摘  要： 詳細(xì)闡述了基于無(wú)線傳感器硬件搭建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并利用TinyOS進(jìn)行傳感器硬件通信驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)  實(shí)驗(yàn)平臺(tái)  傳感器節(jié)點(diǎn)

　　集成了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)而形成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無(wú)線自組網(wǎng)，它由成千上萬(wàn)甚至數(shù)以百計(jì)的“沙粒”（motes）構(gòu)成。“沙粒”即無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，大小相當(dāng)于給它提供能量的2節(jié)AA電池。它還包含一個(gè)微型處理器，很少的內(nèi)存以及用于感應(yīng)光、溫度、壓力、熱量等的傳感器，此外還有一個(gè)微型無(wú)線電收發(fā)機(jī)，用來(lái)接收和發(fā)送無(wú)線電信號(hào)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被部署在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)后能夠?qū)崟r(shí)感知和采集各種監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)其進(jìn)行處理，最后傳送到用戶。它在國(guó)防軍事、反恐抗災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、工程安全、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都將得到廣泛的應(yīng)用，必將引發(fā)信息感知和采集的革命[1]。
　　典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。此網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、基站（Base Station）、Internet或通信衛(wèi)星、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)(Task Manager Node)等部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)飛行器撒播、人工埋置和火箭彈射等方式散布在指定的感知區(qū)域內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以收集數(shù)據(jù)，并通過(guò)“多跳”路由方式把數(shù)據(jù)傳送到基站。基站也可用同樣的方式將信息發(fā)送給各節(jié)點(diǎn)。基站直接與Internet或通信衛(wèi)星相連，通過(guò)Internet或通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)(即觀察者)與傳感器之間的通信[2]。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣闊應(yīng)用前景引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。由于各方面條件的限制，目前針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究大多基于模擬環(huán)境（如NS-2），然而在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究中會(huì)遇到在模擬環(huán)境下無(wú)法預(yù)料的問(wèn)題。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中占據(jù)非常重要的作用。為此本文主要介紹了如何搭建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括利用TinyOS在傳感器硬件上進(jìn)行測(cè)試，保證傳感器節(jié)點(diǎn)間無(wú)線通信正常，這些都是實(shí)現(xiàn)傳感器應(yīng)用實(shí)例的前提工作。本文將重點(diǎn)介紹如何利用Crossbow公司的無(wú)線傳感器產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和基于此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證；Crossbow公司的5040系列硬件產(chǎn)品；TinyOS系統(tǒng)和傳感器硬件驗(yàn)證；將來(lái)的研究方向。
1  硬  件
　　Crossbow公司是全球第一家提供Smart Dust無(wú)線傳感器的公司。該公司提供了一系列傳感器和相關(guān)硬件，其中大部分產(chǎn)品是即插即用的。硬件產(chǎn)品上的所有部件都支持TinyOS操作系統(tǒng)(此系統(tǒng)是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校專為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的微型操作系統(tǒng))。
　　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件采用的是MOTE-KIT 5040系列。它包括4個(gè)MICA2 Processor/Radio Boards、4個(gè)MICA2DOT Boards、3個(gè)MTS310 Sensor Boards、2個(gè)MDA500 MICA2DOT 原型和數(shù)據(jù)采集板以及1個(gè)MIB510編程接口板。
　　MOTE-KIT5040系列的主要部件是MICA2。它是早期產(chǎn)品MICA的改進(jìn)，采用的TinyOS操作系統(tǒng)是一個(gè)小型、開(kāi)源、節(jié)能的軟件操作系統(tǒng)，支持大規(guī)模、自配置的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其源代碼和軟件開(kāi)發(fā)工具可以在網(wǎng)上下載。MICA2采用的硬件平臺(tái)為MPR400CB，MPR400CB采用了Atmel Atmega 128L微控制器，該控制器從其自帶的ROM中運(yùn)行TinyOS操作系統(tǒng)?？梢岳镁幊探涌诎鍖?duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)。MICA2具有許多優(yōu)良的特性：
　?、偈堑谌⌒椭悄軣o(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。
　?、趦?nèi)嵌TinyOS操作系統(tǒng)，提供了前所未有的通信和處理能力。
