TinyOS在CC2430平台上的移植与实现-开题报告

开题报告毕业设计（论文）开题报告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述文献综述1研究背景和意义1.1无线传感器网络无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）技术是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域1。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观察者2。从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。无线传感器网络是继因特网之后，将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT热点技术3。1.2无线传感器网络的操作系统TinyOS无线传感器网络的操作系统是无线传感器网络中的一项关键技术，是管理和操作设备的系统软件支持。它不仅具有传统操作系统的功能，负责管理系统中的软硬件，为用户提供应用开发和运行的平台4。相对于传统无线网络，无线传感器网络具有一些明显的特征：（1）网络中的传感器节点数量众多、密度高，单位面积所拥有的网络节点数远大于传统的无线网络。（2）传感器节点由电池供电，节点能量有限。由于节点数量多，而且无线传感器网络往往应用于人烟荒芜的地方或人们难以直接操作的地方，因此更换传感器节点电池是不现实的。这决定了传感器节点生命和网络寿命的有限性。（3）网络节点间采用自组织的通信方式。传感器节点是自主的、自治的，节点之间以AdHoc.方式通信，不同于传统无线网络的中心控制通信模式。（4）网络拓扑易变化。由于节点能量有限，节点易出故障，导致无线传感器网络拓扑信息变化快速。（5）网络应具备容错能力。传感器节点所处的环境通常是恶劣的（如噪音多、风吹雨淋等），导致节点易受干扰，易出错。这要求无线传感器网络应具有容错能力才会毕业设计（论文）开题报告有应用前景。由于以上的特点限制，传感器网络操作系统应具备的一些特点：（1）基于可重用组件的体系结构。（2）使用事件驱动模型，通过事件触发来唤醒CPU工作。（3）单一任务栈。（4）内核非常简单，甚至在严格意义上说，称不上内核。（5）没有进程管理和虚拟存储7。目前针对无线传感器网络开发的专用操作系统有4TinyOS、MagnetOS、MANTIS、SenOS、PEEROS等，其中，TinyOS已被多方视为WSN的标准运行平台，它采用nesC语言，实现了通常操作系统的基本功能和通信部分协议栈及应用功能，其内核程序和内存的需求非常小，很适合无线传感器网络的应用5。1.3硬件平台CC2430根据传感器节点的特性：能量有限、低成本、微型化、扩展性和灵活性强、安全、稳定，要求系统功耗相当低、体积小，而对传输距离和传输速率没有太多限制，所以选择Chipcon公司的CC24304。组建一个性能完善的无线传感器网络的关键就是选择好嵌入式操作系统和硬件平台，而如何将操作系统移植到硬件平台上则是关键的关键。而CC2430并不支持TingOS，所以只有将TinyOS成功的移植到CC2430上才能为后续的应用程序设计实现工作奠定了基础5。2国内外研究与发展现状无线传感器网络是一种分布式的自组织网络计算机系统，由于它的特殊性，致其对操作系统的需求相对于传统计算机系统有较大的差异。因此，需要针对感器网络应用的多样性、硬件功能有限、资源受限、节点微型化和分布式任务作等特点，研究和设计新的基于传感器网络的操作系统和相关软件7。这就决定了网络节点的操作系统设计应满足如下要求：（1）小代码量。由于节点的内存有限，因此操作系统核心代码量必须比较小，使其可以在有限的空间中具备高效管理硬件的能力。（2）模块化。无线传感器网络设计的趋势是针对特定的应用而并不是普遍的应用，毕业设计（论文）开题报告不同的应用所需要的硬件平台是不相同的。随着无线传感器网络的广泛应用，节点构成的变化是巨大的。在特定的硬件平台上，根据不同的应用快速便利地结合软件模块实现应用是非常重要的。（3）低功耗。WSN的大多数节点采用电池供电。由于节点数量众多以及节点被散布的环境使更换节点的电池是不可行的，甚至是不可能的，因此低功耗的操作将延长整个网络的生命周期，是操作系统设计必须满足的条件。（4）并发操作性。