn)說(shuō)明
現(xiàn)以節(jié)點(diǎn)收發(fā)計(jì)數(shù)器中的數(shù)值為例，更為詳細(xì)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(xiàn)的。
程序要求節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)以后，開(kāi)始讓計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，每秒向外廣播自己的計(jì)數(shù)值，同時(shí)接收其他節(jié)點(diǎn)上計(jì)數(shù)器的值。
3.1 main組件
TinyOS應(yīng)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(xiàn)。這個(gè)接口中命令執(zhí)行次序可用init*(start|stop)*,應(yīng)用程序執(zhí)行前執(zhí)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(tǒng)關(guān)閉前所要執(zhí)行的動(dòng)作。這個(gè)接口是TinyOS應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)接口中的命令。
3.2 使用的接口
StdControl接口完成應(yīng)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(xiàn)計(jì)數(shù)功能。
interface Timer {
command result_t start(char type, uint32_t interval);
//設(shè)定觸發(fā)類(lèi)型和計(jì)數(shù)值
command result_t stop()
//中止計(jì)數(shù)器
event result_t fired();
//計(jì)數(shù)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(xiàn)邏輯功能。Main是系統(tǒng)必需的。test5M提供接口的命令并實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)用接口事件的響應(yīng)。GenericComm完成消息的發(fā)送和對(duì)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(xiàn)接口中命令和通告相關(guān)事件的產(chǎn)生。需要實(shí)現(xiàn)StdControl接口中命令init()、start()和stop()。
Uses聲明這個(gè)組件調(diào)用接口中命令并對(duì)接口中事件進(jìn)行響應(yīng)。所需要響應(yīng)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(xiàn)
test5M發(fā)送和接收消息是通過(guò)組件GenericComm來(lái)實(shí)現(xiàn)的。GenericComm通過(guò)調(diào)用其他組件實(shí)現(xiàn)從消息包到主動(dòng)消息、字節(jié)級(jí)數(shù)據(jù)傳數(shù)、位級(jí)數(shù)據(jù)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(xiàn)過(guò)程，采用隨機(jī)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(tǒng)可以使用256種消息，或者說(shuō)256種狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于系統(tǒng)是非阻塞模式，一旦消息到達(dá)組件test5M中，receive事件就會(huì)立刻調(diào)用，因此在這個(gè)事件中實(shí)現(xiàn)不同消息的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)換1
case 2: //狀態(tài)轉(zhuǎn)換2
}
return m;
}
結(jié)語(yǔ)
分析無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)Mica和其上運(yùn)行的TinyOS操作系統(tǒng)出發(fā)，描述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)，通過(guò)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)說(shuō)明其通信模型建立思路，著重描述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)和消息通信機(jī)制。
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