面向無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)件化開發(fā)方法

引言

隨著移動技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，移動網(wǎng)絡(luò)將是下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的大趨勢。而移動網(wǎng)絡(luò)的重要子網(wǎng)之一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠大大擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)的觸角。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗、低成本、分布式和資源有限等特點(diǎn)，使得開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)協(xié)議成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)因素之一。傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法顯然已經(jīng)不適合無線傳感器協(xié)議的開發(fā)，而近來興起的新的開發(fā)模式是基于構(gòu)件化的軟件開發(fā)方法。

基于構(gòu)件化的軟件開發(fā)(CBSD,comp onent-based software development)方法是一種可以提供軟件復(fù)用性的開發(fā)方法。構(gòu)件是用于進(jìn)行軟件開發(fā)、復(fù)用和軟件組裝的基本單元。在面向構(gòu)件的技術(shù)里，一個應(yīng)用軟件不是通過大量的代碼來描述，而是通過數(shù)量有限的構(gòu)件來描述，如圖1(a)所示。與傳統(tǒng)的嵌入式軟件不同，構(gòu)件化的嵌入式軟件是由一組軟件構(gòu)件構(gòu)成的，這些構(gòu)件的一個或者幾個組合成一個完整的應(yīng)用;而且新的應(yīng)用也可以使用已有構(gòu)件，從而提高軟件復(fù)用性。傳統(tǒng)模式下開發(fā)出來的嵌入式軟件提供的是專用服務(wù)，軟件與應(yīng)用是一一對應(yīng)的，如圖1(b)所示。整個過程中代碼量大，復(fù)雜度高，代碼重用性小，并且更新困難，不適應(yīng)無線傳感器節(jié)點(diǎn)資源有限的要求。

TinyOS是一種基于構(gòu)件化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)本身就是一個構(gòu)件庫。其開發(fā)語言nesC 提供了對軟件構(gòu)件技術(shù)的支持。通過靈活組裝各個固定功能的芯片級構(gòu)件可以方便地搭建起不同硬件平臺級構(gòu)件。因此在TinyOS 系統(tǒng)下開發(fā)構(gòu)件化的無線傳感器協(xié)議的方法已被廣泛使用。但是，目前由于開發(fā)者過度依靠現(xiàn)有的集成構(gòu)件，導(dǎo)致開發(fā)出來協(xié)議性能并不理想。

圖1 構(gòu)件化的嵌入式軟件與傳統(tǒng)嵌入式軟件

1 現(xiàn)有開發(fā)方法描述

系統(tǒng)為了簡化開發(fā)者的開發(fā)難度，對各芯片的底層構(gòu)件進(jìn)行了構(gòu)件化包裝。調(diào)用硬件底層構(gòu)件所提供的最基本功能接口，來組合實(shí)現(xiàn)一些功能模塊，如配制芯片模塊、發(fā)送數(shù)據(jù)模塊、接收數(shù)據(jù)模塊等。系統(tǒng)對各芯片的硬件抽象層的集成化操作基本是一樣的，圖2 是CC2420系統(tǒng)集成構(gòu)件調(diào)用硬件抽象層構(gòu)件的關(guān)系。

圖2 系統(tǒng)集成構(gòu)件和硬件抽象層構(gòu)件關(guān)系

由圖2 可以看出，系統(tǒng)集成構(gòu)件起到一個橋梁作用，使開發(fā)者簡化了開發(fā)工作。但是，系統(tǒng)集成構(gòu)件在調(diào)用硬件抽象構(gòu)件實(shí)現(xiàn)自身功能的時候出現(xiàn)重復(fù)調(diào)用問題。并且構(gòu)件CC2420SpiC 在不同的層(系統(tǒng)集成層和硬件抽象層)都有使用，這本身使得系統(tǒng)集成層和物

理抽象層關(guān)系變得模糊和復(fù)雜，加大開發(fā)者開發(fā)難度。

根據(jù)構(gòu)件化系統(tǒng)編程可知，調(diào)用構(gòu)件的接口需要實(shí)現(xiàn)提供接口構(gòu)件中的event 事件。如果多個構(gòu)件重復(fù)使用同一個構(gòu)件的同一個接口，每個使用該接口的構(gòu)件都需要將該接口中的event 事件執(zhí)行一次。系統(tǒng)集成構(gòu)件同時調(diào)用相同的硬件抽象層構(gòu)件中的接口命令時，完成命令的signal 事件會通知每個使用該接口的構(gòu)件。這就導(dǎo)致了構(gòu)件化系統(tǒng)下編程常見問題：扇出(fan-out)。系統(tǒng)為了解決這一問題不得不將構(gòu)件性質(zhì)改為generic 類型。而這會引入新的構(gòu)件調(diào)用模式。所有這些使得系統(tǒng)集成構(gòu)件對硬件抽象層構(gòu)件的調(diào)用變得比實(shí)際要復(fù)雜，代碼的執(zhí)行效率大大降低。

