基于TinyOS的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

周 順，張西紅，殷承浩

（軍械工程學(xué)院計(jì)算機(jī)工程系，石家莊 050003）

TinyOS具有微型化、支持輕量級(jí)并發(fā)操作、靈活、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被成千上萬(wàn)的研發(fā)人員采用，應(yīng)用于范圍廣闊的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。TinyOS的設(shè)計(jì)特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：（1）基于組件的編程模型；（2）基于事件觸發(fā)的并發(fā)執(zhí)行模型；（3）采用基于主動(dòng)消息的通信模型。最初TinyOS是由C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，后來(lái)采用nesC語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。nesC對(duì)C語(yǔ)言進(jìn)行了擴(kuò)展，將組件化思想與事件驅(qū)動(dòng)的并發(fā)執(zhí)行模型結(jié)合起來(lái)，提高了應(yīng)用開(kāi)發(fā)的方便性和執(zhí)行的有效性。

1 應(yīng)用程序總體框架和程序模型

在TinyOS中，每個(gè)應(yīng)用程序通常由頂層配置、核心處理模塊和其他組件組成。每個(gè)應(yīng)用程序僅有一個(gè)頂層配置，在頂層配置中，說(shuō)明該應(yīng)用所要使用的組件及組件間的接口關(guān)系。一般而言，與應(yīng)用的頂層配置相對(duì)應(yīng)的存在一個(gè)模塊，以頂層配置名+M.nc命名，此模塊就是該應(yīng)用的核心處理模塊。如果一個(gè)應(yīng)用程序只需頂層配置將幾個(gè)系統(tǒng)組件裝配起來(lái)就可實(shí)現(xiàn)所需的功能，那么，就不必自定義核心處理模塊，但所用的系統(tǒng)組件中必有一個(gè)作為核心處理模塊存在。應(yīng)用程序的功能決定了所要包含的組件，組件間通過(guò)接口進(jìn)行連接，上層組件調(diào)用下層組件的命令，下層組件向上觸發(fā)事件。應(yīng)用程序總體框架如圖1所示。

圖1 應(yīng)用程序總體框架

一個(gè)完整的TinyOS程序就是一個(gè)由若干組件按一定層次關(guān)系裝配而成的復(fù)合組件。TinyOS程序模型如圖2所示。在TinyOS程序模型中，處于最上層的是Main組件。該組件由操作系統(tǒng)提供，傳感器上電復(fù)位后會(huì)首先執(zhí)行該組件中的函數(shù)，其主要功能是初始化硬件、啟動(dòng)任務(wù)調(diào)度器以及執(zhí)行用戶組件的初始化函數(shù)。每個(gè)TinyOS程序至少應(yīng)該具有一個(gè)用戶組件，該用戶組件通過(guò)接口調(diào)用下層組件提供的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)程序功能，如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)收發(fā)等。用戶組件的開(kāi)發(fā)為T(mén)inyOS程序設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。TinyOS提供一些常用組件，如執(zhí)行組件、傳感器組件、通信組件。執(zhí)行組件用于控制LED指示燈、繼電器、步進(jìn)電機(jī)等硬件模塊；傳感器組件用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、亮度等；通信組件則實(shí)現(xiàn)與其它節(jié)點(diǎn)通信。TinyOS提供了兩種通信組件：通過(guò)無(wú)線電收發(fā)器通信的組件和通過(guò)UART口通信的組件，后者僅應(yīng)用于槽節(jié)點(diǎn)中。硬件抽象層對(duì)上層組件屏蔽了底層硬件的特性，從而實(shí)現(xiàn)上層組件的硬件無(wú)關(guān)性，以方便程序移植。

圖2 TinyOS基于組件的程序模型

2 源代碼的編寫(xiě)

本應(yīng)用程序sense模擬從傳感器主板上的照片傳感器上獲取光強(qiáng)度值，通過(guò)ADC組件將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以二進(jìn)制數(shù)值的形式將其低三位值顯示在微粒LED上。其實(shí)現(xiàn)模塊文件為SenseM.nc，配置文件為 Sense.nc。

首先，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)模塊的編寫(xiě)，代碼如下：

3 程序的編譯及仿真

（1）將所編寫(xiě)的程序文件sense放在c：/Tiny－OS/cygwin/opt/TinyOS－1.x/apps目錄下。

（2）打開(kāi)一個(gè)cygwin。

輸入命令“cd：/TinyOS/cygwin/opt/TinyOS－1.x/apps/sense”，進(jìn)入應(yīng)用程序所放目錄，而后運(yùn)行命令“make pc”，系統(tǒng)自動(dòng)編譯程序并會(huì)在sense目錄下生成一個(gè)pc文件夾，其中就是生成的main.exe。

最后輸入命令“build/pc/main.exe－gui 10”（這里的10指設(shè)置了10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)），程序會(huì)自動(dòng)連接圖形化界面TinyViz，如圖3所示。

圖3 連接圖形化界面

（3）不要關(guān)閉cygwin，再打開(kāi)一個(gè)cygwin。

進(jìn) 入 目 錄 ：c：/tinyos/cygwin/opt/TinyOS －1.x/tools/java/net/TinyOS/sim

運(yùn)行命令：“make”

再運(yùn)行命令：“java net.TinyOS.sim.TinyViz”

此時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)打開(kāi)TinyViz界面，其上顯示的是10個(gè)節(jié)點(diǎn)亮燈情況，并顯示調(diào)試dbg信息，如圖4所示。

4 仿真結(jié)果的分析

圖4 TinyViz中模擬節(jié)點(diǎn)采光

在圖4TinyViz界面中顯示10個(gè)節(jié)點(diǎn)的亮燈情況。在還未運(yùn)行時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都有紅、黃、綠三種不同顏色燈。當(dāng)點(diǎn)擊上方的綠色箭頭按鈕時(shí)，仿真軟件即開(kāi)始進(jìn)行模擬，模擬中可以看到10個(gè)節(jié)點(diǎn)中不停地閃爍，模擬獲取光強(qiáng)度值。其中黃燈代表最低位值，綠燈代表第二位值，紅燈代表最高位值。根據(jù)紅、綠、黃的亮燈情況來(lái)模擬節(jié)點(diǎn)所獲取的光強(qiáng)度數(shù)值（二進(jìn)制數(shù)值）。同時(shí)，在右方Debug信息欄里會(huì)顯示節(jié)點(diǎn)獲取光強(qiáng)度值及亮燈情況，上方delay進(jìn)度條可調(diào)節(jié)延遲時(shí)間，左邊Plugins菜單中可以選擇右邊信息框中想要顯示的其他信息。

［1］劉營(yíng)，于宏毅.基于TinyOS的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)技術(shù)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（3）：93－96.

［2］孫利民，李建中，陳渝，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：319－390.

［3］邱桂芳，孫宏宇等.傳感器網(wǎng)絡(luò)研究及初步實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007（4）：350－353.

［4］Levis P，LeeN TOSSM：a simulator for TinyOS networks［EB/OL］.（2005 －12 －25）［2009 －10 －12］.http：∥www.tinyos.net/tinyos－1.x/doc/nido.pdf.