摘  要： 詳細闡述了基于無線傳感器硬件搭建無線傳感器網絡實驗平臺并利用TinyOS進行傳感器硬件通信驗證的實現方案。
關鍵詞： 無線傳感器網絡  實驗平臺  傳感器節點

　　集成了傳感器、微機電系統和網絡三大技術而形成的無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，具有十分廣闊的應用前景。
　　無線傳感器網絡是一種特殊的無線自組網，它由成千上萬甚至數以百計的“沙粒”（motes）構成。“沙粒”即無線傳感器網絡節點，大小相當于給它提供能量的2節AA電池。它還包含一個微型處理器，很少的內存以及用于感應光、溫度、壓力、熱量等的傳感器，此外還有一個微型無線電收發機，用來接收和發送無線電信號。無線傳感器網絡被部署在應用現場后能夠實時感知和采集各種監測對象的信息，并對其進行處理，最后傳送到用戶。它在國防軍事、反恐抗災、環境監測、交通管理、工程安全、醫療衛生等領域都將得到廣泛的應用，必將引發信息感知和采集的革命[1]。
　　典型的無線傳感器網絡結構如圖1所示。此網絡由傳感器節點、基站（Base Station）、Internet或通信衛星、任務管理節點(Task Manager Node)等部分構成。傳感器節點通過飛行器撒播、人工埋置和火箭彈射等方式散布在指定的感知區域內，每個節點都可以收集數據，并通過“多跳”路由方式把數據傳送到基站?；疽部捎猛瑯拥姆绞綄⑿畔l送給各節點?；局苯优cInternet或通信衛星相連，通過Internet或通信衛星實現任務管理節點(即觀察者)與傳感器之間的通信[2]。

　　無線傳感器網絡的廣闊應用前景引起了學術界和工業界的高度重視。由于各方面條件的限制，目前針對無線傳感器網絡的研究大多基于模擬環境（如NS-2），然而在實際網絡系統的研究中會遇到在模擬環境下無法預料的問題。因此，無線傳感器網絡實驗平臺的實現在整個傳感器網絡研究中占據非常重要的作用。為此本文主要介紹了如何搭建無線傳感器網絡實驗平臺，包括利用TinyOS在傳感器硬件上進行測試，保證傳感器節點間無線通信正常，這些都是實現傳感器應用實例的前提工作。本文將重點介紹如何利用Crossbow公司的無線傳感器產品來實現無線傳感器網絡實驗平臺和基于此實驗平臺的節點驗證；Crossbow公司的5040系列硬件產品；TinyOS系統和傳感器硬件驗證；將來的研究方向。
1  硬  件
　　Crossbow公司是全球第一家提供Smart Dust無線傳感器的公司。該公司提供了一系列傳感器和相關硬件，其中大部分產品是即插即用的。硬件產品上的所有部件都支持TinyOS操作系統(此系統是美國加州大學伯克利分校專為嵌入式系統開發的微型操作系統)。
　　實驗平臺硬件采用的是MOTE-KIT 5040系列。它包括4個MICA2 Processor/Radio Boards、4個MICA2DOT Boards、3個MTS310 Sensor Boards、2個MDA500 MICA2DOT 原型和數據采集板以及1個MIB510編程接口板。
　　MOTE-KIT5040系列的主要部件是MICA2。它是早期產品MICA的改進，采用的TinyOS操作系統是一個小型、開源、節能的軟件操作系統，支持大規模、自配置的無線傳感器網絡，其源代碼和軟件開發工具可以在網上下載。MICA2采用的硬件平臺為MPR400CB，MPR400CB采用了Atmel Atmega 128L微控制器，該控制器從其自帶的ROM中運行TinyOS操作系統。可以利用編程接口板對其進行開發。MICA2具有許多優良的特性：
　?、偈堑谌⌒椭悄軣o線傳感器節點。
　?、趦惹禩inyOS操作系統，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。
　?、軣o線通信功能強大，并且每個節點都具有路由器的功能。
　?、?33MHz或868/916MHz的多信道收發天線。
　?、薰饷簟囟?、RH、氣壓、震動、聲學、電磁以及諸多可選的傳感器。
　?、咧С譄o線的遠程重編程。
　?、嗑哂写罅靠捎玫膫鞲衅靼搴蛿祿杉濉?br /> 　?、崤c下一代產品MICA2DOT完全兼容。
　　MICA2DOT與MICA2相比的主要優點在于其體積約是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一個51腳的接口連到MICA2上。任何一個MICA2節點都可以配置成基站來進行工作?；究蓪臒o線傳感器網絡取得的數據匯集到計算機上。
2  基于TinyOS實驗平臺的實現
　　TinyOS操作系統是一個小型、開源、節能的軟件操作系統。該操作系統支持大規模、自配置的無線傳感器網絡，安裝比較簡單，與普通應用軟件安裝過程類似。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）。
　　調試嵌入式系統應用程序的難點是：難以區分錯誤源在應用程序還是在嵌入式系統平臺。但由于TinyOS安裝包包括了2個用于對系統和傳感器硬件進行驗證的工具，因此可以利用這2個工具在調試應用程序前確認傳感器節點本身是否有問題。
