黑龍江 趙峰

應(yīng)用TinyOS系統(tǒng)開發(fā)無線傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序的探索

黑龍江 趙峰

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是當(dāng)前國內(nèi)外傳感器技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題。本文基于自動(dòng)抄表技術(shù)思想，設(shè)計(jì)了嵌入到燃?xì)獗碇械臒o線傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)，采用的軟件開發(fā)系統(tǒng)是專用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)TinyOS。程序經(jīng)測試，運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度較高，滿足燃?xì)獗磉h(yuǎn)程抄表的基本應(yīng)用要求。

正常級(jí)；休眠級(jí)；單元網(wǎng)關(guān)；基站

引言

文章提出一種將無線傳感器節(jié)點(diǎn)嵌入到燃?xì)獗碇?，?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線自動(dòng)抄表的技術(shù)。本技術(shù)不同于IC卡表系統(tǒng)，它的計(jì)費(fèi)、收費(fèi)全部移交到燃?xì)夤镜姆?wù)器端進(jìn)行處理，而且又能有效地監(jiān)管用戶實(shí)際使用情況，提高了抄表效率，降低了成本。圖1為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的燃?xì)獗磉h(yuǎn)程抄表系統(tǒng)。

1.硬件介紹

在本方案中，我們將無線傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在燃?xì)獗韮?nèi)，燃?xì)庥昧坑妹}沖計(jì)數(shù)，節(jié)點(diǎn)將脈沖計(jì)數(shù)以無線方式傳遞到基站，由基站將用戶實(shí)際用燃?xì)鈹?shù)換算出來。無線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。在本系統(tǒng)中，處理器模塊采用ATmega128L，它是基于AVRRISC結(jié)構(gòu)的8位微控制器,是AVR系列中功能比較強(qiáng)大的單片機(jī)，具有128KB閃存，4KBSRAM，功耗16.5mW。無線通信模塊采用符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器CC2420。它基于Chipcon公司的SmartRF技術(shù)，以0.18UinCMOS工藝制成，性能穩(wěn)定且功耗極低。

2.節(jié)點(diǎn)上的操作系統(tǒng)

TinyOS是專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定制的微型化操作系統(tǒng)，它采用基于組件化和并行模型的nesC語言，產(chǎn)生的目標(biāo)代碼較小，滿足了無線傳感器節(jié)點(diǎn)處理能力和存儲(chǔ)能力有限的要求，并且具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)處理和資源收集能力。

3.通信機(jī)制

3.1 節(jié)點(diǎn)與基站通信

在本系統(tǒng)中，基站是用來完成將轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)融合上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行通信協(xié)議轉(zhuǎn)換并上傳至服務(wù)器或向無線傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器下達(dá)的命令。

節(jié)點(diǎn)與基站通信采用TOSBase無線——串口通信組件。在通信中為了分辨不同的設(shè)備，采取了地址編碼的方法。即為基站和節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一編碼，每一個(gè)設(shè)備存在一個(gè)唯一的地址碼（網(wǎng)絡(luò)組號(hào)+設(shè)備地址碼）。在通信包中加入目的設(shè)備地址碼，以保證此包到達(dá)目的設(shè)備并只有此目的設(shè)備對此包做出響應(yīng)。

網(wǎng)絡(luò)組號(hào)：占1字節(jié)，可以是服務(wù)器分發(fā)給基站的基站ID號(hào)，也可能是基站發(fā)給節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)?；九c服務(wù)器通信的網(wǎng)絡(luò)組號(hào)為0。

通信協(xié)議中的數(shù)據(jù)包長度=data域的長度。

目的地址：占1字節(jié)，接收數(shù)據(jù)的地址。

數(shù)據(jù)內(nèi)容：多字節(jié)，可以是壓縮或加密的數(shù)據(jù)。

活動(dòng)消息(ActiveMessage,AM)包含了addr,type,group信息，有此定義消息就可以在節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行字節(jié)傳輸。數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)（data）域，根據(jù)數(shù)據(jù)包類型不同，其占用字節(jié)數(shù)也不同，在TinyOS消息的數(shù)據(jù)部分長度默認(rèn)29個(gè)字節(jié)，通過修改Makefile文件中的MSG_SIZE，最大可以是36。

