本發(fā)明是一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TinyOS在傳感器節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)用技術(shù)方法，主要研究傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信，屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

“物聯(lián)網(wǎng)”是把所有物品通過(guò)射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理，是指各類傳感器和現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)相互銜接的一個(gè)新技術(shù)。作為物聯(lián)網(wǎng)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今無(wú)線通信領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。物聯(lián)網(wǎng)正是通過(guò)遍布在各個(gè)角落和物體上的形形色色的傳感器以及由它們組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，來(lái)最終感知整個(gè)物質(zhì)世界的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究最早起源于軍事領(lǐng)域，因其無(wú)需架設(shè)通信設(shè)施、能夠快速部署、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)使得它具有重大的應(yīng)用價(jià)值。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以感知不同的參數(shù)信息，包括位移、加速度、電磁波、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)、壓力等，這使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小、資源受限并且具有一定計(jì)算能力和無(wú)線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通常部署于開放、無(wú)人值守、甚至敵對(duì)的環(huán)境下，如軍事領(lǐng)域，執(zhí)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集任務(wù)。當(dāng)它被部署在這樣的環(huán)境中，它缺乏物理保護(hù)和有受節(jié)點(diǎn)感染的傾向。感染一個(gè)或多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)后，敵人可能發(fā)動(dòng)各種攻擊，擾亂無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。而傳感網(wǎng)絡(luò)容易受到的虛假數(shù)據(jù)注入的攻擊則是攻擊者常使用的攻擊手段，對(duì)手注入到網(wǎng)絡(luò)中的虛假數(shù)據(jù)達(dá)到欺騙基站或中繼節(jié)點(diǎn)的資源消耗的目標(biāo)。

WSN的操作系統(tǒng)作為應(yīng)用軟件的開發(fā)基礎(chǔ)，它的各種性能指標(biāo)直接影響了系統(tǒng)的性能，所以對(duì)于操作系統(tǒng)的研究是很有必要的。由加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的TinyOS操作系統(tǒng)是實(shí)際上的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。它的結(jié)構(gòu)模塊化、低功耗等優(yōu)點(diǎn)使其被廣泛應(yīng)用于WSN上，并成為很多WSN系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明的目的是提供一種基于TinyOS的傳感器無(wú)線通信方法線通信方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)多徑傳輸?shù)膯?wèn)題。基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(TinyOS)提出一種節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行無(wú)線通信的技術(shù)，來(lái)解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源受限的問(wèn)題。

技術(shù)方案：該技術(shù)及其解決方案，使用基于TinyOS操作系統(tǒng)的解決方法，TinyOS作為傳感器網(wǎng)絡(luò)必要的軟件支持主要進(jìn)行較復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度與管理，TinyOS的程序采用的是模塊化設(shè)計(jì)，它是基于一種組件的架構(gòu)方式，使得能夠快速實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，其程序核心往往都很小(一般來(lái)說(shuō)核心代碼和數(shù)據(jù)大概在400BYTES左右)，能夠突破傳感器存儲(chǔ)資源少的限制，讓TinyOS很有效地運(yùn)行在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上并執(zhí)行相應(yīng)的管理工作等。

本發(fā)明的基于TinyOS的傳感器無(wú)線通信方法線通信方法采用一種基于組件架構(gòu)方式的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TinyOS，依托了TinyOS發(fā)行包中提供的組件重新修改和編寫模塊程序，具體實(shí)施方法為：

1)程序的編譯與下載

軟件實(shí)現(xiàn)：在TinyOS系統(tǒng)下，基于TinyOS的發(fā)行包中提供的組件與應(yīng)用程序包括Oscilloscope和TOSBase，重新修改編寫模塊程序OscilloscopeRF、TOSTest：和TOSBaseTest：，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的采集發(fā)送數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)等功能；

