基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)

翟祥偉，吳 蒙

(南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210003)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］(WSN)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價的傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點以無線通信的方式構(gòu)成一種多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)，并對網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種信息進(jìn)行監(jiān)測、感知和采集。傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)人員直接對硬件進(jìn)行編程導(dǎo)致較大的開發(fā)難度和極低的軟件重用性，增加了開發(fā)成本和工程周期，結(jié)合考慮無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量、內(nèi)存和接口等資源極為有限的特點，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的應(yīng)用尤為必要。

TinyOS是加州大學(xué)伯克利分校專為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)量身定制的操作系統(tǒng)［2］。采用的技術(shù)包括組件化的編程、事件驅(qū)動機制、輕量級線程和主動消息通信等，這些技術(shù)都是為了保證操作系統(tǒng)能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊要求，使其在處理能力和存儲能力有限的情況下具有更強的網(wǎng)絡(luò)處理和資源收集能力。

目前廣泛采用的支持TinyOS的節(jié)點平臺如MicaZ［3］和TelosB［4］，它們采用ATmega128/MSP430和 CC2420相結(jié)合的架構(gòu)，并搭載了多種傳感器以滿足實際應(yīng)用的需求。由于CC2420工作頻率為2.4 GHz，繞射能力低，傳輸距離十分有限，且額定輸出功率0 dBm，穿透能力不強，這些缺點限制了節(jié)點只能使用在室內(nèi)或相對開闊的環(huán)境［5］。

本文首先設(shè)計了一個支持TinyOS的簡易節(jié)點硬件系統(tǒng)，結(jié)合微控制器MSP430F5438A和915 MHz射頻芯片，支持遠(yuǎn)距離的無線通信。接著在分析TinyOS的硬件抽象架構(gòu)的基礎(chǔ)上介紹如何在已有的TinyOS芯片支持文件上對所設(shè)計節(jié)點進(jìn)行移植。最后對移植完成的節(jié)點進(jìn)行包括串口通信、組網(wǎng)通信在內(nèi)的穩(wěn)定性測試，再聯(lián)合micaZ節(jié)點和TelosB節(jié)點作性能對比測試，驗證該節(jié)點的先進(jìn)性。

1 newnode節(jié)點硬件模塊

將本文搭建的TinyOS平臺節(jié)點命名為newnode，筆者選用全新的MSP430F5438A開發(fā)板進(jìn)行newnode平臺的搭建。節(jié)點原型包括微控制器與射頻，通過SPI口進(jìn)行通信，關(guān)鍵部分接口電路如圖1所示。

圖1 節(jié)點關(guān)鍵接口電路

1.1 主控芯片

MSP430F5438A是TI公司推出的一款微控制器，具有許多優(yōu)異的特性［6］。通過設(shè)計5種低功耗模式使系統(tǒng)僅在必要時啟動所需時鐘來顯著降低功耗，配合極低的喚醒時間更是實現(xiàn)了超低功耗;同時作為一款16位的微控制器，在指令速度相等的情況下，其運算性能遠(yuǎn)高于8位微控制器。與MSP430F5xxx系列其他型號相比，MSP430F5438A有著更大的ROM和RAM，能夠滿足TinyOS的程序和數(shù)據(jù)存儲需求。

1.2 射頻模塊

在射頻部分，針對2.4 GHz頻段的射頻傳輸距離短的問題，筆者選用了915 MHz射頻芯片來搭建硬件節(jié)點平臺。由于低頻率器件的路徑損耗更低，因此其可用距離幾乎是采用2.4 GHz器件的 3倍［7］。該射頻模塊接受靈敏度可達(dá)-110 dBm，可編程發(fā)送輸出頻率可達(dá)+10 dBm，有著較強的抗干擾性和穿透性。工作電壓為1.8～3.6 V，與主控芯片相匹配，在保證了良好的兼容性的同時也簡化了電路設(shè)計。

2 TinyOS系統(tǒng)的移植

2.1 TinyOS硬件抽象架構(gòu)

TinyOS2.0采用了3層結(jié)構(gòu)的硬件抽象化設(shè)計，基于3個不同的抽象化級別，結(jié)合組件的特點，形成了一個高效的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［8-9］。圖2為TinyOS硬件抽象架構(gòu)。