　　首先，對傳感器硬件驗證前要先對安裝的PC工具進行確認，包括 avr gcc compiler、perl、flex、cygwin（如果使用Windows操作系統）、JDK 1.4.x等。利用TinyOS自帶的 toscheck工具可以檢驗PC工具是否安裝完全，其操作步驟是：雙擊圖標運行cygwin應用程序，進入/tools/scripts目錄，鍵入toscheck。運行后，最后1行輸出應為“toscheck completed  without error”。若發現顯示錯誤，則必須先解決該錯誤再繼續下面的步驟。
　　接下來可以使用下面2種方法[3]進行傳感器節點的硬件驗證：
　　(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進行硬件驗證
　　MicaHWVerify程序專門用來驗證MICA/MICA2/MICA2DOT節點硬件。若所使用的硬件平臺不同則不適宜使用該程序。以下步驟都以驗證MICA2節點為例(對MICA2-DOT節點只需修改相應參數即可)。對傳感器節點硬件編程時須注意：若使用配套的電源給編程接口板供電，將傳感器節點插到接口板前要保證節點上的電池已取出；若利用傳感器節點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，且節點上開關狀態為On。驗證步驟如下。
　　(1)運行cygwin后，進入/apps/MicaHWVerify目錄。鍵入make mica2編譯MicaHWVerify程序。若使用MICA2/MICA2DOT平臺，完整的命令應該是PFLAGS=-DCC1K_MANUAL_FREQ=<freq> make <mica2|mica2dot>。其中，<freq>可以根據需要在315MHz、433MHz和915MHz中任選1個，具體設置方式見參考文獻[5]。本文則選用915MHz的頻率；若使用MICA平臺，則鍵入make mica。
　　(2)將MICA2節點插到編程接口板上（MIB510），用電池或電源供電（通電后編程接口板上的綠燈亮）。
　　(3)將編程接口板通過串口連到計算機。如果使用編程接口板MIB500，則將編程接口板通過并口連到計算機（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節點上。鍵入MIB510=COM# make reinstall mica2。其中：COM#表示MIB510連接在計算機端口COM#上（#=1、2、3……本文取為COM1）；rein-stall是直接將已編譯過的程序裝載到指定節點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，則先對目標平臺編譯再將程序裝載到節點。如果使用MIB500，則鍵入make reinstall mica2即可?；剀嚭?，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
　　這時可以知道編程接口板和計算機串口工作正常。接下來繼續驗證傳感器節點硬件。
　　(5)鍵入make -f jmakefile，再鍵入MOTECOM=serial@
　　COM1：57 600 java hardware_check，計算機上的輸出應該大致為：
　　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節點的序列號，該程序檢查結點序列號、閃存連通性、UART功能和外部時鐘。當這些狀態都正常時，屏幕上就會打印出硬件檢測成功的消息。由于MICA2DOT沒有序列號，當編譯MicaHWVerify時會提示警告信息“Serial ID not supported on mica2dot platform”，最終的運行結果serial ID輸出全為0xFF。
　　最后，驗證傳感器節點間的無線通信。應注意通信時傳感器節點間要使用統一的頻率，即 PFLAGS=-DCC1K_MANUAL_FREQ=915 988 000。為操作方便，可以在apps/目錄下建立一個Makelocal文件來設定參數默認值，其內容如下：
　　PFLAGS=-DCC1K_DEFAULT_FREQ=CC1K_915_998_MHZ
　　MIB510=COM1
　　這樣，以后就不必每次輸入MIB510=……、PFLAGS=……等表設置參數了。
        通信實驗需要2個傳感器節點，因此先對另一個傳感器節點進行硬件檢測，再按下述步驟操作，使其充當第一個節點的無線網關程序。
　　(6)進入/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點，并將另一個傳感器節點（注意：該節點裝載的是MicaHWVerify程序）放在附近。
　　(8)鍵入MOTECOM=serial@COM1：57600 java hardware_check來運行hardware_check java程序，輸出結果應和前面類似：
　　hardware_check started
　　Hardware verification successful.
