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摘要 無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Network）由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量廉價的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成multihop自組織的網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(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Mica和其上運行的操作系統(tǒng)TinyOS出發(fā)，著重描述無線傳感器網絡節(jié)點應用程序體系結構和消息通信機制。 關鍵詞 TinyOS 無線傳感器 nesC Mica節(jié)點 1 節(jié)點組成 節(jié)點是無線傳感器網絡中部署到研究區(qū)域中用于收集和轉發(fā)信息、協(xié)作完成指定任務的對象。每個節(jié)點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(jié)點構成 無線傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線電通信模塊和能量供應模塊4部分組成，整個結構如圖1所示。
圖1 無線傳感器節(jié)點構成框圖 本質上，無線傳感器節(jié)點就是一個網絡化的分布式嵌入式系統(tǒng)，通過無線信道實現(xiàn)網絡間的通信。為了減少通信量，在本地完成必要計算進行數(shù)據融合，從而協(xié)作完成部署空間數(shù)據的采集。在應用上體現(xiàn)以網絡為中心，節(jié)點的功能通過網絡來體現(xiàn)。因而傳統(tǒng)的嵌入式設計思想在無線傳感器網絡中遇到許多挑戰(zhàn)：節(jié)點中運行程序存在大量并行和節(jié)點協(xié)同計算。 1.2 節(jié)點特點 無線傳感器網絡是應用相關性網絡，不同應用領域使用不同的網絡技術實現(xiàn)。由于無線傳感器節(jié)點是用于監(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)有技術條件來看，值得考慮的是節(jié)點成本和能源補給。節(jié)點不可能采用太高的頻率，因為頻率與能量的消耗是正相關的，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的，因而須在發(fā)送距離和節(jié)點數(shù)之間做出權衡。 1.3 Mica節(jié)點 加州大學伯克利分校主持開發(fā)的低功耗無線傳感器節(jié)點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，外加相應傳感器接口，實現(xiàn)了無線傳感器節(jié)點，如圖2所示。節(jié)點間通過無線電方式進行通信，協(xié)作完成指定任務；節(jié)點自身通過ADC通道來感知外界數(shù)據。
圖2 Mica節(jié)點實物圖 Mica節(jié)點上可感知多個不同物理量：光強度、溫度、地磁強度等。http://www.tinyos.net/網站提供了其實現(xiàn)的硬件布線圖，加州大學伯克利分校研發(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，同時國內外很多大學和機構利用這一平臺進行相關問題的研究。 無線傳感器網絡與現(xiàn)在傳感器技術最大的不同在于，將現(xiàn)有的傳感器技術進行網絡化，使傳感器技術應用更好，為現(xiàn)在傳感器技術提供更新的解決方法。 2 節(jié)點上微型操作系統(tǒng) 無線傳感器網絡節(jié)點存儲容量有限。通過研究發(fā)現(xiàn)，要滿足其自身網絡運行的需要，可以使用一種新的嵌入式系統(tǒng)和嵌入式軟件來實現(xiàn)。 2.1 操作系統(tǒng)需求 從對節(jié)點結構分析不難看出，無線傳感器節(jié)點硬件簡單，可以直接在硬件上進行編程。但這在工程實踐中產生許多問題：應用程序開發(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)�；�，使用新的芯片，上層模塊都必須改寫。 從現(xiàn)有軟件技術來看，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)大多是實時操作系統(tǒng)，很少考慮能源供應，而無線傳感器一個致命點就是能源供應無法解決；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又是存儲容量有限。 無線傳感器節(jié)點有兩個突出特點：一個是消息到達的并發(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)在較短時間內完成這些頻繁發(fā)生的操作；另一個是無線傳感器節(jié)點模塊化程序高，要求操作系統(tǒng)為應用程序對硬件控制提供方便操作。 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�；谝陨戏治觯邪l(fā)人員在無線傳感器節(jié)點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(tǒng)TinyOS，具有更強的網絡處理和資源收集能力，滿足無線傳感器網絡的要求。 為滿足無線傳感器網絡的要求，研究人員在TinyOS中引入4種技術：輕線程、主動消息、事件驅動和組件化編程。 輕線程主要是針對節(jié)點并發(fā)操作可能比較頻繁，且線程比較短，傳統(tǒng)的進程/線程調度無法滿足（使用傳統(tǒng)調度算法會產生大量能量用在無效的進程互換過程中）的問題提出的。 主動消息是并行計算機中的概念。在發(fā)送消息的同時傳送處理這個消息的相應處理函數(shù)ID和處理數(shù)據，接收方得到消息后可立即進行處理，從而減少通信量。 