【正文】 nesC 的基本概念 nesC 簡(jiǎn)介 nesc 是一種擴(kuò)展 C 的編程語(yǔ)言，主要用于傳感。 events 一般用在對(duì)于時(shí)間的要求 很?chē)?yán)格的應(yīng)用中，而且它可以占先優(yōu)于tasks 和其他 events 執(zhí)行，它可以被一個(gè)操作的完成或是來(lái)自外部環(huán)境的事件觸發(fā)，在 TinyOS 中一般由硬件中斷處理來(lái)驅(qū)動(dòng)事件。 TinyOS 的應(yīng)用程序都是基于事件驅(qū)動(dòng)模式的，采用事件觸發(fā)去喚醒傳感器工作。 TinyOS 操作系統(tǒng)、庫(kù)和程序服基于 CC2430 無(wú)線(xiàn)信道選擇的軟件設(shè)計(jì) 16 務(wù)程序是用 nesC 寫(xiě)的 。其良好的 電源管理 源于 事件驅(qū)動(dòng) 執(zhí)行模型，該模型也允許時(shí)序安排具有靈活性。它的聯(lián)盟為 TinyOS 的應(yīng)用，提供完整的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。 這個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)同模型是典型的滿(mǎn)足了以 I/O 為中心的應(yīng)用，但這樣的模型對(duì)于 CPU 負(fù)荷重的應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)不是太好的，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致向 OS 多次提出線(xiàn)程間協(xié)同處理的請(qǐng)求。 一個(gè) TinyOS 組建可以發(fā)布一個(gè)任務(wù)，操作系統(tǒng)可以把它排入列表以待之后執(zhí)行。它強(qiáng)迫程序用 stitching together many small event handlers 的方法編寫(xiě)復(fù)合邏輯。為了使本地的編譯器更加出色地優(yōu)化交叉調(diào)用邊界 ,TinyOS用 nesC的特性去連接這些回叫，叫作事件。 TinyOS 版本后完全的 nonblocking：它配備了一個(gè)單獨(dú)的堆棧。 TinyOS 程序由基于組件的軟件工程 software ponent 建構(gòu)，它們中一些表現(xiàn)了硬件的抽象概念， 組件用 接口互相連接。 它的首先出現(xiàn)是做為 UC Berkeley 和 Intel Research 合作實(shí)驗(yàn)室的杰作，用來(lái)嵌入智能微塵當(dāng)中，之后慢慢演變成一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目，即 TinyOS 聯(lián)盟。 基于 CC2430 無(wú)線(xiàn)信道選擇的軟件設(shè)計(jì) 15 3 程序開(kāi)發(fā)環(huán)境 TinyOS 概述 TinyOS 的定義 TinyOS 是一個(gè)開(kāi)源的嵌入式操作系統(tǒng)，它是由加州大學(xué)的伯利克分校開(kāi)發(fā)出來(lái)的，主要應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)方面，其作為一系列合作項(xiàng)目的結(jié)果。據(jù)估計(jì)，到 2021 年， ZigBee 市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到數(shù)億美元。 ZigBee 的應(yīng)用 ZigBee 并不是用來(lái)與藍(lán)牙或者其他已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)，它的目標(biāo)定位于現(xiàn)存的系統(tǒng)還不能滿(mǎn)足其需求的特定的市場(chǎng)，它有著廣闊的應(yīng)用前景。 APSDE 還包括綁定，集團(tuán)地址過(guò)濾，可靠傳輸，拒絕重復(fù)（數(shù)據(jù)鏈路層的相關(guān)處理，與 MAC 層上方的數(shù)據(jù)鏈路層交叉，在 ZigBee中沒(méi)有明確的數(shù)據(jù)鏈路層，但網(wǎng)絡(luò)層次只是一個(gè)邏輯上的概念，有與沒(méi)有這個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次的概念，只要有一套完整的邏輯就說(shuō)的過(guò)去的），大批量傳輸，碎片傳輸，流控制，阻塞控制等服務(wù)。 APS 應(yīng)用支持子層模型如 圖 24（ ZigBee 應(yīng)用層中的核心部分，事實(shí)上只有這一部分才是應(yīng)用層邏輯的描述） ： 圖 24 應(yīng)用支持子層參考模型 APSDE（應(yīng)用支持子層數(shù)據(jù)實(shí)體 ）， APSME（應(yīng)用支持子層管理實(shí)體）， NLDE（網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體） NLME（網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體），圖中簡(jiǎn)明的標(biāo)明了應(yīng)用支持子層的工作流程，這只是一個(gè)邏輯操作，分析時(shí)可以仿照網(wǎng)絡(luò)層的邏輯進(jìn)行分析，應(yīng)用支持子層的數(shù)據(jù)實(shí)體（ APSDE）向網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，完 成兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備APSDESAP 支持子層數(shù)據(jù)實(shí)體 NLDESAP APSMESAP 支持子層管理實(shí)體 NLMESAP APSIB 基于 CC2430 無(wú)線(xiàn)信道選擇的軟件設(shè)計(jì) 14 之間傳輸應(yīng)用層數(shù)據(jù)單元。 