论文部分内容阅读
[摘 要]TinyOS是由U.C.Berkeley专为嵌入式无线传感网络设计开发的开源操作系统，GAINZ是中科院计算技术研究所开发的无线传感器节点平台。由于TinyOS系统并未加入对GAINZ节点的底层支持，在TinyOS中开发的网络协议与应用程序无法直接运行于GAINZ节点上，因此进行TinyOS的移植就需要对GAINZ节点模块进行相应的驱动程序设计。对TinyOS生成的例子和编写的应用组件message进行仿真测试和烧录到GAINZ节点测试，Blink测试程序使得节点上的Led灯（红、绿、黄灯）以不同的频率闪烁，编写的应用组件程序message使得发送节点红灯先亮，接收节点绿灯后亮。测试结果表明，在GAINZ上移植TinyOS是可行的。
[关键词]无线传感器网络（WSN）；TinyOS移植；nesC；GAINZ
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0144-01
1、引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）是当前在国际上备受关注的前沿热点研究领域。目前，国内许多学者已经证明了TinyOS的可移植性，也实现了TinyOS在不同芯片（如51单片机、PIC微处理器、无线单片机CC1010、CC2430、嵌入式开发板GENE-8310、LCP2136FBD64等等）上的移植，并提出了很多改进方法，如采用基于FIFO的动态优先级调度策略、引入抢占式任务调度策略等在任务调度策略上的一些改进。针对不同的应用，对TinyOS系统的要求也不一样，这就需要我们对TinyOS的组件进行相应的重建或修改。对不同平台上移植TinyOS，并让其正确运行，达到与平台良好的融合是目前TinyOS移植的最终目标。由于我们选择的开发平台是中科院研发的GAINZ节点平台，而TinyOS系统并未加入对GAINZ节点的底层支持，本文针对GAINZ自身的特点，分析了TinyOS的移植性，并比较GAINZ节点和MICAZ节点的异同，修改组件和编写应用组件实现了TinyOS的移植。个可行的研究平台。
2、GAINZ节点
GAINZ节点是由中科院计算所研发的无线传感器网络节点平台，它兼容2.4G无线传感器网络节点，在传输距离、功耗等方面具有一定的优势。GAINZ采用低功耗微处理器芯片ATMEGL128，射频部分采用的是CHIPCON CC2420芯片，扩展存储采用容量达512KB的低功耗FLASH存储器。整个系统采用了通用的接口插槽，将传感、处理和通信模块进行分离，可以实现按照不同的应用需求进行不同的扩展[1]。
TinyOS支持的硬件平台中有MICAZ，MICAZ节点是由Crossbow公司设计开发的，通过研究发现，MICAZ与GAINZ存在很大的相同点。在文献[2]中有较详细比较了两者的异同，本文对其进行了归纳，它们的相同点包括：主要的节点结构、采用的处理器、射频收发器、flash存储器的型号和扩展接口等部件一致，两者器件的连接方式也基本一致。两者的不同之处在于处理器使用的晶振频率，GAINZ使用的是8MHz晶振，而MICAz使用的是7.3827MHz晶振。
3.1 TinyOS体系结构
Tinyos的应用运行环境主要由5个部分实现：Main组件用于节点硬件的初始化以及调度程序的开始执行；应用组件由具体的应用定义，用于实现用户需求的具体应用的功能；系统组件用于为应用层组件提供各种服务；HPL（硬件描述层）是底层硬件的包装，对硬件平台有较高依赖性，该层组件即使起到硬件包装、管理硬件起到隔离应用层与硬件的作用，硬件描述层的独立抽象增强了TinyOS的移植性。通过硬件抽象层对硬件平台的合理描述，可使操作系统内核基本和具体的硬件无关，从而实现不同平台间的移植；节点硬件是操作系统与其应用程序运行的硬件平台上的硬件设施。
3.2 nesC语言
nesC（C language for network embedded systems）是加州大学伯克利分校在C语言的基础上进行的一定的扩展，目的是为了能更好的支持TinyOS的组件化编程模式，以方便有效地支持面向传感器网络的应用和操作系统的开发。TinyOS以及基于TinyOS的应用都是nesC编写的。nesC主要的特点包括：支持基于组件的编程模式，并兼容标准的C语言语法；将组件化/模块化思想和TinyOS基于事件驱动的执行模型结合起来以利于WSN协议的开发；编译器支持实现参数化接口，利于用户程序的开发；组件化编程思想，提高代码的可重用度，极大节省了代码空间。
