無線傳感網(wǎng)絡的基于構件化的軟件開發(fā)方法

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

圖4 改進方案中構件間關系

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

3 測試直接調用法

　　將直接調用法應用IEEE802.15.4 的設計與實現(xiàn)。IEEE802.15.4 標準目前已成為事實上的無線傳感器標準，并在各自硬件平臺上開發(fā)該協(xié)議。以IEEE802.15.4 標準為例，在TinyOS系統(tǒng)、CC2420 射頻芯片的環(huán)境下使用本文直接調用法來設計實現(xiàn)該標準，并測試其工作性能。

　　設計按照TinyOS 系統(tǒng)的構件化編程思路進行。物理層將設計兩個構件(PhyP，PhyC)，相關操作通過標準中定義的兩個接口進行：數(shù)據(jù)訪問接口(PD)、管理接口(PLME)。構件PhyP 是物理層的主要實現(xiàn)構件，它具有初始化構件、發(fā)送數(shù)據(jù)、接受數(shù)據(jù)三個基本功能。MAC 層設計兩個構件：MacC、MacP，其中MacP 是主要的執(zhí)行構件。MAC 層中有兩種設備：協(xié)調器節(jié)點和非協(xié)調器節(jié)點。協(xié)調器節(jié)點負責建立網(wǎng)絡：確立網(wǎng)絡號(PANID)、本節(jié)點的短地址、并產生信標幀載荷部分。非協(xié)調器節(jié)點加入?yún)f(xié)調器節(jié)點所建立的網(wǎng)絡中組成更大的個人區(qū)域網(wǎng)絡。

　　3.1 功能測試

　　測試程序運行在兩個對等的節(jié)點上，分兩個階段測試。首先測試物理層的通信情況：一號個節(jié)點產生一個有效載荷為：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，二號節(jié)點在收到上述數(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)包的內容是一致的，并且信號燈閃爍正常，說明節(jié)點之間的通信正常，物理層設計工作正常。進一步測試MAC 層工作情況：將一號節(jié)點設為協(xié)調器節(jié)點，二號節(jié)點設置為非協(xié)調器節(jié)點。一號節(jié)點初始化并建立一個PAN 網(wǎng)，二號節(jié)點請求加入一號節(jié)點所創(chuàng)建的網(wǎng)中，驗證網(wǎng)絡是否工作正常。通過功能測試可知，整個工作過程是按照IEEE802.15.4 標準的規(guī)定運行，實現(xiàn)了該標準功能。

　　3.2 效率測試

　　工作效率測試中應用產生50 個數(shù)據(jù)包后調用MAC 層發(fā)送接口發(fā)送這50 個數(shù)據(jù)包，從應用調用MAC 層數(shù)據(jù)接口時開始計時，到應用層收到包成功發(fā)送的確認消息為止。記錄下這個響應時間，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時間。效率測試將分別在原始方案和直接調用法開發(fā)出來的協(xié)議中進行，統(tǒng)計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，當數(shù)據(jù)包的有效載荷在10 至50 個字節(jié)時二者響應時間差距并不大，響應時間提高了10%左右，當有效載荷增加到50 個字節(jié)以上時，響應時間提高30%，有利于滿足嵌入式系統(tǒng)的實時性要求

　　結束語

　　本方案通過分析無線傳感器網(wǎng)絡現(xiàn)有的開發(fā)方法的不足，提出直接調用法，并用該方法實現(xiàn)IEEE802.15.4 標準，最終達到預期目標。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，實時性要求高的特點。同時直接調用法可以用來開發(fā)其他通信協(xié)議，如：802.11、LEACH、藍牙等。