ZDO 負(fù)責(zé)初始化應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)提供模塊及非 1240 斷點(diǎn)應(yīng)用的的其他 ZigBee 設(shè)備層；另外 ZDO 還負(fù)責(zé)從終端應(yīng)用收集配置信息來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備和服務(wù)發(fā)現(xiàn)、安全管理、網(wǎng)絡(luò)管理、綁定管理和節(jié)點(diǎn)管理功能。 ZDO： ZDO（ ZigBee 設(shè)備對(duì)象）是在應(yīng)用層中 的一種應(yīng)用解決方案。 所以說(shuō) profile 是面向某個(gè)應(yīng)用，解決一系列事務(wù)的公約，是對(duì)邏輯設(shè)備及其接口關(guān)系的描述集合。 ZigBee 聯(lián)盟已經(jīng)定義了很多標(biāo)準(zhǔn)的 這樣的 配置 （ Profile 是配置文件的一種） 文件，比如遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)配置文件和光傳感器配置文件等。 Descriptor 是為分布式應(yīng)用提供的描述項(xiàng)，多種描述項(xiàng)共同組成描述集合 Profile。這個(gè)概念容易跟描基于 CC2430 無(wú)線(xiàn)信道選擇的軟件設(shè)計(jì) 13 述（ discriptor）混淆。 應(yīng) 用層 要了解應(yīng)用層先要了解兩個(gè)概念： Profile：在 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)設(shè)備之間的通信的關(guān)鍵是同意一個(gè) Profile（模式），典型例子就是智能家居。網(wǎng)絡(luò)層通過(guò) MCPSSAP和 MLMESAP 接口，為 MAC 層提供接口，通過(guò) NLDESAP 與 NLMESAP接口為應(yīng)用層提供接口服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)體通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（ NLMESAP）提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。為了向應(yīng)用層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體，這些個(gè)實(shí)體只是邏輯上的概念，有助于理清楚邏輯思維。 網(wǎng)絡(luò)層次 網(wǎng)絡(luò)層次是一個(gè)邏輯上的概念，不是什么實(shí)體，比如物理層，我們可以理解PPDU比特?cái)?shù)據(jù) 差分編碼器 比特到片序列轉(zhuǎn)換 OQPSK 調(diào)制 調(diào)制信號(hào) PPDU比特?cái)?shù)據(jù) 差分編碼器 比特到片序列轉(zhuǎn)換 BPSK調(diào)制 調(diào)制信號(hào) 基于 CC2430 無(wú)線(xiàn)信道選擇的軟件設(shè)計(jì) 12 為物理收發(fā)機(jī) ,MAC 層可以理解為調(diào)整什么時(shí)候開(kāi)收發(fā)機(jī)，數(shù)據(jù)鏈路層可以理解為檢查開(kāi)了收發(fā)機(jī)以后，那效果怎么樣，能不能很好的完成任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層就是要把分散的單元連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用層就是說(shuō)明任務(wù)要干什么，當(dāng)然典型的 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的七層結(jié)構(gòu)也可以用這種類(lèi)比的方式進(jìn)行思考。而且物理幀的負(fù)載長(zhǎng)度是可變的，稱(chēng)之為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ PSDU），一般用來(lái)承載 MAC 幀。收發(fā)器接收完前導(dǎo)碼后只能做到數(shù)據(jù)的位同步，通過(guò)搜索 SFD 字段的值 0xA7 才能同步到字節(jié)上。 基于 CC2430 無(wú)線(xiàn)信道選擇的軟件設(shè)計(jì) 11 其調(diào)制過(guò)程如圖 21，圖 22（ PPDU：物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元） ： 圖 21 868/915MHz 頻段的調(diào)制過(guò)程 圖 22 頻段的調(diào)制過(guò)程 物理幀的第一個(gè)字段是四個(gè)字節(jié)的前導(dǎo)碼，收發(fā)器在接收前導(dǎo)碼期間，會(huì)根據(jù)前導(dǎo)碼序列的特征完成片同步和符號(hào)同步。 定義了兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為星狀拓?fù)洌ɡ碚撋弦粋€(gè)協(xié)調(diào)器和多達(dá) 255 個(gè)子設(shè)備）和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信的能力，可以分為全功能設(shè)備，和精簡(jiǎn)功能設(shè)備 。 ZigBee 的框架 ZigBee 的 IEEE 相關(guān) 要想弄清楚 ZigBee，就要了解 IEEE ，它就是 ZigBee 物理層和 MAC層的模板 。而 ZigBee在室內(nèi)通常 能達(dá)到 3050米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達(dá)到 400米 (TI CC2530 不加功率放大 )。