　?、墼谛菝吣Ｊ剑珹A電池可以使用一年。
　　④無(wú)線通信功能強(qiáng)大，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由器的功能。
　?、?33MHz或868/916MHz的多信道收發(fā)天線。
　?、薰饷簟囟?、RH、氣壓、震動(dòng)、聲學(xué)、電磁以及諸多可選的傳感器。
　?、咧С譄o(wú)線的遠(yuǎn)程重編程。
　?、嗑哂写罅靠捎玫膫鞲衅靼搴蛿?shù)據(jù)采集板。
　?、崤c下一代產(chǎn)品MICA2DOT完全兼容。
　　MICA2DOT與MICA2相比的主要優(yōu)點(diǎn)在于其體積約是MICA2的四分之一。其他功能與MICA2極其類似。
MOTE-KIT5040還提供了3塊傳感器板，這些接口板可以通過(guò)一個(gè)51腳的接口連到MICA2上。任何一個(gè)MICA2節(jié)點(diǎn)都可以配置成基站來(lái)進(jìn)行工作。基站可將從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)取得的數(shù)據(jù)匯集到計(jì)算機(jī)上。
2  基于TinyOS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)
　　TinyOS操作系統(tǒng)是一個(gè)小型、開(kāi)源、節(jié)能的軟件操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)支持大規(guī)模、自配置的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，安裝比較簡(jiǎn)單，與普通應(yīng)用軟件安裝過(guò)程類似。完整的安裝包包括如下軟件（一般選擇完全安裝）： TinyOS、TinyOS Tools、NesC、Cygwin、Support Tools、Java 1.4 JDK & Java COMM 2.0、Graphviz、AVR Tools（avr-binutils、avr-libc、avr-gcc、avarice、avr-insight）。
　　調(diào)試嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的難點(diǎn)是：難以區(qū)分錯(cuò)誤源在應(yīng)用程序還是在嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)。但由于TinyOS安裝包包括了2個(gè)用于對(duì)系統(tǒng)和傳感器硬件進(jìn)行驗(yàn)證的工具，因此可以利用這2個(gè)工具在調(diào)試應(yīng)用程序前確認(rèn)傳感器節(jié)點(diǎn)本身是否有問(wèn)題。
　　首先，對(duì)傳感器硬件驗(yàn)證前要先對(duì)安裝的PC工具進(jìn)行確認(rèn)，包括 avr gcc compiler、perl、flex、cygwin（如果使用Windows操作系統(tǒng)）、JDK 1.4.x等。利用TinyOS自帶的 toscheck工具可以檢驗(yàn)PC工具是否安裝完全，其操作步驟是：雙擊圖標(biāo)運(yùn)行cygwin應(yīng)用程序，進(jìn)入/tools/scripts目錄，鍵入toscheck。運(yùn)行后，最后1行輸出應(yīng)為“toscheck completed  without error”。若發(fā)現(xiàn)顯示錯(cuò)誤，則必須先解決該錯(cuò)誤再繼續(xù)下面的步驟。
　　接下來(lái)可以使用下面2種方法[3]進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件驗(yàn)證：
　　(1)TinyOS自帶的MicaHWVerify程序。
　　(2)Crossbow提供的圖形用戶界面程序Mote-Test。
2.1 使用MicaHWVerify進(jìn)行硬件驗(yàn)證
　　MicaHWVerify程序?qū)ｉT用來(lái)驗(yàn)證MICA/MICA2/MICA2DOT節(jié)點(diǎn)硬件。若所使用的硬件平臺(tái)不同則不適宜使用該程序。以下步驟都以驗(yàn)證MICA2節(jié)點(diǎn)為例(對(duì)MICA2-DOT節(jié)點(diǎn)只需修改相應(yīng)參數(shù)即可)。對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件編程時(shí)須注意：若使用配套的電源給編程接口板供電，將傳感器節(jié)點(diǎn)插到接口板前要保證節(jié)點(diǎn)上的電池已取出；若利用傳感器節(jié)點(diǎn)上的電池給編程接口板供電，則不需再接電源但必須保證電池電量≥3.0V，且節(jié)點(diǎn)上開(kāi)關(guān)狀態(tài)為On。驗(yàn)證步驟如下。
　　(1)運(yùn)行cygwin后，進(jìn)入/apps/MicaHWVerify目錄。鍵入make mica2編譯MicaHWVerify程序。若使用MICA2/MICA2DOT平臺(tái)，完整的命令應(yīng)該是PFLAGS=-DCC1K_MANUAL_FREQ=<freq> make <mica2|mica2dot>。其中，<freq>可以根據(jù)需要在315MHz、433MHz和915MHz中任選1個(gè)，具體設(shè)置方式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[5]。本文則選用915MHz的頻率；若使用MICA平臺(tái)，則鍵入make mica。
　　(2)將MICA2節(jié)點(diǎn)插到編程接口板上（MIB510），用電池或電源供電（通電后編程接口板上的綠燈亮）。
　　(3)將編程接口板通過(guò)串口連到計(jì)算機(jī)。如果使用編程接口板MIB500，則將編程接口板通過(guò)并口連到計(jì)算機(jī)（以下未特別聲明的編程接口板都是指MIB510）。
　　(4)將程序裝載到MICA2節(jié)點(diǎn)上。鍵入MIB510=COM# make reinstall mica2。其中：COM#表示MIB510連接在計(jì)算機(jī)端口COM#上（#=1、2、3……本文取為COM1）；rein-stall是直接將已編譯過(guò)的程序裝載到指定節(jié)點(diǎn)上而不再重新編譯程序，因此速度較快；若使用命令install代替reinstall，則先對(duì)目標(biāo)平臺(tái)編譯再將程序裝載到節(jié)點(diǎn)。如果使用MIB500，則鍵入make reinstall mica2即可。回車后，MIB510編程接口板的典型輸出如下：
　　$ mib510 make reinstall mica2
　　installing mica2 binary
　　uisp -dprog=mib510 -dserial=COM1 -dpart=ATmega128 --wr_fuse_e=ff --erase --upload if=build/mica2/main.srec
　　Firmware Version：2.1
　　Atmel AVR ATmega128 is found.