nesC语言中，应用程序都是由组件和接口组成：⑴.组件 ：nesC组件使用的是一个纯局部的命名空间，这就是说一个组件除了要声明它将执行的函数外， 还要声明它所调用的函数。每一个组件都有一个形式说明（specification），这个形式说明是一段代码，它声明了组件所提供（执行）接口（函数） 和所使用（调用）的接口（函数）。nesC有两种组件：配件（configurations），用于将组件连接在一起从而形成一个新的组件；模块（modules），提供了接口代码的实现，并且分配组件内部状态，是组件内部行为的具体实现。配件和模块的主要区别是后者有实现代码但不能连接。前者没有代码，但可以连接⑵.接口：接口（interface）是相关函数的一个集合，用户可以根据功能的需要定义自己的接口，但在定义接口中的函数时，必须使用command或 event关键字声明该函数是命令或是事件，否则编译时会报错。
4、TinyOS在GAINZ上的移植
TinyOS已包含对Atmega128L处理器的支持，我们也通过对比GAINZ节点与MICAZ节点，发现两者的不同之处在于处理器使用的晶振频率，这意味这在编程设置处理器串行接口的波特率时有所不同。因此只需通过修改TinyOS中波特率寄存器UBRR的值即可在TinyOS中使用“make micaz”来编译应用程序，使其在GAINZ节点上正确运行，大大简化了在GAINZ上实现TinyOS移植的工作。但是GAINZ上移植TinyOS1.x与移植TinyOS2.x略有不同，在TinyOS2.x中，并不需要对GAINZ进行硬件描述层的编写，就能使用“make micaz”来编译应用程序；并且不需要再定制编译环境，TinyOS2.x系统自身便能生成ihex格式的二进制代码。这样在TinyOS中应用程序编译之后就可以生成ihex格式的二进制代码，并可通过GAINZ开发包中的AVR程序烧写器进传感器节点中。移植的整体步骤如下：①安装、配置TinyOS2.x环境；②编写移植代码：使用nesC语言编写自定义应用组件message；③进行移植测试：首先使用“make micaz”编译是否通过；其次使用“make micaz sim”进行仿真；最后使用“python *.py”命令显示仿真结果。④移植到GAINZ节点上：将应用组件编译通过后，将会自动生成的main.ihex文件，我们将其改成main.hex，烧录到GAINZ节点上。 5、测试
安装配置好环境以后，在windows下运行cygwin，输入命令“tos-check-env ”测试安装环境；对Blink例子和应用组件message仿真，显示仿真结果：Blink是利用dbg语句在内核上使定时器0、定时器1、定时器2按不同频率显示仿真时间；应用组件message是节点间的通信，所以仿真时只会显示发送节点发送成功时的消息即“successfully sending”。使用Graphviz产生可视化的图（组件间的关系），并通过使用“make micaz docs”在/opt/tinyos-2.x/doc/nesdoc目录下面的micaz文件夹中生成index.html。通过在网页左边的导航栏中点击components栏中的BlinkAppC、messageAppC，可以看见nesdoc，将生成的main.ihex文件烧录到GAINZ节点里，如果GAINZ节点上烧录的是Blink测试程序，则节点上的Led灯（红、绿、黄灯）以不同的频率闪烁；如果GAINZ节点上烧录了自己编的应用组件程序message，则GAINZ节点上发送节点红灯先亮，接收节点绿灯后亮。
6、结论
本文利用研究者已实现在不同平台上移植TinyOS的经验，以在GAINZ上实现移植为目标，编写了应用组件message，并对它和TinyOS下的测试实例进行了仿真测试和烧录到GAINZ节点测试。所得仿真结果为：Blink是利用dbg语句在内核上使定时器0、定时器1、定时器2按不同频率显示仿真时间；应用组件message是节点间的通信，所以仿真时只会显示发送节点发送成功时的消息即“successfully sending”。烧录到GAINZ节点测试结果为：Blink测试程序使得节点上的Led灯（红、绿、黄灯）以不同的频率闪烁；自己编的应用组件程序message使得发送节点红灯先亮，接收节点绿灯后亮。试结果表明，在GAINZ上移植TinyOS是可行的。
参考文献
[1] 宁波中科集成电路设计中心（计算所宁波分部），中国科学院计算技术研究所信息网络室.GAINZ节点产品白皮书.2005.12.
