基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

摘要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成multi?hop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)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。本文從分析無線傳感器節(jié)點(diǎn)Mica和其上運(yùn)行的操作系統(tǒng)TinyOS出發(fā)，著重描述無線傳感器網(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 無線傳感器 nesC Mica節(jié)點(diǎn)

1 節(jié)點(diǎn)組成

　　節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(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)的對象。每個節(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

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線電通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成，整個結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成框圖

　　本質(zhì)上，無線傳感器節(jié)點(diǎn)就是一個網(wǎng)絡(luò)化的分布式嵌入式系統(tǒng)，通過無線信道實(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)的功能通過網(wǎng)絡(luò)來體現(xiàn)。因而傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)思想在無線傳感器網(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)

　　無線傳感器網(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)。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)是用于監(jiān)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(xiàn)有技術(shù)條件來看，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。另外無線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)伯克利分校主持開發(fā)的低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)Mica，處理器芯片采用Atmel公司的AVR系列（TI公司的 MSP430也是不錯的選擇），無線電收發(fā)模塊采用TR1000或CC10000，外加相應(yīng)傳感器接口，實(shí)現(xiàn)了無線傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。節(jié)點(diǎn)間通過無線電方式進(jìn)行通信，協(xié)作完成指定任務(wù)；節(jié)點(diǎn)自身通過ADC通道來感知外界數(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)的硬件布線圖，加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)人員為這個平臺開發(fā)出微型操作系統(tǒng)TinyOS和編程語言nesC，同時國內(nèi)外很多大學(xué)和機(jī)構(gòu)利用這一平臺進(jìn)行相關(guān)問題的研究。

　　無線傳感器網(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)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲容量有限。通過研究發(fā)現(xiàn)，要滿足其自身網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的需要，可以使用一種新的嵌入式系統(tǒng)和嵌入式軟件來實(shí)現(xiàn)。

2.1 操作系統(tǒng)需求

　　從對節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析不難看出，無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件簡單，可以直接在硬件上進(jìn)行編程。但這在工程實(shí)踐中產(chǎn)生許多問題：應(yīng)用程序開發(fā)的難度大大增加，程序員必須對硬件十分了解；程序員無法繼承現(xiàn)有的軟件成果，延長開發(fā)周期；無法形成規(guī)?；褂眯碌男酒?，上層模塊都必須改寫。

　　從現(xiàn)有軟件技術(shù)來看，無線傳感器可以直接使用現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)?，F(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)大多是實(shí)時操作系統(tǒng)，很少考慮能源供應(yīng)，而無線傳感器一個致命點(diǎn)就是能源供應(yīng)無法解決；現(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)大多所占用空間很大，而無線傳感器另一個致命點(diǎn)又是存儲容量有限。

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)有兩個突出特點(diǎn)：一個是消息到達(dá)的并發(fā)性，很密集，即存在多個需要同時執(zhí)行的邏輯控制，需要操作系統(tǒng)在較短時間內(nèi)完成這些頻繁發(fā)生的操作；另一個是無線傳感器節(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)就是為用戶提供一個良好的用戶接口。基于以上分析，研發(fā)人員在無線傳感器節(jié)點(diǎn)處理能力和存儲能力有限情況下設(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，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。

　　為滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，研究人員在TinyOS中引入4種技術(shù)：輕線程、主動消息、事件驅(qū)動和組件化編程。

　　輕線程主要是針對節(jié)點(diǎn)并發(fā)操作可能比較頻繁，且線程比較短，傳統(tǒng)的進(jìn)程/線程調(diào)度無法滿足（使用傳統(tǒng)調(diào)度算法會產(chǎn)生大量能量用在無效的進(jìn)程互換過程中）的問題提出的。

　　主動消息是并行計(jì)算機(jī)中的概念。在發(fā)送消息的同時傳送處理這個消息的相應(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。

　　整個系統(tǒng)的運(yùn)行是因?yàn)槭录?qū)動而運(yùn)行的，沒有事件發(fā)生時，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。

　　組件就是對軟硬件進(jìn)行功能抽象。整個系統(tǒng)是由組件構(gòu)成的，通過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語言實(shí)現(xiàn)的，產(chǎn)生的目標(biāo)代碼比較長。后來研究設(shè)計(jì)出基于組件化和并行模型的nesC語言，產(chǎn)生的目標(biāo)代碼相對較小。用nesC語言可開發(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)動功能和模塊化。通過事件通告讓使用接口者對事件進(jìn)行響應(yīng)；任何滿足接口功能的實(shí)現(xiàn)者都可被其他需要這個接口功能的組件調(diào)用。

2.3.2 組件

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

　　配線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。在這兩個文件中都可使用provides、uses語句。provides表明這個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，一個組件可通過多個組件實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)圖

2.3.3 并行模型

　　通過任務(wù)(task)和中斷處理事件(interrupt hander event)來體現(xiàn)TinyOS并行處理能力。任務(wù)(task)會加入一個FIFO隊(duì)列中，執(zhí)行過程中，任務(wù)間沒有競爭；但中斷處理程序可以打斷任務(wù)執(zhí)行。TinyOS采用二級調(diào)度機(jī)制來滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行特點(diǎn)，整個程序調(diào)度過程如圖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)地說明網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是如何通過主動消息傳遞來實(shí)現(xiàn)的。

　　程序要求節(jié)點(diǎn)啟動以后，開始讓計(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組件開始，完成main組件的StdControl接口的3個命令init()、start()和stop()的具體實(shí)現(xiàn)。這個接口中命令執(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是這個程序要完成的工作，stop是系統(tǒng)關(guān)閉前所要執(zhí)行的動作。這個接口是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)對調(diào)用接口事件的響應(yīng)。GenericComm完成消息的發(fā)送和對接收消息的通告。其配線文件如下：

　　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聲明這個組件調(diào)用接口中命令并對接口中事件進(jìn)行響應(yīng)。所需要響應(yīng)的事件為Timer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組件GenericComm來實(shí)現(xiàn)的。GenericComm通過調(diào)用其他組件實(shí)現(xiàn)從消息包到主動消息、字節(jié)級數(shù)據(jù)傳數(shù)、位級數(shù)據(jù)傳送到無線電收發(fā)模塊的功能。在此不再深入分析其實(shí)現(xiàn)過程，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個消息收發(fā)接口，也就是說系統(tǒng)可以使用256種消息，或者說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事件就會立刻調(diào)用，因此在這個事件中實(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

　　分析無線傳感器節(jié)點(diǎn)Mica和其上運(yùn)行的TinyOS操作系統(tǒng)出發(fā)，描述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)，通過應(yīng)用程序開發(fā)說明其通信模型建立思路，著重描述無線傳感器網(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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