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TinyOS在CC2530下的移植及AODV路由協(xié)議的實現(xiàn)

作者: 時間:2012-07-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:首先介紹了以TI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片2530為核心部件的節(jié)點硬件實現(xiàn),接著介紹操作系統(tǒng)的運行機制及其在2530平臺下的移植過程;并在此基礎(chǔ)上以nesC語言實現(xiàn)了路由協(xié)議,最后對系統(tǒng)進行組網(wǎng)測試,測試結(jié)果表明平臺各功能正常運行并且實現(xiàn)協(xié)議的基本功能。
關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);;2530;

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)是由具有感知、計算和通信能力的大量微型傳感器節(jié)點組成,被廣泛地應(yīng)用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。加州大學(xué)Berkeley分校設(shè)計的基于事件驅(qū)動、組件模塊化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)具有核心程序小、對硬件要求低等優(yōu)勢,但它不支持功能強大的無線傳感網(wǎng)絡(luò)芯片CC2530,為此需要將TinyOS移植至CC2530平臺,以使其得到更好的應(yīng)用。同時為了節(jié)省傳輸能量,需要采用相應(yīng)的路由協(xié)議,以多跳中繼的方式將數(shù)據(jù)經(jīng)由多個節(jié)點組成的路由傳回匯聚節(jié)點或基站。
本文選用TI的CC2530作為傳感器節(jié)點的核心部件,采用Tiny OS操作系統(tǒng)作為軟件平臺,成功將Tiny OS移植至CC2530平臺,并添加了Tim er、UART、RF等組件;在移植的平臺上,以nesC語言實現(xiàn)了AODV路由協(xié)議,并且實現(xiàn)了傳感器節(jié)點的組網(wǎng),數(shù)據(jù)包的多跳轉(zhuǎn)發(fā);為TinyOS和AODV的研究和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)
傳感器節(jié)點一般由供電單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元(由微控制器和存儲器組成)、無線通信單元組成。其中,數(shù)據(jù)處理單元中的微控制器負責(zé)對其他三個單元的控制。
本文的系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點芯片CC2530作為微控制器。CC2530使用了增強型8051CPU,運行時鐘頻率為32 MHz,具有8 KB RAM;包括一個普通16位定時器和兩個8位定時器,21個可編程程I/O引腳,兩個支持多種串行通信協(xié)議的USART,一個符合IEEE 802.15.4標準的2.4 GHz無線收發(fā)器和MAC定時器。CC2530是用于IEEE.802.1 5.4,ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。本文節(jié)點核心部分的硬件設(shè)計如圖1所示。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202256.htm


TinyOS采用基于事件驅(qū)動、兩層調(diào)度的并發(fā)模型。內(nèi)核支持兩種執(zhí)行線程,即中斷處理和任務(wù),主控構(gòu)件維護兩個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持內(nèi)核的兩層調(diào)度:中斷向量表和任務(wù)隊列。TinyOS系統(tǒng)采用組件化思想,其應(yīng)用程序都是由若干個模塊組件和配置組件構(gòu)成的,其組件有四個相互關(guān)聯(lián)的部分:一組命令處理程序句柄,一組事件處理程序句柄,一個經(jīng)過封裝的私有數(shù)據(jù)幀,一組簡單任務(wù)。每一個組件聲明自己使用的接口及其需要用信號的通知的事件。一個應(yīng)用程序的組件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,高層次的組件通過命令調(diào)用低層次組件,低層次組件發(fā)送信號事件給高層次組件,最低層次組件直接與硬件相互作用。
1.3 TinyOS操作系統(tǒng)移植
1.3.1 修改編譯工具鏈
TinyOS開發(fā)環(huán)境為Unix,若要為TinyOS開發(fā)應(yīng)用程序,首先要使用nesC進行編程,產(chǎn)生以“.nc”為擴展名的源文件;然后再調(diào)用Unix的NCC(nesC Compiler)編譯器將源文件編譯成硬件可以執(zhí)行的二進制/十六進制機器碼,如圖3(a)所示。


