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)大量廉價的傳感器節(jié)點組成,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(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(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
1 節(jié)點組成
節(jié)點是無線傳感器網(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(gòu)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(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)點構(gòu)成框圖
本質(zhì)上,無線傳感器節(jié)點就是一個網(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)計思想在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(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(shù)條件來看,值得考慮的是節(jié)點成本和能源補(bǔ)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(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)點數(shù)之間做出權(quán)衡。
1.3 Mica節(jié)點
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(jìn)行通信,協(xié)作完成指定任務(wù);節(jié)點自身通過ADC通道來感知外界數(shù)據(jù)。
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(qiáng)度、溫度、地磁強(qiáng)度等。http://www.tinyos.net/網(wǎng)站提供了其實現(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)點上微型操作系統(tǒng)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存儲容量有限。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(jié)構(gòu)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(jìn)行編程。但這在工程實踐中產(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)?;?,使用新的芯片,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(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)點處理能力和存儲能力有限情況下設(shè)計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)的運行是因為事件驅(qū)動而運行的,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(chǎn)生的目標(biāo)代碼比較長。后來研究設(shè)計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(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)運行特點,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)只是在后臺提供隊列服務(wù)。
圖7 應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)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(xì)地說明網(wǎng)絡(luò)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(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接口實現(xiàn)計數(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(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聲明這個組件所實現(xiàn)接口中命令和通告相關(guān)事件的產(chǎn)生。需要實現(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(diào)用其他組件實現(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現(xiàn)不同消息的轉(zhuǎn)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(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Mica和其上運行的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)點應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)和消息通信機(jī)制。
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