　　Uploading：flash
　　Fuse Extended Byte set to 0xff
　　這時(shí)可以知道編程接口板和計(jì)算機(jī)串口工作正常。接下來(lái)繼續(xù)驗(yàn)證傳感器節(jié)點(diǎn)硬件。
　　(5)鍵入make -f jmakefile，再鍵入MOTECOM=serial@
　　COM1：57 600 java hardware_check，計(jì)算機(jī)上的輸出應(yīng)該大致為：
　　hardware_check started
　　hardware verification successful
　　Node Serial ID：1 60 48 fb 6 0 0 1d
　　其中，Node Serial ID是MicaHWVerify程序分配給MICA2節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)，該程序檢查結(jié)點(diǎn)序列號(hào)、閃存連通性、UART功能和外部時(shí)鐘。當(dāng)這些狀態(tài)都正常時(shí)，屏幕上就會(huì)打印出硬件檢測(cè)成功的消息。由于MICA2DOT沒(méi)有序列號(hào)，當(dāng)編譯MicaHWVerify時(shí)會(huì)提示警告信息“Serial ID not supported on mica2dot platform”，最終的運(yùn)行結(jié)果serial ID輸出全為0xFF。
　　最后，驗(yàn)證傳感器節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信。應(yīng)注意通信時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)間要使用統(tǒng)一的頻率，即 PFLAGS=-DCC1K_MANUAL_FREQ=915 988 000。為操作方便，可以在apps/目錄下建立一個(gè)Makelocal文件來(lái)設(shè)定參數(shù)默認(rèn)值，其內(nèi)容如下：
　　PFLAGS=-DCC1K_DEFAULT_FREQ=CC1K_915_998_MHZ
　　MIB510=COM1
　　這樣，以后就不必每次輸入MIB510=……、PFLAGS=……等表設(shè)置參數(shù)了。
        通信實(shí)驗(yàn)需要2個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，因此先對(duì)另一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行硬件檢測(cè)，再按下述步驟操作，使其充當(dāng)?shù)谝粋€(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線網(wǎng)關(guān)程序。
　　(6)進(jìn)入/apps/TOSBase目錄，鍵入make mica2編譯TOSBase程序。
　　(7)將TOSBase程序裝載到插在MIB510編程接口板上的傳感器節(jié)點(diǎn)，并將另一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)（注意：該節(jié)點(diǎn)裝載的是MicaHWVerify程序）放在附近。
　　(8)鍵入MOTECOM=serial@COM1：57600 java hardware_check來(lái)運(yùn)行hardware_check java程序，輸出結(jié)果應(yīng)和前面類似：
　　hardware_check started
　　Hardware verification successful.
