应用TinyOS系统开发无线传感器节点应用程序的探索

黑龙江 赵峰

应用TinyOS系统开发无线传感器节点应用程序的探索

黑龙江 赵峰

无线传感器网络是新兴网络技术，是当前国内外传感器技术领域的热点研究课题。本文基于自动抄表技术思想，设计了嵌入到燃气表中的无线传感器节点的软件结构，采用的软件开发系统是专用于无线传感器网络的操作系统TinyOS。程序经测试，运行稳定，数据采集准确度较高，满足燃气表远程抄表的基本应用要求。

正常级；休眠级；单元网关；基站

引言

文章提出一种将无线传感器节点嵌入到燃气表中，实现远程无线自动抄表的技术。本技术不同于IC卡表系统，它的计费、收费全部移交到燃气公司的服务器端进行处理，而且又能有效地监管用户实际使用情况，提高了抄表效率，降低了成本。图1为基于无线传感器网络的燃气表远程抄表系统。

1.硬件介绍

在本方案中，我们将无线传感器节点安装在燃气表内，燃气用量用脉冲计数，节点将脉冲计数以无线方式传递到基站，由基站将用户实际用燃气数换算出来。无线传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成。在本系统中，处理器模块采用ATmega128L，它是基于AVRRISC结构的8位微控制器,是AVR系列中功能比较强大的单片机，具有128KB闪存，4KBSRAM，功耗16.5mW。无线通信模块采用符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器CC2420。它基于Chipcon公司的SmartRF技术，以0.18UinCMOS工艺制成，性能稳定且功耗极低。

2.节点上的操作系统

TinyOS是专门为无线传感器网络定制的微型化操作系统，它采用基于组件化和并行模型的nesC语言，产生的目标代码较小，满足了无线传感器节点处理能力和存储能力有限的要求，并且具有较强的网络处理和资源收集能力。

3.通信机制

3.1 节点与基站通信

在本系统中，基站是用来完成将转发节点融合上来的数据进行通信协议转换并上传至服务器或向无线传感器节点转发服务器下达的命令。

节点与基站通信采用TOSBase无线——串口通信组件。在通信中为了分辨不同的设备，采取了地址编码的方法。即为基站和节点统一编码，每一个设备存在一个唯一的地址码（网络组号+设备地址码）。在通信包中加入目的设备地址码，以保证此包到达目的设备并只有此目的设备对此包做出响应。

网络组号：占1字节，可以是服务器分发给基站的基站ID号，也可能是基站发给节点的ID号。基站与服务器通信的网络组号为0。

通信协议中的数据包长度=data域的长度。

目的地址：占1字节，接收数据的地址。

数据内容：多字节，可以是压缩或加密的数据。

活动消息(ActiveMessage,AM)包含了addr,type,group信息，有此定义消息就可以在节点与节点之间进行字节传输。数据包中的数据（data）域，根据数据包类型不同，其占用字节数也不同，在TinyOS消息的数据部分长度默认29个字节，通过修改Makefile文件中的MSG_SIZE，最大可以是36。

4.节点应用程序的设计

4.1 拓扑结构

采用修改后的GAF算法，设每栋住宅为一组无线传感器网络，在每栋住宅安装一个基站。考虑到定位问题，基站一般不安装在大楼中间单元，它一定放置在其左边的单元数不等于右边单元数的单元中。这里定义了几个特定的节点，有上传单元网关、下传单元网关。单元网关为相邻单元相互通信的簇头。上传单元网关为本单元中数据发送到基站时通过的单元网关，单元中靠近基站一侧的节点可以作为上传单元网关。下传单元网关为本单元中基站发出的数据通过的本单元网关传到下一个单元的单元网关，单元中远离基站一侧的节点可以作为下传单元网关。

节点初始化后，开始形成拓扑。每个单元的各层进行分簇，从顶层起每两层为一簇，若最后剩三层则归为一簇。簇头选举以能量为标准，安装初始时，因为各节点能量相同，按照节点ID最小的为簇头，当簇头每发1000字符后重新生成簇头一次，能量高者为新簇头。

4.2 路由结构

本系统适于所有节点都处于一个平面的情况，即适于每层有单户居民或双户居民的住宅楼。节点数据传输分为上传和下传，上传的定义为节点把数据传到簇头，簇头再把数据融合后传到上传单元网关中，通过多个上传单元网关传到基站。下传的定义为基站发出的数据通过多个下传单元网关，传输到指定单元后，由其单元网关多跳到簇头，簇头再转发给节点（周期可能较长，取决于节点唤醒时，簇头是否运行）。在没有数据传输时，为减少能量消耗，节点处于休眠状态。在本设计中，考虑簇头由于能量的变化而经常改变，因此采取节点正常级+休眠级的工作模式。正常级为单元网关处于每5秒唤醒自己1秒的机制，采用簇头每10秒唤醒自己1秒的机制，簇中节点每5分钟唤醒自己一次，如果簇头正在休眠则定义先醒的节点是临时代理簇头。休眠级为单元网关、簇头、节点处于每1（或几个）小时唤醒自己1次的机制，如果单元网关、簇头正在休眠则定义先醒的节点是临时代理簇头；如果节点失去联系（中途换电池等），每5分钟唤醒自己一次，每次10秒（必须和正常级中的秒数对应），三次后若仍无反应，则认为该节点失效。若有些节点因故障报停，影响整个网络，则需要维修人员在单元中添加转发节点。

5.结束语

本文详细阐述了无线传感器节点在燃气表中应用程序的设计，此程序经测试运行稳定，数据采集准确度较高，并能流畅地上传到PC机，同时实现了传感器网络必需的低功耗。

[1]孙利民，李建中，等.无线传感器网络.北京：清华大学出版社，2005年.

[2]张帆，李文峰.TinyOS消息通讯机制以及TOSBase无线-串口通讯组件分析.中国科技论文在线，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.

（作者单位：齐齐哈尔工程学院）

（编辑 李艳华）