調(diào)制方式都用了調(diào)相技術(shù)，但 868MHz和 915MHz頻段采用的是 BPSK，而 頻段采用的是 OQPSK。 這三個(gè)頻帶的擴(kuò)頻和調(diào)制方式亦有區(qū)別。 由于此三個(gè)頻帶物理層并不相同，其各自信道帶寬也不同，分別為 , 2MHz 和 5MHz。 高安全 ZigBee 提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用訪(fǎng)問(wèn)控制清單 (Access Control List, ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES 128)的對(duì)稱(chēng)密碼，以靈活確定其安全屬性。相比較，藍(lán)牙需要 3～ 10s、 WiFi 需要 3 s。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。 近距離 傳輸范圍一般介于 10～ 100m 之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到 1～ 3km。每塊芯片的價(jià)格大約為 2 美元。該節(jié)點(diǎn)采用 Micropelt 公司的熱電發(fā)電機(jī)給 TI 公司的 ZigBee 提供電源。相比較， 藍(lán)牙能工作數(shù)周、 WiFi 可工作數(shù)小時(shí)。 ZigBee 的特點(diǎn) 低功耗 在低耗電待機(jī)模式下， 2節(jié) 5號(hào)干電池可支持 1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作 6～ 24 個(gè) 月，甚至更長(zhǎng)。而且均為免執(zhí)照頻段，有效覆蓋范圍 10~75m。其典型的傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型有周期性數(shù)據(jù)（如傳感器），間歇性數(shù)據(jù)（如照明控制）和重復(fù)低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)（如鼠標(biāo)）。 2021 年， IEEE 標(biāo)準(zhǔn)獲得通過(guò)，并在 2021 年 12月推出了 ZigBee技術(shù)規(guī)范 版本。 2021 年 8 月，美國(guó) HONEYWELL 等公司發(fā)起成立了 ZigBee 聯(lián)盟，他們提出的ZigBee 技術(shù)被確認(rèn)為 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)。 ZigBee 一詞來(lái)源于蜂群使用的賴(lài)以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過(guò)條 ZigZag 形狀的舞蹈來(lái)傳遞新發(fā)現(xiàn)和食物源的位置、距離與方向等信息。 ZigBee 的發(fā)展 1999 年，藍(lán)牙技術(shù)開(kāi)始走向應(yīng)用，但因芯片價(jià)格高，廠(chǎng)商支持力度不夠，傳輸距離限制以及抗干擾能力差等問(wèn)題而發(fā)展緩慢。每個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對(duì)象，例如其所連接的傳感器 直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料。 與移動(dòng)通信的 CDMA 網(wǎng)或 GSM網(wǎng)不同的是， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡(jiǎn)單，使用方便，工作可靠，價(jià)格低的特點(diǎn)。 ZigBee 數(shù)傳模塊類(lèi)似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) 基站 。根據(jù)這個(gè) 協(xié)議 規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的 無(wú)線(xiàn)通信 技術(shù)。此外，在基礎(chǔ)設(shè)施安全、災(zāi)難拯救、先進(jìn)制造、物流管理、交互式博物館等眾多領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)都會(huì)孕育出全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式。 其他方面的應(yīng)用 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織、微型化和對(duì)外部世界的感知能力決定了它在許多領(lǐng)域會(huì)有不少的機(jī)會(huì)。 動(dòng)物跟蹤監(jiān)控 使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在不干涉動(dòng)物正常生活習(xí)慣的情況下監(jiān)視其行蹤及生存環(huán)境。 A2LERT 系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測(cè)爆發(fā)山洪的可能性。還可以利用傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過(guò)程中是非常有用的，而安裝在被監(jiān)測(cè)對(duì)象身上的微型傳感器也不會(huì)給人的正常生活帶來(lái)太多的不便。這些傳感器能追蹤病人的行為模式，一旦偵測(cè)到病人日常行動(dòng)遭遇困難，便會(huì)提供必要的視覺(jué)與聲響提示。具有聲音、圖像和其他傳感器的網(wǎng)絡(luò)配置在建筑物的周?chē)?，可以及早地探測(cè)可能存在的危險(xiǎn)。 