[2] 唐彤兰.无线传感器网络节点自定位技术与无线传感器网络开发平台研究[D].浙江杭州：浙江大学 信息与通信工程，2007.
[关键词]无线传感器网络（WSN）；TinyOS移植；nesC；GAINZ
中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）33-0144-01
1、引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）是当前在国际上备受关注的前沿热点研究领域。目前，国内许多学者已经证明了TinyOS的可移植性，也实现了TinyOS在不同芯片（如51单片机、PIC微处理器、无线单片机CC1010、CC2430、嵌入式开发板GENE-8310、LCP2136FBD64等等）上的移植，并提出了很多改进方法，如采用基于FIFO的动态优先级调度策略、引入抢占式任务调度策略等在任务调度策略上的一些改进。针对不同的应用，对TinyOS系统的要求也不一样，这就需要我们对TinyOS的组件进行相应的重建或修改。对不同平台上移植TinyOS，并让其正确运行，达到与平台良好的融合是目前TinyOS移植的最终目标。由于我们选择的开发平台是中科院研发的GAINZ节点平台，而TinyOS系统并未加入对GAINZ节点的底层支持，本文针对GAINZ自身的特点，分析了TinyOS的移植性，并比较GAINZ节点和MICAZ节点的异同，修改组件和编写应用组件实现了TinyOS的移植。个可行的研究平台。
2、GAINZ节点
GAINZ节点是由中科院计算所研发的无线传感器网络节点平台，它兼容2.4G无线传感器网络节点，在传输距离、功耗等方面具有一定的优势。GAINZ采用低功耗微处理器芯片ATMEGL128，射频部分采用的是CHIPCON CC2420芯片，扩展存储采用容量达512KB的低功耗FLASH存储器。整个系统采用了通用的接口插槽，将传感、处理和通信模块进行分离，可以实现按照不同的应用需求进行不同的扩展[1]。
TinyOS支持的硬件平台中有MICAZ，MICAZ节点是由Crossbow公司设计开发的，通过研究发现，MICAZ与GAINZ存在很大的相同点。在文献[2]中有较详细比较了两者的异同，本文对其进行了归纳，它们的相同点包括：主要的节点结构、采用的处理器、射频收发器、flash存储器的型号和扩展接口等部件一致，两者器件的连接方式也基本一致。两者的不同之处在于处理器使用的晶振频率，GAINZ使用的是8MHz晶振，而MICAz使用的是7.3827MHz晶振。
3.1 TinyOS体系结构
Tinyos的应用运行环境主要由5个部分实现：Main组件用于节点硬件的初始化以及调度程序的开始执行；应用组件由具体的应用定义，用于实现用户需求的具体应用的功能；系统组件用于为应用层组件提供各种服务；HPL（硬件描述层）是底层硬件的包装，对硬件平台有较高依赖性，该层组件即使起到硬件包装、管理硬件起到隔离应用层与硬件的作用，硬件描述层的独立抽象增强了TinyOS的移植性。通过硬件抽象层对硬件平台的合理描述，可使操作系统内核基本和具体的硬件无关，从而实现不同平台间的移植；节点硬件是操作系统与其应用程序运行的硬件平台上的硬件设施。
3.2 nesC语言
nesC（C language for network embedded systems）是加州大学伯克利分校在C语言的基础上进行的一定的扩展，目的是为了能更好的支持TinyOS的组件化编程模式，以方便有效地支持面向传感器网络的应用和操作系统的开发。TinyOS以及基于TinyOS的应用都是nesC编写的。nesC主要的特点包括：支持基于组件的编程模式，并兼容标准的C语言语法；将组件化/模块化思想和TinyOS基于事件驱动的执行模型结合起来以利于WSN协议的开发；编译器支持实现参数化接口，利于用户程序的开发；组件化编程思想，提高代码的可重用度，极大节省了代码空间。