但nesC的編譯器NCC調(diào)用的是Unix的GCC(GNU Compiler Collection)編譯器,而GCC編譯器并不支持CC2530所使用的8051處理器。為此,需要在編譯過程使用Perl語言,轉(zhuǎn)換C語言編譯器不能識別的nesC關(guān)鍵字,將nesC語言編寫的“.nc”文件編譯為常規(guī)的C語言源文件,然后繞過Unix的GCC編譯器,改由支持8051的Keil進行編譯,其過程如圖3(b)所示。具體的實現(xiàn)為編寫腳本文件mangleAppC.pl,在編譯規(guī)則文“.rules”中添加該Perl腳本的引用,以生成中間文件App.preMangle.c,并通過建立批處理文件CC2530F256.bat,調(diào)用Keil程序編譯生成目標文件App.hex。
1.3.2 TinyOS平臺搭建
TinyOS應(yīng)用程序的編譯是以平臺為對象的,但TinyOS并不支持CC2530平臺,因此必須先建立能被TinyOS承認的平臺。根據(jù)TinyOS最小平臺的定義,需要創(chuàng)建的目錄及編寫的文件為:
(1)/tos/platforms/cc2530目錄,及其下的“.platform”文件、platform.h、PlatformC.nc和PlatformP.nc文件,這些文件包含平臺初始化的實現(xiàn)代碼和平臺的環(huán)境變量;
(2)/tos/support/make下的CC2530em.target文件,包含移植代碼的目標平臺的識別信息;
(3)/tos/support/make/mcs51下的“.rules”文件,包含生成目標平臺二進制/十六進制可執(zhí)行代碼時的編譯說明;
(4)/tos/chips/mcs51下的hardware.h和McuSleepC.nc文件,包含平臺硬件體系必備的宏定義和低功耗機制實現(xiàn)代碼。
1.3.3 基于CC2530的組件編寫
TinyOS應(yīng)用程序是由一系列組件鏈接而成,其中包括用于實現(xiàn)應(yīng)用程序功能的組件、系統(tǒng)提供的用于實現(xiàn)常用功能的組件和針對不同芯片的硬件表達和抽象組件。由于TinyOS本身并不含有針對CC2530平臺的硬件表達和抽象組件,因此需要編寫直接與硬件相互作用的組件來完成移植。編寫以下幾個重要的組件:
(1)IO口組件,通過建立HplCC2530GeneralIOC組件來提供兩類系統(tǒng)接口GeneralIO和Init。
(2)Timer組件,主要由TimerMilli組件、HilTimerMilliC配置組件、HplCC2530TimerlAlarmCounterP組件等組成,用于產(chǎn)生以毫秒為單位的計時器。
(3)Uart組件,由StdOut組件、PlatformSerialC配置組件、HalCC2530SimpleUartP組件等組成,用于實現(xiàn)串口收發(fā)功能。
(4)RF組件,主要由ActiveMessageC配置組件、CC2530ActiveMessageP模塊組件、CC2530TransmitP模塊組件、HalCC2530Radio模塊組件和HplCC2530InterruptsC模塊組件構(gòu)成,用于實現(xiàn)基本無線數(shù)據(jù)傳輸功能。

2 TinyOS下的AODV路由實現(xiàn)
AODV是一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的按需路由協(xié)議,采用最短路由選路,注重網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量,實現(xiàn)簡單。本文以TinyOS作為系統(tǒng)的軟件平臺,根據(jù)TinyOS操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序結(jié)構(gòu),以nesC語言實現(xiàn)了AODV路由協(xié)議。
2.1 AODV路由協(xié)議的基本思想
AODV(Ad hoc On-demand Distance Vector)借用了DSR中路由發(fā)現(xiàn)和路由維護的基礎(chǔ)程序,以及DS-DV的逐跳(Hop-by-Hop)路由、順序編號和路由維護階段的周期更新機制。
當源節(jié)點需要和目的節(jié)點通信時,如果在路由表中已經(jīng)存在了對應(yīng)的路由時,AODV就不會進行任何操作,而是直接進行通信。當原路由失效或者需要和新的目的節(jié)點通信時,它就會發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程,廣播RREQ信息。當RREQ到達目的節(jié)點本身,或者是一個擁有“足夠新”的到目的節(jié)點路由的中間節(jié)點時,目的節(jié)點或者中間節(jié)點通過RREQ的反向路徑向源節(jié)點返回一個RREP消息。所謂“足夠新”就是通過目的序列號來判斷的,每個節(jié)點進行節(jié)點序列號的管理,維護自身的序列號和保存目的節(jié)點序列號。AODV使用了分布式的、基于路由表的路由方式,建立路由表項以后,在路由中的每個節(jié)點都要執(zhí)行路由維持、管理路由表的任務(wù)。節(jié)點會監(jiān)視一個活動路由(Active Route)中下一跳節(jié)點的狀況。當發(fā)現(xiàn)有鏈路斷開的情況時,就向該路由的前驅(qū)節(jié)點發(fā)出RERR消息通知。在RRER消息中,指明了由于鏈路斷開而導(dǎo)致無法到達的目的節(jié)點。每個節(jié)點都保留了一個“前驅(qū)列表”(Precursor List)來幫助完成錯誤報告的功能。
2.2 AODV路由實現(xiàn)的軟件結(jié)構(gòu)
AODV路由協(xié)議的實現(xiàn)主要包括兩個組件:MulitHopEngineM和MulihopAodv,如圖4所示。其中MultiHopEngineM組件負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)分組,Multi HopAodv是AODV路由功能的實現(xiàn)組件,通過配置組件MultiHopAodvRouter將兩個組件寫通(write)起來。