基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控 傳感器網(wǎng)絡(luò)可用于基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控和反恐應(yīng)用。 軍事應(yīng)用 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)給戰(zhàn)場(chǎng)帶來(lái)革命性變化，并將改變戰(zhàn)爭(zhēng) 樣式。 圖 13 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧 線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣闊，能夠廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、健康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車(chē)間和倉(cāng)庫(kù)管理、以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。應(yīng)用層為不同的應(yīng)用提供了一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的高層接口 ； 如果需要 ，傳輸層可為傳感網(wǎng)絡(luò)保持?jǐn)?shù)據(jù)流或保證與 Inter 連接 ； 網(wǎng)絡(luò)層主要關(guān)心數(shù)據(jù)的路由 ； 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)調(diào)無(wú)線(xiàn)媒質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn) ， 盡量減少相鄰節(jié)點(diǎn)廣播時(shí)的沖突 ； 物理層為系統(tǒng)提供一個(gè)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的調(diào)制、傳輸和接收系統(tǒng)。 圖 12 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 通信協(xié)議棧 隨著應(yīng)用和體系結(jié)構(gòu)的不同 ， 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧 也不盡相同 ， 圖13 是傳感節(jié)點(diǎn)使用的最典型的協(xié)議模型。中繼器擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)傳輸距離 ， 同時(shí)提供了容故障能力。 混合網(wǎng)力求兼具星狀網(wǎng)的簡(jiǎn)潔和低功耗以及網(wǎng)狀網(wǎng)的長(zhǎng)傳輸距離和自愈性等優(yōu)點(diǎn) (圖 12(c))。網(wǎng)狀網(wǎng)的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都有多條路徑到達(dá)網(wǎng)關(guān)或其它節(jié)點(diǎn) ， 因此它的容故障能力較強(qiáng)。在各種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中 ， 星狀網(wǎng)整體功耗最低 ， 但節(jié)點(diǎn)與基站間的傳輸距離有限 ， 一般只有幾十米?；究梢允且慌_(tái) PC、 PDA、嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器 ， 或其它與高數(shù)據(jù)率設(shè)備通信的網(wǎng)關(guān) ， 除了向各節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)和命令外 ， 基站還與因特網(wǎng)等更高層系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) ， 開(kāi)發(fā)人員必須充分了解這些網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)以滿(mǎn)足不同無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求。軟件則為傳感器提供必要的軟件支持，如嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等。處理單元負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作，如對(duì)感知單元獲取的 信息進(jìn)行必要的處理、保存，控制感知單元和電源的工作模式等。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖 11： 圖 11 電源為傳感器提供正常工作所必需的能源。 基于 CC2430 無(wú)線(xiàn)信道選擇的軟件設(shè)計(jì) 4 節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的 基本組 成包括 4 個(gè)基本單元：傳感單元 (由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成 )、處 理 單元 (包括 CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等 )、通信單元 (由無(wú)線(xiàn)通信模塊組成 )以及電源。網(wǎng)關(guān)通過(guò)這個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)把感測(cè)數(shù)據(jù)從傳感區(qū)域發(fā)送到提供遠(yuǎn)程連接和數(shù)據(jù)處理的基站，基站再通過(guò) Inter 聯(lián)系到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織的功能，單