nesC语言中，应用程序都是由组件和接口组成：⑴.组件 ：nesC组件使用的是一个纯局部的命名空间，这就是说一个组件除了要声明它将执行的函数外， 还要声明它所调用的函数。每一个组件都有一个形式说明（specification），这个形式说明是一段代码，它声明了组件所提供（执行）接口（函数） 和所使用（调用）的接口（函数）。nesC有两种组件：配件（configurations），用于将组件连接在一起从而形成一个新的组件；模块（modules），提供了接口代码的实现，并且分配组件内部状态，是组件内部行为的具体实现。配件和模块的主要区别是后者有实现代码但不能连接。前者没有代码，但可以连接⑵.接口：接口（interface）是相关函数的一个集合，用户可以根据功能的需要定义自己的接口，但在定义接口中的函数时，必须使用command或 event关键字声明该函数是命令或是事件，否则编译时会报错。
4、TinyOS在GAINZ上的移植
TinyOS已包含对Atmega128L处理器的支持，我们也通过对比GAINZ节点与MICAZ节点，发现两者的不同之处在于处理器使用的晶振频率，这意味这在编程设置处理器串行接口的波特率时有所不同。因此只需通过修改TinyOS中波特率寄存器UBRR的值即可在TinyOS中使用“make micaz”来编译应用程序，使其在GAINZ节点上正确运行，大大简化了在GAINZ上实现TinyOS移植的工作。但是GAINZ上移植TinyOS1.x与移植TinyOS2.x略有不同，在TinyOS2.x中，并不需要对GAINZ进行硬件描述层的编写，就能使用“make micaz”来编译应用程序；并且不需要再定制编译环境，TinyOS2.x系统自身便能生成ihex格式的二进制代码。这样在TinyOS中应用程序编译之后就可以生成ihex格式的二进制代码，并可通过GAINZ开发包中的AVR程序烧写器进传感器节点中。移植的整体步骤如下：①安装、配置TinyOS2.x环境；②编写移植代码：使用nesC语言编写自定义应用组件message；③进行移植测试：首先使用“make micaz”编译是否通过；其次使用“make micaz sim”进行仿真；最后使用“python *.py”命令显示仿真结果。④移植到GAINZ节点上：将应用组件编译通过后，将会自动生成的main.ihex文件，我们将其改成main.hex，烧录到GAINZ节点上。 5、测试
安装配置好环境以后，在windows下运行cygwin，输入命令“tos-check-env ”测试安装环境；对Blink例子和应用组件message仿真，显示仿真结果：Blink是利用dbg语句在内核上使定时器0、定时器1、定时器2按不同频率显示仿真时间；应用组件message是节点间的通信，所以仿真时只会显示发送节点发送成功时的消息即“successfully sending”。使用Graphviz产生可视化的图（组件间的关系），并通过使用“make micaz docs”在/opt/tinyos-2.x/doc/nesdoc目录下面的micaz文件夹中生成index.html。通过在网页左边的导航栏中点击components栏中的BlinkAppC、messageAppC，可以看见nesdoc，将生成的main.ihex文件烧录到GAINZ节点里，如果GAINZ节点上烧录的是Blink测试程序，则节点上的Led灯（红、绿、黄灯）以不同的频率闪烁；如果GAINZ节点上烧录了自己编的应用组件程序message，则GAINZ节点上发送节点红灯先亮，接收节点绿灯后亮。
6、结论
本文利用研究者已实现在不同平台上移植TinyOS的经验，以在GAINZ上实现移植为目标，编写了应用组件message，并对它和TinyOS下的测试实例进行了仿真测试和烧录到GAINZ节点测试。所得仿真结果为：Blink是利用dbg语句在内核上使定时器0、定时器1、定时器2按不同频率显示仿真时间；应用组件message是节点间的通信，所以仿真时只会显示发送节点发送成功时的消息即“successfully sending”。烧录到GAINZ节点测试结果为：Blink测试程序使得节点上的Led灯（红、绿、黄灯）以不同的频率闪烁；自己编的应用组件程序message使得发送节点红灯先亮，接收节点绿灯后亮。试结果表明，在GAINZ上移植TinyOS是可行的。
参考文献
[1] 宁波中科集成电路设计中心（计算所宁波分部），中国科学院计算技术研究所信息网络室.GAINZ节点产品白皮书.2005.12.
[2] 唐彤兰.无线传感器网络节点自定位技术与无线传感器网络开发平台研究[D].浙江杭州：浙江大学 信息与通信工程，2007.