在传感器网络的节点上存在着大量的并发操作，如数据采样、数据处理、数据转发可能同时进行。操作系统需要具备支持严格并发操作的能力。（5）健壮性。WSN节点数量众多以及运行环境特殊，要求运行在单个节点上的操作系统不但健壮，而且应该便利地适应于可靠的分布式应用的发展。这些操作系统主要面向嵌入式领域相对复杂的应用，其功能也比较复杂，系统代码尺寸相对较大。而传感器网络硬件等资源极为有限，上述操作系统目前很难在这样的硬件资源上正常运行9。（6）容错性。传感器网络中的传感器经常会由于周围环境或电源耗尽等原因而失效。由于环境或其他原因，物理地维护或替换失效传感器常常是十分困难或不可能的10。无线传感器网络节点的资源十分有限,传统的嵌入式操作系统难以正常有效地运行和工作。特别在能量和内存要求中矛盾比较突出。因此需要一种全新的嵌入式操作系统才能满足无线传感器节点的基本需求。到目前为止,已经开发出一些面向无线传感器网络的操作系统,例如由C和汇编混合编写、支持多任务、提供基于事件的编程模型的BTnodeOS，针对AtMega128设计的、非抢占多线程、支持动态堆栈分配的Nut/OS,可抢占、支持时间片轮转的MANTISOS，基于事件驱动的EYESOS，目标平台为MSP430的DCOS和伯克利大学的TinyOS等12。我国也在进行WSN操作系统的研究，比如上海计算技术研究所独立开发WMN0S。它主要是由任务调度模块（负责一般任务调度）和中断调用模块（负责突发事件处理）组成，节点内存划分为系统堆栈、系统变量、用户变量3个区域，任务调度器通过系统变量来进行任务调度工作。WMN0S十分简单，所需节点硬件资源也相当的小，可在IKRAM上运行5。毕业设计（论文）开题报告目前TinyOS在WSN操作系统领域处于主导地位13。与一般的嵌入式操作系统相比，TinyOS有其自身的特点：采用模块化设计，所以核心尺寸小(一般来说核心代码和数据大概在400Bytes左右)，可突破WSN存储资源少的限制；基于可重用组件的体系结构；使用事件驱动模型，通过事件触发来唤醒CPU工作；单一任务栈；内核非常简单，甚至在严格意义上说，称不上内核；没有进程管理和虚拟存储这些特点使得Tiny0S非常适合WSN的需求所以它得到了广泛应用10。TinyOS(TinyMicroThreadingOperatingSystem)是美国加州大学伯克利分校(UCBerkeley)开发的一种无线传感器网络节点专用的开源操作系统5。TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统，主要针对无线传感器网络。TinyOS是用nesC程序编写的嵌入式操作系统，作为一系列合作项目的结果。其首先出现，是作为UCBerkeley和IntelResearch合作实验室的杰作，用来嵌入智能微尘（SmartDust）当中，之后慢慢演变成一个国际合作项目，即TinyOS联盟11。该操作系统将低功耗CPU、内存、无线通信模块和传感器结合起来，并且为了能适应于低功耗的传感器节点，TinyOS将高效的执行模型，组件模型和通信机制结合起来。因此，TinyOS成为绝大多数无线传感器网络研究的首选软件平台。TinyOS提供了一个组件库，包括网络协议，分布式服务，传感器驱动程序和数据汇聚工具等组件，并且提供了一系列针对于已经开发的节点硬件平台的组件可以直接进行使用。TinyOS使用了一种两层的调度结构，当运行一个较长的任务程序时，硬件事件可以将该任务打一断，而使与中断事件相关的处理立即被执行。TinyOS由nesC语言实现，该语言支持TinyOS的组件和并发模型，并且提供组件之间的优化和编译时数据的竞争检测14。TinyOS已经可以运行在很多硬件平台7之上，如TelosB，Mica，Mica2，Mica2Dot和欧洲的EYES，CrossBow的Micaz等13。CC2430是得到广泛应用的无线传感器片上系统，基于增强型8051内核；将基于TinyOS的nesC代码程序移植到CC2430中则需要解决gcc不支持8051的问题，以及一些系统必备的关键文件；并实现CC2430的基本通信功能15。毕业设计（论文）开题报告3参考文献1.李晓初.ZigBee无线传感器网络数显汇聚节点设计D.电子科技大学,2008.2.孙利民，李建中，陈渝，朱红松.无线传感网络M.北京：清华大学出版社，2006.p3-p4.3.庞同庆.无线传感器网络嵌入式操作系统TinyOS的分析与移植D.