　　Node Serial ID：1 60 48 fb 6 0 0 1e
　　這里返回遠端節點的序列號，表示傳感器節點間無線通信驗證成功。如果遠端傳感器節點關閉或工作不正常，將返回提示信息“Node transmission failure”。
2.2 使用Mote-Test進行硬件驗證
　　驗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，并通過串口與計算機相連。首先，在MICA2上裝載測試固件（Test Firm-ware）。
　　(4)運行cygwin，進入MICA2_TEST_XXX目錄（XXX是頻率，本實驗中使用的是MICA2_TEST_916）。
　　(5)鍵入MIB510=COM1 make mica2 reinstall，在待測試的傳感器節點上裝載測試固件，如果裝載成功，按下編程板上的RESET按鈕后會看到LEDs閃爍，驗證了編程接口板和計算機串口工作正常。
　　(6)設置Mote-Test檢測傳感器節點。運行Mote-Test，在窗口中點擊GONFIGURE 按鈕，彈出一個配置對話框。在其中選擇正確的端口號（這里是COM1）。MICA2固件配置的波特率是57 600，默認的包大小是36，UART CRC設置為不可用。一旦配置好，按下SET NOW 按鈕，主屏幕就會彈出。
　　(7)接下來驗證傳感器節點硬件工作是否正常。Mote-Test允許使用插在MIB500/MIB510上的一個MICA2或MICA2DOT節點來創建一個基站或PC的串行網關，用來測試和演示2個傳感器節點間的雙向無線通信，也可以驗證傳感器硬件和計算機串口是否工作正常。
　?、偈褂靡粋€裝載過MICA2_TEST_916固件、電池供電的傳感器節點作為測試無線通信功能的遠程節點。
　?、趯⒁粋€裝載過MICA2_TEST_916固件的傳感器節點插到編程接口板上，稱此節點為基站。基站的頻率要和遠程節點相同。
　　③將MIB510編程接口板通過串口連到計算機。
　　④按下SELF TEST按鈕，選擇好測試對象后，將遠程節點放在距離基站大于0.6米的地方。
　?、葸\行MICA2硬件驗證測試，按下START TEST按鈕。
檢測后，輸出結果如圖2所示。

　　從圖中可以看出，若Memory檢測成功，MEM OK綠燈亮；Battery檢測電池電量大??；RSSI測試有2個值，可以顯示遠端節點與基站的連通性。若RSSI值小于-80.00將顯示FAIL，但這并不意味著節點無線通信失敗，可能因為MICA2節點距離基站太遠，可以通過縮短MICA2節點與基站間距離來改善RSSI值。在本實驗中，RSSI實際測得的數據分別為-64.50和-61.88，說明連通性較好。Serial ID NUMBER顯示本地傳感器節點的硬件序列號。當各項狀態都正常時，最上面的PASS綠燈亮。傳感器硬件測試完成后，就可以根據需求自己編寫程序，通過編程接口板加載到傳感器上，實現無線傳感器網絡的各種功能。
3  結論及下一步工作
　　本文介紹了如何搭建無線傳感器網絡實驗平臺以及在此平臺上的系統驗證。內容涉及無線傳感器網絡的結構和發展前景、傳感器節點的硬件測試、傳感器節點間無線通信等。在此實驗平臺上，可以編寫應用程序（Nesc和Java程序）完成傳感器網絡的各種功能。
　　下一步的工作是在該實驗平臺上研究具體的無線傳感器網絡協議，需要解決如下問題：(1)無線傳感器網絡中的定位和同步問題。(2)研究網絡層協議中的路由算法。(3)研究傳感器網絡的管理問題。
參考文獻
1   李建中，李金寶，石勝飛.傳感器網絡及其數據管理的概念、問題與進展.軟件學報，2003；14(10)
2   任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網絡.軟件學報，2003；14 (7)
3   http：//www.xbow.com/Support/Support_pdf_files/UISPHELP.pdf.UISP，MoteProgramming，and Mote Fuse Help Guide version 20030315.Crossbow Technology Inc，2003