MultiHopAodv使用TimerMilliC提供的Timer接口作為路由協(xié)議所需的定時器,實現(xiàn)了AODV的路由發(fā)現(xiàn)、路由維護、Hello消息等機制,為MulitHopEngineM提供路由的下一跳地址。MultiHopEngineM通過兩個接口(RotlteControl,RolneSelect)和MultiHopAodv交互,它的實現(xiàn)獨立于任何路由協(xié)議實現(xiàn),這非常有利于基于TinyOS平臺的第三方路由協(xié)議的開發(fā)。AodvQueueTransmitP為MultiHopEngineM和MultiHopAodv提供了AMSend和Receive接口,同時提供了FIFO機制。

3 系統(tǒng)測試
采用6個節(jié)點進行組網(wǎng)測試,使用16位的短地址作為節(jié)點地址,如表1所示。系統(tǒng)測試時,PC端使用串口與節(jié)點連接,然后通過串口查看節(jié)點的路由信息和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)情況。


3.1 路由發(fā)現(xiàn)機制
源節(jié)點發(fā)起尋找目的節(jié)點的路由發(fā)現(xiàn)過程,中間節(jié)點收到RREQ后,檢查自身是否有到達目的節(jié)點的有效路由,如果有,則回復(fù)RREP;如果沒有,則繼續(xù)廣播RREQ,如圖5所示。


如圖6和圖7所示,節(jié)點2在收到節(jié)點4發(fā)來的RREQ后,更新到源節(jié)點(節(jié)點4)的路由,同時在路由表查找到目的節(jié)點的有效路由,然后向節(jié)點4回復(fù)RREP。節(jié)點4收到節(jié)點2返回的RREP,添加相應(yīng)路由,將節(jié)點2作為到目的節(jié)點(節(jié)點1)的下一跳節(jié)點。該測試表明本系統(tǒng)實現(xiàn)了AODV路由協(xié)議的RREQ轉(zhuǎn)發(fā)機制和中間路由回復(fù)機制,節(jié)點4獲得到達目的節(jié)點的路由。


3.2 數(shù)據(jù)包的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)
將6個節(jié)點隔開一定距離布置,節(jié)點1作為sink節(jié)點,其余5個節(jié)點建立到達節(jié)點1的路由,向sink節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),中間節(jié)點同時負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他的節(jié)點的數(shù)據(jù),圖8是組網(wǎng)完成后的拓撲圖。


源節(jié)點(節(jié)點3)發(fā)起查找目的節(jié)點(節(jié)點1)路由發(fā)現(xiàn)過程,在建立路由之后(3→4→2→1),向下一跳節(jié)點(節(jié)點4)發(fā)送數(shù)據(jù)包,如圖9所示,中繼節(jié)點(節(jié)點2,節(jié)點4)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包如圖10~圖12所示。在圖12中,目的節(jié)點收到節(jié)點2轉(zhuǎn)發(fā)的來自節(jié)點3的數(shù)據(jù)。從該測試結(jié)果看出系統(tǒng)具備AODV協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)、路由表查找、數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)等基本功能。

4 結(jié)語
本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點和TinyOS操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),根據(jù)系統(tǒng)所采用的硬件將TinyOS操作系統(tǒng)移植至8051平臺,同時添加系統(tǒng)所需的IO,Timer,UART,RF等組件。這些組件提供了AODV路由協(xié)議所需要的IO控制、定時器、射頻收發(fā)等功能。通過測試AODV協(xié)議的路由發(fā)現(xiàn)和多跳轉(zhuǎn)發(fā)等機制驗證了所移植組件和路由協(xié)議實現(xiàn)的正確性。

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