2 直接調(diào)用底層構(gòu)件方法描述

對系統(tǒng)集成構(gòu)件的研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用層構(gòu)件在調(diào)用系統(tǒng)集成構(gòu)件時最終調(diào)用了硬件抽象層構(gòu)件，只是系統(tǒng)集成構(gòu)件將硬件抽象層構(gòu)件重新整合到某個大的集成構(gòu)件中，方便用戶查找接口。實(shí)際上，由于嵌入式軟件和硬件結(jié)合性高、硬件資源有限等特點(diǎn)，為了使得軟件系統(tǒng)性能達(dá)到最高，嵌入式軟件開發(fā)者在開發(fā)之前對硬件已經(jīng)非常熟悉。在這種情況下沒有必要在硬件抽象層之上硬性加上系統(tǒng)抽象層。對開發(fā)者而言，直接調(diào)用底層硬件抽象層構(gòu)件會更直觀、簡單。

具體實(shí)現(xiàn)方法如圖3 所示，在構(gòu)件操作上對沒有引入新功能的構(gòu)件在配線構(gòu)件配線時候可以跨過整個系統(tǒng)集成構(gòu)件，而不會影響系統(tǒng)功能，并可以簡化開發(fā)過程，提高運(yùn)行效率。以下將這一方法簡稱為直接調(diào)用法。

圖3 構(gòu)件簡化過程

圖3 中構(gòu)件1 和構(gòu)件2 不是提供最底層功能的構(gòu)件，它們將底層構(gòu)件3、構(gòu)件4 和構(gòu)件5 進(jìn)行重新整合，最終使用的是構(gòu)件3、構(gòu)件4 和構(gòu)件5 的功能。所以，通過改進(jìn)后的方案中，讓應(yīng)用構(gòu)件直接調(diào)用構(gòu)件3、構(gòu)件4 和構(gòu)件5，讓構(gòu)件1 和構(gòu)件2 的功能交給應(yīng)用構(gòu)件去完成，這樣提高了代碼的執(zhí)行效率和開發(fā)效率。實(shí)際上，結(jié)合構(gòu)件化系統(tǒng)可知，圖3 的簡化過程解決了扇出問題，應(yīng)用構(gòu)件只要調(diào)用了一個硬件抽象層構(gòu)件，就可以在應(yīng)用構(gòu)件內(nèi)任何需要的地方去調(diào)用硬件抽象構(gòu)件所提供的接口中命令。配線構(gòu)件在配線時也變的簡單，沒有系統(tǒng)集成構(gòu)件中多個硬件抽象層構(gòu)件的重復(fù)配線操作。

對構(gòu)件化系統(tǒng)以及底層硬件抽象構(gòu)件和各具體芯片研究分析可知，系統(tǒng)集成構(gòu)件都是起到上述作用，同時又引入新的問題。若開發(fā)人員對硬件抽象構(gòu)件熟悉，就完全可以跨過系統(tǒng)集成構(gòu)件而直接使用硬件抽象層提供的構(gòu)件。這樣就簡化了原方案中系統(tǒng)集成構(gòu)件之間繁雜的調(diào)用關(guān)系，更重要的是可以大大提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還以CC2420 系統(tǒng)集成構(gòu)件為例，其改進(jìn)后的構(gòu)件調(diào)用方案如圖4 所示：

圖4 改進(jìn)方案中構(gòu)件間關(guān)系

由圖4 可知，原來方案中的系統(tǒng)集成級構(gòu)件層的構(gòu)件沒有被調(diào)用，而直接調(diào)用硬件抽象層構(gòu)件。由圖4 與圖2 對比發(fā)現(xiàn)，將原來系統(tǒng)集成層構(gòu)件*能移到PhyP 構(gòu)件中完成，這樣避免了對底層構(gòu)件的重復(fù)使用，整個結(jié)構(gòu)更清晰簡單。因此，需要對PhyP 構(gòu)件做改進(jìn)，使得其能夠完成初始化射頻芯片，調(diào)用射頻芯片發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。雖然看起來PhyP 構(gòu)件要比實(shí)際代碼量大，但是對改進(jìn)后系統(tǒng)運(yùn)行的測試結(jié)果表明，提高了10%的工作效率，縮減3000 行的代碼量。