硬件實(shí)現(xiàn)：通過(guò)編程板板MIBB51D和串口轉(zhuǎn)接線USB converter 232將傳感器硬件節(jié)點(diǎn)Micaz與電腦進(jìn)行連接，通過(guò)unix模擬環(huán)境軟件Cygwin到達(dá)C:/Cygwin/opt/tinyos-1.x/apps目錄下相應(yīng)的應(yīng)用程序，分別對(duì)采集節(jié)點(diǎn)A、基站節(jié)點(diǎn)B、第一中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)C和第二中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行編譯下載；

2)建立多跳通信

通過(guò)51針接口連接采集節(jié)點(diǎn)A與光敏度采集板mts300，光敏度采集板mts300將采集到的光敏度數(shù)據(jù)傳導(dǎo)給采集節(jié)點(diǎn)A，采集節(jié)點(diǎn)A通過(guò)與第一中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)C建立起IEEE802.15.4協(xié)議信道，并將數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包后發(fā)送給第一中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)C，第一中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)C轉(zhuǎn)發(fā)信息到基站節(jié)點(diǎn)B，基站節(jié)點(diǎn)B將數(shù)據(jù)包通過(guò)串口傳送給電腦并進(jìn)行顯示；

3)進(jìn)行多徑通信

啟動(dòng)第二中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)D，采集節(jié)點(diǎn)A將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至第二中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)D，第二中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)D將接收到的數(shù)據(jù)重新打包封裝發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)B，基站節(jié)點(diǎn)B收到數(shù)據(jù)包后解封裝后將原始數(shù)據(jù)通過(guò)串口通訊輸出到電腦機(jī)上，電腦機(jī)通過(guò)串口工具進(jìn)行顯示；

最終，實(shí)現(xiàn)了多跳多徑無(wú)線通信。

附圖說(shuō)明

圖1是多跳無(wú)線通信應(yīng)用程序組件圖。

圖2是本發(fā)明方法的節(jié)點(diǎn)間通信流程示意圖。

圖3是本發(fā)明方法提出的通信模型整體流程圖。

圖4是本發(fā)明提出的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

具體實(shí)施方式

1.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TinyOS

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的TinyOS是一種微小的、嵌入式的、基于事件驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，與一般的嵌入式操作系統(tǒng)相比，TinyOS有其自身的特點(diǎn)：

(1)基于可重用組件的體系結(jié)構(gòu)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想；

(2)使用事件驅(qū)動(dòng)模型，通過(guò)事件觸發(fā)來(lái)喚醒CPU工作。

TinyOS采用基于組件式的架構(gòu)形式，圖1給出了其通信組件，無(wú)線收發(fā)模塊是將物理硬件映射而成的硬件抽象組件，其發(fā)命令給相關(guān)1/O引腳處理比特流級(jí)的數(shù)據(jù)收發(fā)，并且發(fā)信號(hào)給事件將數(shù)據(jù)位的發(fā)送和接收通知上層的射頻字節(jié)組件。射頻字節(jié)組件內(nèi)部完成字節(jié)級(jí)數(shù)據(jù)的編碼和解碼工作，并以字節(jié)為單位與上層組件無(wú)線消息包交互，無(wú)線消息包組件進(jìn)行消息包級(jí)的數(shù)據(jù)處理，并發(fā)信號(hào)通知高層次的主動(dòng)消息組件。最終由主動(dòng)消息組件來(lái)完成控制，路由以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。

2.倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)

從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

(1)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集；在倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境下，通過(guò)特定的傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)(溫度、光敏度和空氣濃度等等)；

⑵無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)間通信問(wèn)題研究；

主要基于TinyOS系統(tǒng)中主動(dòng)消息模式的通信模型，主動(dòng)消息模式是一個(gè)面向消息通信的高性能通信模式，早期一般應(yīng)用于并行和分布式計(jì)算系統(tǒng)中，在主動(dòng)消息通信方式中，每個(gè)消息都維護(hù)一個(gè)應(yīng)用層的處理器。