圖2 TinyOS硬件抽象架構(gòu)

在圖示的組件框架里，底層抽象為硬件表示層(HPL)，它與硬件的寄存器和中斷密切相關(guān)，主要任務(wù)是表示硬件的功能，同時通過隱藏復(fù)雜的硬件接口來簡化對硬件的操作;中間層硬件適配層(HAL)使用由底層提供的原始接口，建立起硬件抽象，提供了對硬件模塊的全功能訪問，是硬件抽象架構(gòu)的核心;頂層抽象為硬件接口層(HIL)，它使用中間層提供的硬件抽象，提供了與平臺無關(guān)的硬件接口，便于軟件的開發(fā)和移植。

2.2 移植TinyOS至newnode

newnode節(jié)點平臺硬件上包括兩個關(guān)鍵部分，微控制器芯片MSP430F5438A和915 MHz無線射頻芯片。對于一款芯片，在眾多的基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平臺中，雖然所采取的硬件連接方式各有不同，但其大部分的邏輯工作與具體的平臺無關(guān)。因此，newnode平臺的開發(fā)工作就是把TinyOS中已有的該平臺各個芯片代碼進(jìn)行連接整合［10-11］。需要注意的是，TinyOS只有在最新發(fā)布的Tiny-Prod這個版本添加了對MSP430F5xxx系列的支持，所以筆者選用的Tiny-OS版本為Tiny-Prod。newnode平臺定義的關(guān)鍵目錄及文件如圖3所示。

圖3 newnode節(jié)點平臺源碼目錄

下面分別對圖中關(guān)鍵目錄及文件進(jìn)行說明，包括三大分支:

1)首先在tiny-prod/tos/chips目錄中，TinyOS提供了包括MSP430，915M_RF在內(nèi)的眾多芯片的驅(qū)動代碼支持。對于MSP430，也提供了其外圍模塊的驅(qū)動代碼，如flash，timer，adc，dma，usci等。

2)其次，在tiny-prod/tos/platforms/newnode目錄下，需要定義新建的newnode平臺，這一步將各個模塊連接整合在一起，是移植的關(guān)鍵。需創(chuàng)建并定義在該目錄下的核心文件有:

.platform:該文件定義newnode平臺的基本編譯參數(shù)，包括編譯所需的目錄和傳遞給NesC編譯器的各種參數(shù)，目錄必須包括源碼樹中所有文件夾;

hardware.h:該文件定義newnode平臺的常量、引腳并包含外部頭文件“msp430hardware.h”，該頭文件提供了MSP430寄存器資源的定義，它包含在tiny-prod/tos/chips/msp430目錄中;

platformP.nc和platformC.nc:這兩個文件用于newnode節(jié)點的啟動和初始化，需在其中提供Init接口，將平臺初始化工作與RealMain組件連接起來;

hardware目錄:該目錄下為每個外設(shè)定義了一個子目錄，定義了平臺外設(shè)的初始化操作;

chips目錄:連接底層射頻驅(qū)動關(guān)鍵目錄，需在該目錄下新建射頻目錄以存放射頻HAL層組件，通過這些組件與HIL層通用射頻組件庫rfxlink(存放于tiny-prod/tos/lib/rfxlink)和網(wǎng)絡(luò)組件庫net(存放于tiny-prod/tos/net)相連接來完成射頻驅(qū)動的設(shè)計。

射頻驅(qū)動部分關(guān)鍵性組件包括:

RadioConfig.h文件，配置射頻驅(qū)動變量和宏定義;

RFDriverLayerC.nc和 RFDriverLayerP.nc文件，通過 SPI總線、GPIO接口構(gòu)建完整的射頻驅(qū)動代碼，并對外提供射頻控制接口;

RFRadioC.nc和RFRadioP.nc文件，連接射頻底層關(guān)鍵組件，并配置TinyOS庫函數(shù)的應(yīng)用參數(shù);

RFActiveMessageC:該文件定義了各個層次的組件，包括Send，Receive，和 SplitControl。

3)最后，需要在tiny-prod/support/make目錄下創(chuàng)建newnode.target文件，使得編譯系統(tǒng)將“newnode”理解為合法的平臺名字。newnode.target中需設(shè)置PLATFORM變量值，使平臺包含msp處理器的文件(make/msp/msp.rules)并為該平臺上的程序提供編譯規(guī)則，具體內(nèi)容如下:

