CN103327096A - 无线传感器网络操作系统的物联网多跳无线通信方法 - Google Patents

无线传感器网络操作系统的物联网多跳无线通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明的无线传感器网络操作系统的物联网多跳无线通信方法，是一种无线传感器网络操作系统（TinyOS）在传感器节点上的应用技术方法，主要研究传感器节点之间的无线通信，该技术及其解决方案，使用基于TinyOS操作系统的解决方法，TinyOS作为传感器网络必要的软件支持主要进行较复杂的任务调度与管理，TinyOS的程序采用的是模块化设计，它是基于一种组件（Component-Based）的架构方式，使得能够快速实现各种应用，其程序核心往往都很小（一般来说核心代码和数据大概在400Bytes左右），能够突破传感器存储资源少的限制，让TinyOS很有效地运行在无线传感器网络节点上并执行相应的管理工作等。

Description

无线传感器网络操作系统的物联网多跳无线通信方法
 
技术领域
本发明是一种无线传感器网络操作系统（TinyOS）在传感器节点上的应用技术方法，主要研究传感器节点之间的无线通信，属于无线传感器网络（WSN）安全技术领域。
 
背景技术
“物联网”是把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理，是指各类传感器和现有的互联网相互衔接的一个新技术。作为物联网研究领域的一个重要分支，无线传感器网络是当今无线通信领域研究热点之一。物联网正是通过遍布在各个角落和物体上的形形色色的传感器以及由它们组成的无线传感器网络,来最终感知整个物质世界的。无线传感器网络研究最早起源于军事领域，因其无需架设通信设施、能够快速部署、抗毁性强等特点使得它具有重大的应用价值。无线传感器网络可以感知不同的参数信息，包括位移、加速度、电磁波、温度、湿度、噪声、光强、压力等，这使得无线传感器网络具有广泛的应用领域。
无线传感器网络（WSN）是由大量体积小、资源受限并且具有一定计算能力和无线通信能力的传感器节点组成，通常部署于开放、无人值守、甚至敌对的环境下，如军事领域，执行监控和数据采集任务。当它被部署在这样的环境中，它缺乏物理保护和有受节点感染的倾向。感染一个或多个传感器节点后，敌人可能发动各种攻击，扰乱无线网络通信。而传感网络容易受到的虚假数据注入的攻击则是攻击者常使用的攻击手段，对手注入到网络中的虚假数据达到欺骗基站或中继节点的资源消耗的目标。
WSN的操作系统作为WSN应用软件的开发基础，它的各种性能指标直接影响了系统的性能，所以对于WSN操作系统的研究是很有必要的。由加州大学伯克利分校开发的TinyOS操作系统是实际上的无线传感器网络操作系统标准。它的结构模块化、低功耗等优点使其被广泛应用于WSN上，并成为很多WSN系统的参考设计。
 