研究采用的傳感器硬件平臺(tái)為組Micaz，實(shí)驗(yàn)流程：在TinyOS環(huán)境下，A號(hào)Micaz節(jié)點(diǎn)編譯下載相應(yīng)的具有發(fā)送功能的應(yīng)用程序，B號(hào)Micaz節(jié)點(diǎn)編譯下載具有相應(yīng)的接收功能的應(yīng)用程序，即A號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，B號(hào)節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自4號(hào)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并通過(guò)LED燈顯示；

(3)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)與的串口通信研究；

作為基站節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送至串口，PC機(jī)通過(guò)串口工具對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，需要將每次讀取的數(shù)據(jù)整合在一起，對(duì)整合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照定義的幀格式，通過(guò)幀頭和幀尾，將幀信息從字節(jié)流中抽取出來(lái)，獲取有用的信息。

以此分析研究基于傳感器節(jié)點(diǎn)平臺(tái)的倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、收發(fā)和顯示問(wèn)題。

3.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳通信

基于倉(cāng)庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)，進(jìn)行多跳無(wú)線通信；本發(fā)明可能會(huì)基于一種常見(jiàn)的、基礎(chǔ)型的無(wú)線通信方式進(jìn)行研究分析，提出一種能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線多徑傳輸?shù)姆绞健?/p>

傳感器節(jié)點(diǎn)正常通信：①A號(hào)組Micaz節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至c號(hào)Micaz中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，C號(hào)節(jié)點(diǎn)將接收到數(shù)據(jù)發(fā)送至B號(hào)Micaz基站節(jié)點(diǎn)，B號(hào)基站節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送至串口，PC通過(guò)串口工具對(duì)串口的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取顯示；

②啟動(dòng)D號(hào)Micaz節(jié)點(diǎn)，D節(jié)點(diǎn)同樣接收A號(hào)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)打包封裝發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)B，即實(shí)現(xiàn)了多路徑多跳無(wú)線通信，對(duì)該無(wú)線通信的安全方面也起到了一定的作用。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境

操作系統(tǒng)Windows XP，TinyOS

軟件Cygwin,VS

硬件：Micaz節(jié)點(diǎn)，MIB51D編程板，USB converter 232，mts300光敏度采集板，PC。

⑵具體實(shí)施方案

①程序的編譯與下載

軟件實(shí)現(xiàn)：在TinyOS系統(tǒng)下，基于TinyOS現(xiàn)有的發(fā)行包中提供的組件Oscilloscope和TOSBase，重新修改編寫了符合本發(fā)明的模塊程序，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)等功能；

硬件實(shí)現(xiàn)：通過(guò)編程板(MIB510)和串口轉(zhuǎn)接線(usb converter 232)將傳感器硬件節(jié)點(diǎn)與電腦進(jìn)行連接，通過(guò)unix模擬環(huán)境軟件Cygwin到達(dá)C：/Cygwin/opt/tinyos-1.x/apps目錄下相應(yīng)的應(yīng)用程序，分別對(duì)采集節(jié)點(diǎn)A、基站節(jié)點(diǎn)B、中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)D和中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)D進(jìn)行編譯下載；

②建立多跳通信

通過(guò)51針接口連接采集節(jié)點(diǎn)A與光敏度采集板，mts300將采集到的光敏度數(shù)據(jù)傳導(dǎo)給采集節(jié)點(diǎn)A，采集節(jié)點(diǎn)A通過(guò)與中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)c建立起IEEE.802.15.4協(xié)議信道，并將數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包后發(fā)送給中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)C，中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)C轉(zhuǎn)發(fā)信息到基站節(jié)點(diǎn)B，基站節(jié)點(diǎn)B將數(shù)據(jù)包通過(guò)串口傳送給PC并進(jìn)行顯示；

③進(jìn)行多徑通信

啟動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)D，采集節(jié)點(diǎn)A將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至中繼節(jié)點(diǎn)D，中繼節(jié)點(diǎn)D將接收到的數(shù)據(jù)重新打包封裝發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)B，基站節(jié)點(diǎn)B收到數(shù)據(jù)包后解封裝后將原始數(shù)據(jù)通過(guò)串口通訊輸出到PC機(jī)上，PC機(jī)通過(guò)串口工具進(jìn)行顯示。