　　Node Serial ID：1 60 48 fb 6 0 0 1e
　　這里返回遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)，表示傳感器節(jié)點(diǎn)間無(wú)線通信驗(yàn)證成功。如果遠(yuǎn)端傳感器節(jié)點(diǎn)關(guān)閉或工作不正常，將返回提示信息“Node transmission failure”。
2.2 使用Mote-Test進(jìn)行硬件驗(yàn)證
　　驗(yàn)證傳感器硬件還有另外一種更快捷的方法，即使用Mote-Test程序。介紹如下。
　　(1)從光盤運(yùn)行/Crossbow Software/Mote-Test文件夾下的setup.exe安裝Mote-Test。
　　(2)從光盤/Crossbow Software/Mote Firmware目錄下拷貝MICA2_TEST_315、MICA2_TEST_433、MICA2_TEST_916、MICA2DOT_TEST_315、MICA2DOT_TEST_433、MICA2DOT_TEST_916文件夾到/apps目錄下。
　　(3)用電源給MIB510編程接口板供電，并通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)相連。首先，在MICA2上裝載測(cè)試固件（Test Firm-ware）。
　　(4)運(yùn)行cygwin，進(jìn)入MICA2_TEST_XXX目錄（XXX是頻率，本實(shí)驗(yàn)中使用的是MICA2_TEST_916）。
　　(5)鍵入MIB510=COM1 make mica2 reinstall，在待測(cè)試的傳感器節(jié)點(diǎn)上裝載測(cè)試固件，如果裝載成功，按下編程板上的RESET按鈕后會(huì)看到LEDs閃爍，驗(yàn)證了編程接口板和計(jì)算機(jī)串口工作正常。
　　(6)設(shè)置Mote-Test檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)。運(yùn)行Mote-Test，在窗口中點(diǎn)擊GONFIGURE 按鈕，彈出一個(gè)配置對(duì)話框。在其中選擇正確的端口號(hào)（這里是COM1）。MICA2固件配置的波特率是57 600，默認(rèn)的包大小是36，UART CRC設(shè)置為不可用。一旦配置好，按下SET NOW 按鈕，主屏幕就會(huì)彈出。
　　(7)接下來(lái)驗(yàn)證傳感器節(jié)點(diǎn)硬件工作是否正常。Mote-Test允許使用插在MIB500/MIB510上的一個(gè)MICA2或MICA2DOT節(jié)點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)基站或PC的串行網(wǎng)關(guān)，用來(lái)測(cè)試和演示2個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間的雙向無(wú)線通信，也可以驗(yàn)證傳感器硬件和計(jì)算機(jī)串口是否工作正常。
　　①使用一個(gè)裝載過(guò)MICA2_TEST_916固件、電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)作為測(cè)試無(wú)線通信功能的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)。
　?、趯⒁粋€(gè)裝載過(guò)MICA2_TEST_916固件的傳感器節(jié)點(diǎn)插到編程接口板上，稱此節(jié)點(diǎn)為基站。基站的頻率要和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)相同。
　　③將MIB510編程接口板通過(guò)串口連到計(jì)算機(jī)。
　　④按下SELF TEST按鈕，選擇好測(cè)試對(duì)象后，將遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)放在距離基站大于0.6米的地方。
　　⑤運(yùn)行MICA2硬件驗(yàn)證測(cè)試，按下START TEST按鈕。
檢測(cè)后，輸出結(jié)果如圖2所示。

　　從圖中可以看出，若Memory檢測(cè)成功，MEM OK綠燈亮；Battery檢測(cè)電池電量大小；RSSI測(cè)試有2個(gè)值，可以顯示遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)與基站的連通性。若RSSI值小于-80.00將顯示FAIL，但這并不意味著節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信失敗，可能因?yàn)镸ICA2節(jié)點(diǎn)距離基站太遠(yuǎn)，可以通過(guò)縮短MICA2節(jié)點(diǎn)與基站間距離來(lái)改善RSSI值。在本實(shí)驗(yàn)中，RSSI實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)分別為-64.50和-61.88，說(shuō)明連通性較好。Serial ID NUMBER顯示本地傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件序列號(hào)。當(dāng)各項(xiàng)狀態(tài)都正常時(shí)，最上面的PASS綠燈亮。傳感器硬件測(cè)試完成后，就可以根據(jù)需求自己編寫程序，通過(guò)編程接口板加載到傳感器上，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種功能。
3  結(jié)論及下一步工作
　　本文介紹了如何搭建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以及在此平臺(tái)上的系統(tǒng)驗(yàn)證。內(nèi)容涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和發(fā)展前景、傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件測(cè)試、傳感器節(jié)點(diǎn)間無(wú)線通信等。在此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，可以編寫應(yīng)用程序（Nesc和Java程序）完成傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種功能。
　　下一步的工作是在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上研究具體的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，需要解決如下問(wèn)題：(1)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位和同步問(wèn)題。(2)研究網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議中的路由算法。(3)研究傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理問(wèn)題。
參考文獻(xiàn)
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