发明内容
    技术问题：本发明的目的是提供一种无线传感器网络操作系统的物联网多跳无线通信方法，来实现多径传输的问题。基于无线传感器网络操作系统（TinyOS）提出一种节点间进行无线通信的技术，来解决无线传感器网络资源
受限的问题。 
技术方案：该技术及其解决方案，使用基于TinyOS操作系统的解决方法，TinyOS作为传感器网络必要的软件支持主要进行较复杂的任务调度与管理，TinyOS的程序采用的是模块化设计，它是基于一种组件（Component-Based）的架构方式，使得能够快速实现各种应用，其程序核心往往都很小（一般来说核心代码和数据大概在400Bytes左右），能够突破传感器存储资源少的限制，让TinyOS很有效地运行在无线传感器网络节点上并执行相应的管理工作等。
本发明的无线传感器网络操作系统的物联网多跳无线通信方法采用一种基于Component-Based组件架构方式的无线传感器网络操作系统TinyOS，依托TinyOS发行包中提供的组件重新修改和编写模块程序，具体实施方法为：
1）程序的编译与下载
软件实现：在TinyOS系统下，基于TinyOS的发行包中提供的组件与应用程序Oscilloscope和TOSBase，重新修改编写模块程序OscilloscopeRF、TOSTest和TOSBaseTest，实现传感器节点相应的采集发送数据、转发数据和接收数据等功能；
硬件实现：通过编程板MIB510和串口转接线USB converter 232将传感器硬件节点Micaz与电脑PC进行连接，通过unix模拟环境软件Cygwin到达C：/Cygwin/opt/tinyos-1.x/apps目录下相应的应用程序，分别对采集节点A、基站节点B、第一中转节点C和第二中转节点D进行编译下载；
2）建立多跳通信
通过51针接口连接采集节点A与光敏度采集板mts300，光敏度采集板mts300将采集到的光敏度数据传导给采集节点A，采集节点A通过与第一中转节点C建立起IEEE 802.15.4协议信道，并将数据封装成数据包后发送给第一中转节点C，第一中转节点C转发信息到基站节点B，基站节点B将数据包通过串口传送给电脑PC并进行显示；
3）进行多径通信
启动第二中转节点D，采集节点A将采集的数据发送至第二中转节点D，第二中转节点D将接收到的数据重新打包封装发送给基站节点B，基站节点B收到数据包后解封装后将原始数据通过串口通讯输出到电脑PC机上，电脑PC机通过串口工具进行显示；
最终，实现了多跳多径无线通信。
有益效果：本发明的目的是提供一种面向物联网的多跳无线通信应用方案，来实现多径传输的问题。基于无线传感器网络操作系统（TinyOS）提出一种节点间进行无线通信的技术，来解决无线传感器网络资源受限的问题。下面给出具体说明：
由于无线传感器网络应用的多样性，节点上的操作系统必须能够根据内存、处理器以及能量满足应用严格的需求，也必须能够灵活地允许多种应用同时使用系统资源，如通讯、计算和存储，因此本课题采用了由加州大学伯克利分校针对无线传感网开发的一个嵌入式操作系统——TinyOS，能够突破传感器存储资源少的限制，让TinyOS很有效地运行在无线传感器网络节点上并执行相应的管理工作等。本课题的实用性体现在实现了一个多跳无线通信，有利于以后研究无线传感器网络的各种预防措施，具有一定的应用价值。
 
附图说明
图1是多跳无线通信应用程序组件图。
图2是本发明方法的节点间通信流程示意图。
图3是本发明方法提出的通信模型整体流程图。
图4是本发明提出的无线传感器网络平台。
 
具体实施方式
1.无线传感器网络操作系统TinyOS
美国加州大学伯克利分校开发的TinyOS是一种微小的、嵌入式的、基于事件驱动的无线传感器网络操作系统，与一般的嵌入式操作系统相比，TinyOS有其自身的特点：
(1)基于可重用组件的体系结构，采用模块化设计思想；
(2)使用事件驱动模型，通过事件触发来唤醒CPU工作。
TinyOS 采用基于组件式的架构形式， 图1给出了其通信组件，无线收发模块是将物理硬件映射而成的硬件抽象组件，其发命令给相关I/O引脚处理比特流级的数据收发，并且发信号给事件将数据位的发送和接收通知上层的射频字节组件。射频字节组件内部完成字节级数据的编码和解码工作，并以字节为单位与上层组件无线消息包交互，无线消息包组件进行消息包级的数据处理，并发信号通知高层次的主动消息组件(Active Message)。最终由主动消息组件来完成控制，路由以及数据传输等任务。
2.仓库环境监测平台
从以下几个方面进行研究：
（1）仓库环境数据的采集；
在仓储环境下，通过特定的传感器采集环境数据（温度、光敏度和空气浓度等等）；
（2）无线传感器节点间通信问题研究；
主要基于TinyOS系统中主动消息模式（Active Message）的通信模型，主动消息模式是一个面向消息通信的高性能通信模式，早期一般应用于并行和分布式计算系统中，在主动消息通信方式中，每个消息都维护一个应用层的处理器。
研究采用的传感器硬件平台为Micaz，实验流程：在TinyOS环境下，A号Micaz节点编译下载相应的具有发送功能的应用程序，B号Micaz节点编译下载具有相应的接收功能的应用程序，即A号节点发送数据，B号节点接收来自A号节点的数据并通过Led灯显示；
（3）无线传感器节点与PC的串口通信研究；
作为基站节点的Micaz节点将接收的数据发送至串口，PC机通过串口工具对串口数据进行读取，需要将每次读取的数据整合在一起，对整合后的数据进行分析，按照定义的帧格式，通过帧头和帧尾，将帧信息从字节流中抽取出来，获取有用的信息。
以此分析研究基于传感器节点平台的仓库环境监测数据的采集、收发和显示问题。
3.无线传感器网络多跳通信
基于仓库环境监测平台，进行多跳无线通信；本发明可能会基于一种常见的、基础型的无线通信方式进行研究分析，提出一种能够实现无线多径传输的方式。
传感器节点正常通信：①A号Micaz节点采集数据并发送至C号Micaz中转节点，C号节点将接收到数据发送至B号Micaz基站节点，B号基站节点将数据发送至串口，PC通过串口工具对串口的数据进行读取显示；
②启动D号Micaz节点，D节点同样接收A号采集节点的数据，并将接收到的数据打包封装发送给基站节点B，即实现了多路径多跳无线通信，对该无线通信的安全方面也起到了一定的作用。
 
