TinyOS在CC2530下的移植及AODV路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

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(diǎn)硬件實(shí)現(xiàn)，接著介紹TinyOS操作系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)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(shí)現(xiàn)了AODV路由協(xié)議，最后對系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)測試，測試結(jié)果表明平臺各功能正常運(yùn)行并且實(shí)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

0 引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)是由具有感知、計(jì)算和通信能力的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，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(xué)Berkeley分校設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)組成的路由傳回匯聚節(jié)點(diǎn)或基站。
    本文選用TI的CC2530作為傳感器節(jié)點(diǎn)的核心部件，采用Tiny OS操作系統(tǒng)作為軟件平臺，成功將Tiny OS移植至CC2530平臺，并添加了Tim er、UART、RF等組件；在移植的平臺上，以nesC語言實(shí)現(xiàn)了AODV路由協(xié)議，并且實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)
    傳感器節(jié)點(diǎn)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(fù)責(zé)對其他三個(gè)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(diǎn)芯片CC2530作為微控制器。CC2530使用了增強(qiáng)型8051CPU，運(yùn)行時(shí)鐘頻率為32 MHz，具有8 KB RAM；包括一個(gè)普通16位定時(shí)器和兩個(gè)8位定時(shí)器，21個(gè)可編程程I／O引腳，兩個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART，一個(gè)符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz無線收發(fā)器和MAC定時(shí)器。CC2530是用于IEEE．802．1 5．4，ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。本文節(jié)點(diǎn)核心部分的硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

1．2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件結(jié)構(gòu)
    TinyOS是加州大學(xué)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)。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(diǎn)，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(hù)兩個(gè)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(duì)列。TinyOS系統(tǒng)采用組件化思想，其應(yīng)用程序都是由若干個(gè)模塊組件和配置組件構(gòu)成的，其組件有四個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分：一組命令處理程序句柄，一組事件處理程序句柄，一個(gè)經(jīng)過封裝的私有數(shù)據(jù)幀，一組簡單任務(wù)。每一個(gè)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(gè)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。
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(jìn)行編程，產(chǎn)生以“．nc”為擴(kuò)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(jìn)制／十六進(jìn)制機(jī)器碼，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(jìn)行編譯，其過程如圖3(b)所示。具體的實(shí)現(xiàn)為編寫腳本文件mangleAppC．pl，在編譯規(guī)則文“．rules”中添加該P(yáng)erl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CC2530F256．bat，調(diào)用Keil程序編譯生成目標(biāo)文件App．hex。
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(rèn)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：
    (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(shí)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(biāo)平臺的識別信息；
    (3)／tos／support／make／mcs51下的“．rules”文件，包含生成目標(biāo)平臺二進(jìn)制／十六進(jìn)制可執(zhí)行代碼時(shí)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(jī)制實(shí)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(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序功能的組件、系統(tǒng)提供的用于實(shí)現(xiàn)常用功能的組件和針對不同芯片的硬件表達(dá)和抽象組件。由于TinyOS本身并不含有針對CC2530平臺的硬件表達(dá)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(gè)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、HplCC2530TimerlAlarmCounterP組件等組成，用于產(chǎn)生以毫秒為單位的計(jì)時(shí)器。
    (3)Uart組件，由StdOut組件、PlatformSerialC配置組件、HalCC2530SimpleUartP組件等組成，用于實(shí)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(shí)現(xiàn)基本無線數(shù)據(jù)傳輸功能。

2 TinyOS下的AODV路由實(shí)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(shí)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(shí)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(hù)的基礎(chǔ)程序，以及DS-DV的逐跳(Hop-by-Hop)路由、順序編號和路由維護(hù)階段的周期更新機(jī)制。
    當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要和目的節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，如果在路由表中已經(jīng)存在了對應(yīng)的路由時(shí)，AODV就不會進(jìn)行任何操作，而是直接進(jìn)行通信。當(dāng)原路由失效或者需要和新的目的節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，它就會發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，廣播RREQ信息。當(dāng)RREQ到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)本身，或者是一個(gè)擁有“足夠新”的到目的節(jié)點(diǎn)路由的中間節(jié)點(diǎn)時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)或者中間節(jié)點(diǎn)通過RREQ的反向路徑向源節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)RREP消息。所謂“足夠新”就是通過目的序列號來判斷的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)序列號的管理，維護(hù)自身的序列號和保存目的節(jié)點(diǎn)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(xiàng)以后，在路由中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要執(zhí)行路由維持、管理路由表的任務(wù)。節(jié)點(diǎn)會監(jiān)視一個(gè)活動路由(Active Route)中下一跳節(jié)點(diǎn)的狀況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有鏈路斷開的情況時(shí)，就向該路由的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)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(dá)的目的節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保留了一個(gè)“前驅(qū)列表”(Precursor List)來幫助完成錯誤報(bào)告的功能。
2．2 AODV路由實(shí)現(xiàn)的軟件結(jié)構(gòu)
    AODV路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)主要包括兩個(gè)組件：MulitHopEngineM和MulihopAodv，如圖4所示。其中MultiHopEngineM組件負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)分組，Multi HopAodv是AODV路由功能的實(shí)現(xiàn)組件，通過配置組件MultiHopAodvRouter將兩個(gè)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(shí)器，實(shí)現(xiàn)了AODV的路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)、Hello消息等機(jī)制，為MulitHopEngineM提供路由的下一跳地址。MultiHopEngineM通過兩個(gè)接口(RotlteControl，RolneSelect)和MultiHopAodv交互，它的實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于任何路由協(xié)議實(shí)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)。AodvQueueTransmitP為MultiHopEngineM和MultiHopAodv提供了AMSend和Receive接口，同時(shí)提供了FIFO機(jī)制。

3 系統(tǒng)測試
    采用6個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)測試，使用16位的短地址作為節(jié)點(diǎn)地址，如表1所示。系統(tǒng)測試時(shí)，PC端使用串口與節(jié)點(diǎn)連接，然后通過串口查看節(jié)點(diǎn)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(jī)制
    源節(jié)點(diǎn)發(fā)起尋找目的節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)過程，中間節(jié)點(diǎn)收到RREQ后，檢查自身是否有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)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。

    如圖6和圖7所示，節(jié)點(diǎn)2在收到節(jié)點(diǎn)4發(fā)來的RREQ后，更新到源節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)4)的路由，同時(shí)在路由表查找到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由，然后向節(jié)點(diǎn)4回復(fù)RREP。節(jié)點(diǎn)4收到節(jié)點(diǎn)2返回的RREP，添加相應(yīng)路由，將節(jié)點(diǎn)2作為到目的節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)1)的下一跳節(jié)點(diǎn)。該測試表明本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了AODV路由協(xié)議的RREQ轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和中間路由回復(fù)機(jī)制，節(jié)點(diǎn)4獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。

3．2 數(shù)據(jù)包的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)
    將6個(gè)節(jié)點(diǎn)隔開一定距離布置，節(jié)點(diǎn)1作為sink節(jié)點(diǎn)，其余5個(gè)節(jié)點(diǎn)建立到達(dá)節(jié)點(diǎn)1的路由，向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，中間節(jié)點(diǎn)同時(shí)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，圖8是組網(wǎng)完成后的拓?fù)鋱D。

    源節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)3)發(fā)起查找目的節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)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(diǎn)(節(jié)點(diǎn)4)發(fā)送數(shù)據(jù)包，如圖9所示，中繼節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)2，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)收到節(jié)點(diǎn)2轉(zhuǎn)發(fā)的來自節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(jī)制驗(yàn)證了所移植組件和路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)的正確性。