來源：單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 作者：武漢理工大學(xué) 林喜源

    摘要 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)wsn（wireless sensor network）由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成multihop自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。本文從分析無線傳感器節(jié)點(diǎn)mica和其上運(yùn)行的操作系統(tǒng)tinyos出發(fā)，著重描述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)和消息通信機(jī)制。

    關(guān)鍵詞 tinyos 無線傳感器 nesc mica節(jié)點(diǎn)

    1 節(jié)點(diǎn)組成

    節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署到研究區(qū)域中用于收集和轉(zhuǎn)發(fā)信息、協(xié)作完成指定任務(wù)的對(duì)象。每個(gè)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的程序可以是完全相同的，唯一不同的是其id。

    1.1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成

    無線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線電通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    圖1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成框圖

    本質(zhì)上，無線傳感器節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的分布式嵌入式系統(tǒng)，通過無線信道實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的通信。為了減少通信量，在本地完成必要計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，從而協(xié)作完成部署空間數(shù)據(jù)的采集。在應(yīng)用上體現(xiàn)以網(wǎng)絡(luò)為中心，節(jié)點(diǎn)的功能通過網(wǎng)絡(luò)來體現(xiàn)。因而傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)計(jì)思想在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中遇到許多挑戰(zhàn)：節(jié)點(diǎn)中運(yùn)行程序存在大量并行和節(jié)點(diǎn)協(xié)同計(jì)算。

    1.2 節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)，不同應(yīng)用領(lǐng)域使用不同的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)是用于監(jiān)測的，分布密度大且范疇廣，因此必須低成本、低功耗和小尺寸。從現(xiàn)有技術(shù)條件來看，值得考慮的是節(jié)點(diǎn)成本和能源補(bǔ)給。節(jié)點(diǎn)不可能采用太高的頻率，因?yàn)轭l率與能量的消耗是正相關(guān)的，頻率高則能量消耗大。另外無線電通信模塊能量消耗也大，傳送距離同能量消耗也是正相關(guān)的，因而須在發(fā)送距離和節(jié)點(diǎn)數(shù)之間做出權(quán)衡。

    1.3 mica節(jié)點(diǎn)

    加州大學(xué)伯克利分校主持開發(fā)的低功耗無線傳感器節(jié)點(diǎn)mica，處理器芯片采用atmel公司的avr系列（ti公司的 msp430也是不錯(cuò)的選擇），無線電收發(fā)模塊采用tr1000或cc10000，外加相應(yīng)傳感器接口，實(shí)現(xiàn)了無線傳感器節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。節(jié)點(diǎn)間通過無線電方式進(jìn)行通信，協(xié)作完成指定任務(wù)；節(jié)點(diǎn)自身通過adc通道來感知外界數(shù)據(jù)。

    圖2 mica節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

    mica節(jié)點(diǎn)上可感知多個(gè)不同物理量：光強(qiáng)度、溫度、地磁強(qiáng)度等。http://www.tinyos.net/網(wǎng)站提供了其實(shí)現(xiàn)的硬件布線圖，加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)人員為這個(gè)平臺(tái)開發(fā)出微型操作系統(tǒng)tinyos和編程語言nesc，同時(shí)國內(nèi)外很多大學(xué)和機(jī)構(gòu)利用這一平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)問題的研究。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)在傳感器技術(shù)最大的不同在于，將現(xiàn)有的傳感器技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化，使傳感器技術(shù)應(yīng)用更好，為現(xiàn)在傳感器技術(shù)提供更新的解決方法。

    2 節(jié)點(diǎn)上微型操作系統(tǒng)

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)容量有限。通過研究發(fā)現(xiàn)，要滿足其自身網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的需要，可以使用一種新的嵌入式系統(tǒng)和嵌入式軟件來實(shí)現(xiàn)。

    2.1 操作系統(tǒng)需求

    從對(duì)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)分析不難看出，無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件簡單，可以直接在硬件上進(jìn)行編程。但這在工程實(shí)踐中產(chǎn)生許多問題：應(yīng)用程序開發(fā)的難度大大增加，程序員必須對(duì)硬件十分了解；程序員無法繼承現(xiàn)有的軟件成果，延長開發(fā)周期；無法形成規(guī)�；�，使用新的芯片，上層模塊都必須改寫。

    從現(xiàn)有軟件技術(shù)來看，無線傳感器可以直接使用現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)�，F(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)大多是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，很少考慮能源供應(yīng)，而無線傳感器一個(gè)致命點(diǎn)就是能源供應(yīng)無法解決；現(xiàn)有嵌入式操作系統(tǒng)大多所占用空間很大，而無線傳感器另一個(gè)致命點(diǎn)又是存儲(chǔ)容量有限。

    無線傳感器節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)突出特點(diǎn)：一個(gè)是消息到達(dá)的并發(fā)性，很密集，即存在多個(gè)需要同時(shí)執(zhí)行的邏輯控制，需要操作系