沈阳航空工业学院,2008.4.宋文，王兵，周应宾.无线传感器网络技术与应用M.北京：电子工业出版社，2007.p144-p154.5.杨鹏君.WSN的路由协议在TinyOS下的分析与研究D.吉林大学,2010.6.鲁玺梦.基于TinyOS的无线传感器网络操作系统的分析与研究D.华北电力大学（北京）,2010.7.张森.基于TinyOS的嵌入式集成开发环境研究与实现D.电子科技大学,2008.8.裴旭明.基于TinyOS的无线传感器网络节点设计D.西安电子科技大学，2010.9.朱伯尘.基于ZigBee的TinyOS系统设计D.北京邮电大学，2009.10.于海斌，曾鹏，梁韡.智能无线传感器网络系统M.北京：科技出版社，2006.p3-p4.11.韦战,施伟斌.基于无线传感器网络的嵌入式操作系统TinyOSC.上海：上海理工大学光电信息与计算机工程学院，2010.12.王斌.无线传感器网络操作系统TinyOS的研究C.桂林电子科技大学,13.吉安龙.基于TinyOS的图像无线传输方法的研究D.南京理工大学，2010.14.庞琳.基于TinyOS的无线传感器网络节点物理层的设计与实现D.解放军信息工程大学，2007.15.周迪，陶正苏陈德富等.CC2430节点移植TinyOSJ.上海：机电产品开发与创新,2009,第22卷第6期.毕业设计（论文）开题报告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）研究内容：在TinyOS成功移植到CC243O平台后，用TinyOS实现ZigBeeStack的功能即：自组网。问题一：无线传感器网络软件环境的搭建方案：可以安装在windows下，也可以安装在Linux下，因为绝大多数人比较习惯使用windows操作系统，所以安装在windows下。需要安装的软件有：JDK1.5：jdk-1_5_0-windows-i586.exe；Keil：KeiluVision2；下载工具：Setup_SmartRFProgr_1.7.1.exe；Cygwin；NesC编译工具：nesc-1.3.1-1.cygwin.i386.rpm；TinyOS相关工具：tinyos-deputy-1.1-1.cygwin.i386.rpm；tinyos-tools-1.4.0-3.cygwin.i386.rpm；tinyos-2.1.1-3.cygwin.noarch.rpm；Tinyos文件：TinyOS8051wg-0.1pre4.gz；网络仿真工具：graphviz-1.10.exe。安装步骤：JDK1.5Keil下载工具CygwinTinyOS问题二：TinyOS的移植通过对nesC编译过程的分析，得知nesC编译器ncc是基于GCC编写的，而GCC本身不支持MCS-51系列单片机的交叉编译，所以设计难点在于使其支持MCS-51的交叉编译工具及编写CC243O硬件支持组件。方案：本文设计的移植流程如下：第一步：组件文件（.nc文件）分析与转化。此阶段通过调用Tiny0S自带的编译器ncc，对.nc源文件进行语法、文法分析，同时检测共享数据缓冲区。再根据各个组件及接口对毕业设计（论文）开题报告该文件使用的函数和变量进行名字扩展，使其具备全局唯一性。最后把函数和变量整合到一个主函数中，生成相应的app.c文件。这个文件便是普通的C语言程序。以上替换过程由ncc核心程序nesc1.exe完成。第二步：生成app.c文件后，ncc调用avr-gcc的交叉编译器工具对该C文件进行编译、链接，便成为可以在CC2430平台上可运行的可执行文件，最后由下载程序写入Flash。图1-1编译过程根据TinyOS上层组件接口需要，用nesC编写硬件抽象层和硬件表达层文件。然后结合上层应用程序编译出app.preMangle.C文件。再通过perl语言将app.preMangle.c文件转换成CC243O的Keil开发环境支持的语法，生成app.c文件。再通过调用Keil开发工具生成即app.hex，再通过下载软件下载。在编译前，要在supportmake文件夹内加入CC243O平台目标文件CC243Oem.target，CC2430em.target内“PLATFORMS=”代码后为平台名称，加入“CC243Oem”，表示加入CC243O平台。在tosplatforms文件夹下新建“CC243Oem”目录，并加入CC243O平台参数和创建“.plat