3 測試直接調(diào)用法

將直接調(diào)用法應(yīng)用IEEE802.15.4 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)目前已成為事實(shí)上的無線傳感器標(biāo)準(zhǔn)，并在各自硬件平臺上開發(fā)該協(xié)議。以IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)為例，在TinyOS系統(tǒng)、CC2420 射頻芯片的環(huán)境下使用本文直接調(diào)用法來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)，并測試其工作性能。

設(shè)計(jì)按照TinyOS 系統(tǒng)的構(gòu)件化編程思路進(jìn)行。物理層將設(shè)計(jì)兩個構(gòu)件(PhyP，PhyC)，相關(guān)操作通過標(biāo)準(zhǔn)中定義的兩個接口進(jìn)行：數(shù)據(jù)訪問接口(PD)、管理接口(PLME)。構(gòu)件PhyP 是物理層的主要實(shí)現(xiàn)構(gòu)件，它具有初始化構(gòu)件、發(fā)送數(shù)據(jù)、接受數(shù)據(jù)三個基本功能。MAC 層設(shè)計(jì)兩個構(gòu)件：MacC、MacP，其中MacP 是主要的執(zhí)行構(gòu)件。MAC 層中有兩種設(shè)備：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和非協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)：確立網(wǎng)絡(luò)號(PANID)、本節(jié)點(diǎn)的短地址、并產(chǎn)生信標(biāo)幀載荷部分。非協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)所建立的網(wǎng)絡(luò)中組成更大的個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。

3.1 功能測試

測試程序運(yùn)行在兩個對等的節(jié)點(diǎn)上，分兩個階段測試。首先測試物理層的通信情況：一號個節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個有效載荷為：0 至9 十個數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包并發(fā)送給另外二號節(jié)點(diǎn)，二號節(jié)點(diǎn)在收到上述數(shù)據(jù)包后原封不動將該數(shù)據(jù)包又發(fā)回給剛才發(fā)送者。發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)包的內(nèi)容是一致的，并且信號燈閃爍正常，說明節(jié)點(diǎn)之間的通信正常，物理層設(shè)計(jì)工作正常。進(jìn)一步測試MAC 層工作情況：將一號節(jié)點(diǎn)設(shè)為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，二號節(jié)點(diǎn)設(shè)置為非協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。一號節(jié)點(diǎn)初始化并建立一個PAN 網(wǎng)，二號節(jié)點(diǎn)請求加入一號節(jié)點(diǎn)所創(chuàng)建的網(wǎng)中，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)是否工作正常。通過功能測試可知，整個工作過程是按照IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了該標(biāo)準(zhǔn)功能。

3.2 效率測試

工作效率測試中應(yīng)用產(chǎn)生50 個數(shù)據(jù)包后調(diào)用MAC 層發(fā)送接口發(fā)送這50 個數(shù)據(jù)包，從應(yīng)用調(diào)用MAC 層數(shù)據(jù)接口時開始計(jì)時，到應(yīng)用層收到包成功發(fā)送的確認(rèn)消息為止。記錄下這個響應(yīng)時間，并依次增大發(fā)送數(shù)據(jù)包的的有效載荷，從10 個字節(jié)增加到90，記錄下有效載和增加時的響應(yīng)時間。效率測試將分別在原始方案和直接調(diào)用法開發(fā)出來的協(xié)議中進(jìn)行，統(tǒng)計(jì)兩種不同方法的工作參數(shù)，最后得到的時間分布如圖5 所示。

圖5 收發(fā)數(shù)據(jù)效率比較

由圖5 可知，在50 個數(shù)據(jù)包的情況下，當(dāng)數(shù)據(jù)包的有效載荷在10 至50 個字節(jié)時二者響應(yīng)時間差距并不大，響應(yīng)時間提高了10%左右，當(dāng)有效載荷增加到50 個字節(jié)以上時，響應(yīng)時間提高30%，有利于滿足嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時性要求

結(jié)束語

本方案通過分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的開發(fā)方法的不足，提出直接調(diào)用法，并用該方法實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，最終達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。方案的移植性高，穩(wěn)定性好，代碼量小，適合無線傳感器資源有限，實(shí)時性要求高的特點(diǎn)。同時直接調(diào)用法可以用來開發(fā)其他通信協(xié)議，如：802.11、LEACH、藍(lán)牙等。