摘 要：首先介紹了以TI的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)芯片CC2530為核心部件的節(jié)點硬件實現(xiàn)，接著介紹TinyOS操作系統(tǒng)的運行機制及其在CC2530平臺下的移植過程；并在此基礎(chǔ)上以nesC語言實現(xiàn)了AODV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)AODV協(xié)議的基本功能。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò); TinyOS; CC2530; AODV

中圖分類號：TN71134 文獻標識碼：A 文章編號：1004373X(2012)09004104

收稿日期：20120106

基金項目：教育部博士點基金(20100121120020)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［1］，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)TinyOS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［2］。

本文選用TI的CC2530作為傳感器節(jié)點的核心部件，采用TinyOS操作系統(tǒng)作為軟件平臺，成功將TinyOS移植至CC2530平臺，并添加了Timer、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.802.15.4，ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案［3］。本文節(jié)點核心部分的硬件設(shè)計如圖1所示。

1.2 傳感器節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)

TinyOS是加州大學Berkeley分校專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的微型操作系統(tǒng)［45］。該系統(tǒng)采用輕量級線程(Lightweight Thread)、主動消息(Active Message)通信模塊、事件驅(qū)動(Event Driven)模式和組件化編程(ComponentBased Programming)等技術(shù)，有助于提高傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，發(fā)揮硬件的特點，降低其功耗，并且簡化了傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開發(fā)。

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［6］：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。

圖2 TinyOS應(yīng)用程序組件結(jié)構(gòu)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［7］，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CC2530F256.bat，調(diào)用Keil程序編譯生成目標文件App.hex。

圖3 TinyOS應(yīng)用程序編譯過程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［8］:

(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、HplCC2530Timer1AlarmCounterP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DSDV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［9］。

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組件負責轉(zhuǎn)發(fā)分組，MultiHopAodv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(RouteControl，RouteSelect)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)［10］。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。

多跳路由發(fā)現(xiàn)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。

組網(wǎng)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。

參 考 文 獻

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作者簡介： 曾志宏 男，1985年出生，福建漳平人，碩士研究生。主要從事無線通信研究。

楊 琦 男，1977年，福建泉州人，博士，助理教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為無線通信網(wǎng)絡(luò)。2012年5月1日第35卷第9期