4.節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

4.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用修改后的GAF算法，設(shè)每棟住宅為一組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在每棟住宅安裝一個(gè)基站。考慮到定位問題，基站一般不安裝在大樓中間單元，它一定放置在其左邊的單元數(shù)不等于右邊單元數(shù)的單元中。這里定義了幾個(gè)特定的節(jié)點(diǎn)，有上傳單元網(wǎng)關(guān)、下傳單元網(wǎng)關(guān)。單元網(wǎng)關(guān)為相鄰單元相互通信的簇頭。上傳單元網(wǎng)關(guān)為本單元中數(shù)據(jù)發(fā)送到基站時(shí)通過的單元網(wǎng)關(guān)，單元中靠近基站一側(cè)的節(jié)點(diǎn)可以作為上傳單元網(wǎng)關(guān)。下傳單元網(wǎng)關(guān)為本單元中基站發(fā)出的數(shù)據(jù)通過的本單元網(wǎng)關(guān)傳到下一個(gè)單元的單元網(wǎng)關(guān)，單元中遠(yuǎn)離基站一側(cè)的節(jié)點(diǎn)可以作為下傳單元網(wǎng)關(guān)。

節(jié)點(diǎn)初始化后，開始形成拓?fù)洹Ｃ總€(gè)單元的各層進(jìn)行分簇，從頂層起每兩層為一簇，若最后剩三層則歸為一簇。簇頭選舉以能量為標(biāo)準(zhǔn)，安裝初始時(shí)，因?yàn)楦鞴?jié)點(diǎn)能量相同，按照節(jié)點(diǎn)ID最小的為簇頭，當(dāng)簇頭每發(fā)1000字符后重新生成簇頭一次，能量高者為新簇頭。

4.2 路由結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)適于所有節(jié)點(diǎn)都處于一個(gè)平面的情況，即適于每層有單戶居民或雙戶居民的住宅樓。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸分為上傳和下傳，上傳的定義為節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳到簇頭，簇頭再把數(shù)據(jù)融合后傳到上傳單元網(wǎng)關(guān)中，通過多個(gè)上傳單元網(wǎng)關(guān)傳到基站。下傳的定義為基站發(fā)出的數(shù)據(jù)通過多個(gè)下傳單元網(wǎng)關(guān)，傳輸?shù)街付▎卧螅善鋯卧W(wǎng)關(guān)多跳到簇頭，簇頭再轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)（周期可能較長，取決于節(jié)點(diǎn)喚醒時(shí)，簇頭是否運(yùn)行）。在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，為減少能量消耗，節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中，考慮簇頭由于能量的變化而經(jīng)常改變，因此采取節(jié)點(diǎn)正常級(jí)+休眠級(jí)的工作模式。正常級(jí)為單元網(wǎng)關(guān)處于每5秒喚醒自己1秒的機(jī)制，采用簇頭每10秒喚醒自己1秒的機(jī)制，簇中節(jié)點(diǎn)每5分鐘喚醒自己一次，如果簇頭正在休眠則定義先醒的節(jié)點(diǎn)是臨時(shí)代理簇頭。休眠級(jí)為單元網(wǎng)關(guān)、簇頭、節(jié)點(diǎn)處于每1（或幾個(gè)）小時(shí)喚醒自己1次的機(jī)制，如果單元網(wǎng)關(guān)、簇頭正在休眠則定義先醒的節(jié)點(diǎn)是臨時(shí)代理簇頭；如果節(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系（中途換電池等），每5分鐘喚醒自己一次，每次10秒（必須和正常級(jí)中的秒數(shù)對應(yīng)），三次后若仍無反應(yīng)，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)失效。若有些節(jié)點(diǎn)因故障報(bào)停，影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，則需要維修人員在單元中添加轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

5.結(jié)束語

本文詳細(xì)闡述了無線傳感器節(jié)點(diǎn)在燃?xì)獗碇袘?yīng)用程序的設(shè)計(jì)，此程序經(jīng)測試運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確度較高，并能流暢地上傳到PC機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)必需的低功耗。

[1]孫利民，李建中，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò).北京：清華大學(xué)出版社，2005年.

[2]張帆，李文峰.TinyOS消息通訊機(jī)制以及TOSBase無線-串口通訊組件分析.中國科技論文在線，2005-05-15.

[3]David Gay,Philip Levis,David Culler,Eric Brewer.nesC 1.1 Language Reference Manual.May2003.

[4]Mote In-Network Programming User Reference.TOS In-Network ProgrammingUser Reference.version 20030315.

（作者單位：齊齊哈爾工程學(xué)院）

（編輯 李艷華）