（1）实验环境
操作系统：Windows XP/Win 7，TinyOS
软件：Cygwin，VS
硬件：Micaz节点，MIB510烧写器，USB converter 232，mts300传感器，PC
（2）具体实施方案
Figure 2013102476747100002DEST_PATH_IMAGE002
程序的编译与下载
软件实现：在TinyOS系统下，基于TinyOS现有的发行包中提供的组件Oscilloscope和TOSBase，重新修改编写了符合本发明的模块程序，实现传感器节点采集数据、发送数据、转发数据和接收数据等功能；
硬件实现：通过编程板（MIB510）和串口转接线（USB converter 232）将传感器硬件节点（Micaz）与电脑（PC）进行连接，通过unix模拟环境软件Cygwin到达C：/Cygwin/opt/tinyos-1.x/apps目录下相应的应用程序，分别对采集节点A、基站节点B、中转节点C和中转节点D进行编译下载；
建立多跳通信
通过51针接口连接采集节点A与光敏度采集板（mts300），mts300将采集到的光敏度数据传导给采集节点A，采集节点A通过与中转节点C建立起IEEE 802.15.4协议信道，并将数据封装成数据包后发送给中转节点C，中转节点C转发信息到基站节点B，基站节点B将数据包通过串口传送给PC并进行显示；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
进行多径通信
启动中继节点D，采集节点A将采集的数据发送至中继节点D，中继节点D将接收到的数据重新打包封装发送给基站节点B，基站节点B收到数据包后解封装后将原始数据通过串口通讯输出到PC机上，PC机通过串口工具进行显示。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络操作系统的物联网多跳无线通信方法，其特征在于采用一种基于Component-Based组件架构方式的无线传感器网络操作系统TinyOS，依托TinyOS发行包中提供的组件重新修改和编写模块程序，具体实施方法为：
1）程序的编译与下载
软件实现：在TinyOS系统下，基于TinyOS的发行包中提供的组件与应用程序Oscilloscope和TOSBase，重新修改编写模块程序OscilloscopeRF、TOSTest和TOSBaseTest，实现传感器节点相应的采集发送数据、转发数据和接收数据等功能；
硬件实现：通过编程板MIB510和串口转接线USB converter 232将传感器硬件节点Micaz与电脑PC进行连接，通过unix模拟环境软件Cygwin到达C：/Cygwin/opt/tinyos-1.x/apps目录下相应的应用程序，分别对采集节点A、基站节点B、第一中转节点C和第二中转节点D进行编译下载；
2）建立多跳通信
通过51针接口连接采集节点A与光敏度采集板mts300，光敏度采集板mts300将采集到的光敏度数据传导给采集节点A，采集节点A通过与第一中转节点C建立起IEEE 802.15.4协议信道，并将数据封装成数据包后发送给第一中转节点C，第一中转节点C转发信息到基站节点B，基站节点B将数据包通过串口传送给电脑PC并进行显示；
3）进行多径通信
启动第二中转节点D，采集节点A将采集的数据发送至第二中转节点D，第二中转节点D将接收到的数据重新打包封装发送给基站节点B，基站节点B收到数据包后解封装后将原始数据通过串口通讯输出到电脑PC机上，电脑PC机通过串口工具进行显示；
最终，实现了多跳多径无线通信。
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