整個系統(tǒng)的運行是因為事件驅動而運行的，沒有事件發(fā)生時，微處理器進入睡眠狀態(tài)，從而可以達到節(jié)能的目的。 組件就是對軟硬件進行功能抽象。整個系統(tǒng)是由組件構成的，通過組件提高軟件重用度和兼容性，程序員只關心組件的功能和自己的業(yè)務邏輯，而不必關心組件的具體實現(xiàn)，從而提高編程效率。 2.3 TinyOS操作系統(tǒng)的實現(xiàn) TinyOS操作系統(tǒng)最初是用C語言實現(xiàn)的，產生的目標代碼比較長。后來研究設計出基于組件化和并行模型的nesC語言，產生的目標代碼相對較小。用nesC語言可開發(fā)TinyOS操作系統(tǒng)和其上運行的應用程序。 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，向調用者提供命令和實現(xiàn)命令者進行事件通告。 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用。 接口體現(xiàn)事件驅動功能和模塊化。通過事件通告讓使用接口者對事件進行響應；任何滿足接口功能的實現(xiàn)者都可被其他需要這個接口功能的組件調用。 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用組件進行程序開發(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現(xiàn)對接口中事件進行響應。組件結構如圖4所示。
圖4 組件結構圖
基于組件的思想，一個組件可通過多個組件實現(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結構圖
2.3.3 并行模型 通過任務(task)和中斷處理事件(interrupt hander event)來體現(xiàn)TinyOS并行處理能力。任務(task)會加入一個FIFO隊列中，執(zhí)行過程中，任務間沒有競爭；但中斷處理程序可以打斷任務執(zhí)行。TinyOS采用二級調度機制來滿足無線傳感網絡運行特點，整個程序調度過程如圖6所示。組件中完成任務提交，由操作系統(tǒng)完成調度。
圖6 TinyOS程序結構框圖
基于以上分析，一個節(jié)點上應用程序的框圖如圖7所示。操作系統(tǒng)只是在后臺提供隊列服務。
圖7 應用程序結構框圖
3 具體實現(xiàn)說明 現(xiàn)以節(jié)點收發(fā)計數(shù)器中的數(shù)值為例，更為詳細地說明網絡協(xié)議是如何通過主動消息傳遞來實現(xiàn)的。 程序要求節(jié)點啟動以后，開始讓計數(shù)器計數(shù)，每秒向外廣播自己的計數(shù)值，同時接收其他節(jié)點上計數(shù)器的值。 3.1 main組件 TinyOS應用程序從main組件開始，完成main組件的StdControl接口的3個命令init()、start()和stop() 的具體實現(xiàn)。這個接口中命令執(zhí)行次序可用init*(start|stop)*,應用程序執(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)關閉前所要執(zhí)行的動作。這個接口是TinyOS應用程序標準接口，與硬件操作相關的其他組件必須用到這個接口，實現(xiàn)接口中的命令。 3.2 使用的接口 StdControl接口完成應用程序啟動及相關硬件初始化。 interface StdControl {
command result_t init();
command result_t start();
command result_t stop();
}
Timer接口實現(xiàn)計數(shù)功能。
interface Timer {
command result_t start(char type, uint32_t interval);
//設定觸發(fā)類型和計數(shù)值
command result_t stop()
//中止計數(shù)器
event result_t fired();
//計數(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實現(xiàn)邏輯功能。Main是系統(tǒng)必需的。test5M提供接口的命令并實現(xiàn)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聲明這個組件所實現(xiàn)接口中命令和通告相關事件的產生。需要實現(xiàn)StdControl接口中命令init()、start()和stop()。 Uses聲明這個組件調用接口中命令并對接口中事件進行響應。所需要響應的事件為Timer接口的fired()事件、SendMsg接口的sendDone事件和ReceiveMsg接口的receive事件。 3.5 通信實現(xiàn) test5M發(fā)送和接收消息是通過組件GenericComm來實現(xiàn)的。GenericComm通過調用其他組件實現(xiàn)從消息包到主動消息、字節(jié)級數(shù)據傳數(shù)、位級數(shù)據傳送到無線電收發(fā)模塊的功能。在此不再深入分析其實現(xiàn)過程，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)進行轉換。由于系統(tǒng)是非阻塞模式，一旦消息到達組件test5M中，receive事件就會立刻調用，因此在這個事件中實現(xiàn)不同消息的轉換，從而實現(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)轉換1
case 2: //狀態(tài)轉換2
}
return m;
} 結語 分析無線傳感器節(jié)點Mica和其上運行的TinyOS操作系統(tǒng)出發(fā)，描述無線傳感器網絡節(jié)點體系結構，通過應用程序開發(fā)說明其通信模型建立思路，著重描述無線傳感器網絡節(jié)點應用程序體系結構和消息通信機制。
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