#-*-Makefile-*-vim:syntax=make

PLATFORM=newnode

MSP_MCU=msp430f5438a

$(call TOSMake_include_platform，msp)

newnode:MYM(BUILD_DEPS)

@:

至此，已經(jīng)初步搭建完newnode平臺。使用NULL應(yīng)用進(jìn)行編譯測試，NULL應(yīng)用是專門用來測試編譯環(huán)境的程序框架。進(jìn)入tiny-prod/apps/Null目錄，對該應(yīng)用在newnode平臺下進(jìn)行編譯，如圖4所示，可以順利通過。

圖4 NULL應(yīng)用編譯結(jié)果(截圖)

3 性能測試

使用3個節(jié)點，搭建簡易的星狀網(wǎng)絡(luò)，同步進(jìn)行組網(wǎng)通信與串口通信的測試。使用其中1個節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過串口連接PC，另外2個作為普通節(jié)點周期性地向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點收到數(shù)據(jù)后通過串口發(fā)送給PC，PC端使用串口調(diào)試助手顯示數(shù)據(jù)。據(jù)此編寫上層應(yīng)用TestNetwork［12］，組網(wǎng)協(xié)議采用CTP匯聚樹協(xié)議。實驗室環(huán)境下，接收數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點接收數(shù)據(jù)(截圖)

取圖中第一行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)CTP協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式截取有效載荷為:00 01 AA BB 00 07，其中00 01為發(fā)送源節(jié)點號，AA BB為固定自定義數(shù)據(jù)，00 07為每次發(fā)送遞增1的自定義數(shù)據(jù)。有效載荷區(qū)之前為主動消息區(qū)，表示了有效載荷長度、網(wǎng)絡(luò)組號和AM類型，之后為CRC校驗位。由圖可以看出，1號節(jié)點與2號節(jié)點周期地向根節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，運行穩(wěn)定。

在性能測試中，選用目前廣泛采用的MicaZ和Telosb節(jié)點作為對比，檢測最大發(fā)射功率下多種通信環(huán)境中節(jié)點的丟包率。將TestNetwork應(yīng)用分別在3種平臺上進(jìn)行編譯，并下載到對應(yīng)節(jié)點。分別在大樓內(nèi)部和室外操場環(huán)境下進(jìn)行測試，各點在測試時保證通信次數(shù)1 000以上。測試結(jié)果見表1和表2。

表1 室內(nèi)環(huán)境下3種節(jié)點丟包率對比 %

表2 室外環(huán)境下3種節(jié)點丟包率對比 %

測試結(jié)果表明，室內(nèi)環(huán)境下，newnode節(jié)點在60 m距離、3堵墻阻隔下依然保持極低的丟包率;室外300 m內(nèi)的開闊環(huán)境下，newnode節(jié)點能實現(xiàn)有效而可靠的通信，當(dāng)通信距離達(dá)到800 m時，丟包率才開始出現(xiàn)陡增。而Telosb節(jié)點和MicaZ節(jié)點僅能保證室內(nèi)20 m、室外150 m的可靠通信，當(dāng)通信距離達(dá)到300 m時基本失去可靠性，這也與官方給出的室內(nèi)20～30 m，室外75～100 m的使用距離吻合［13］。由此可見，newnode節(jié)點在室內(nèi)和室外環(huán)境下的傳輸性能均大幅領(lǐng)先Telosb節(jié)點和MicaZ節(jié)點，符合節(jié)點設(shè)計預(yù)期。

4 小結(jié)

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深入發(fā)展，對作為其基礎(chǔ)的無線傳感器節(jié)點也提出了更高的要求。本文設(shè)計了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件平臺，結(jié)合微控制器MSP430F5438A和915 MHz射頻芯片，具有傳輸距離遠(yuǎn)、穿透性強等特點。同時，將無傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TinyOS針對本節(jié)點進(jìn)行移植，大大降低了節(jié)點應(yīng)用的開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期。后續(xù)可以使用該節(jié)點作為原型，通過加入多種傳感器進(jìn)行功能拓展以滿足實際應(yīng)用。

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