初识无线传感器网络 — Blink实验
一、实验目的
通过本实验的课程教学，主要是让用户了解以下内容：
1.初识无线传感器网络基础节点
2.了解TinyOS传感器网络操作系统编程方式
3.了解TinyOS编程模式与NesC基本概念
二、知识介绍
1．GEN-0200B新型物联网传感器节点硬件介绍
在下面实验教程中，我们使用GEN-0200B新型物联网传感器节点，如下图GEN-0200B、GEN-0200B外观。
图1-1GEN-0200B、GEN-0200B外观
无线传感器网络节点采用低功耗ZigBee无线射频芯片及16位RISC指令集MCU。该节点支持Tinyos操作系统，提供全套Tinyos源程序代码。模块可以通过动态地址方便组成传感器网络，可以实时传输采集的各种数据，模块各地址可以在每次USB下载中方便指定。整个传感模块采用低功耗设计，工作时只需要两节1.5V的5号干电池。
2.功能及参数
1.支持USB、干电池供电和太阳能（室外）供电；采用AA型电池供电时，可在室外连续工作3个月以上，通过软件适当管理，基本节点可以有效工作达一年以上；
2.CPU使用TI公司的MSP430F1611 ，射频模块为CC2420；
3.通讯半径：室内20-50m，户外75-125m；
4.通讯频段：2.4-2.4835GHZ，最大数据传输率：250Kbps；
5.存储器：内存：48K；RAM：10K；Flash：1M；
6.可见光传感器S1087，可检测光波波长范围 320nm~730nm；
7.湿度传感器SHT11检测湿度精度±3.0％RH，温度精度0.4℃；
8.USB接口具备数据连接、供电及在线编程的功能；
9.快速唤醒，时间<6uS；
10.工作电压：DC，1.8~3.6V，可以使用2节1.5V碱性电池供电；
11.待机功耗：0.6mW；
12.峰值功耗：65mW。
该节点即可以使用内置天线，亦可使用外置天线来提升通信距离；其调试接口有USB和JTAG这两种模式，扩展接口丰富，可外接十余种低功耗传感器。
在这里我们需要了解无线信号发送模型，理想模型认为节点天线信号是以圆周辐射的，如下图。
图1-2 无线信号理想模型
但是实际信号的发射收到天气因素（温度湿度等）、建筑反射等的影响，其实际模型如下图。
图1-3 无线信号实际模型
三、实验步骤
点击开始实验进入实验操作界面
1.上传实验代码
点击下图图标上传代码，上传的代码支持压缩文件zip格式。
图1-4 实验代码上传
2.编译实验代码
点击图1-5箭头标识的按钮编译实验代码，编译结果如图1-6所示,编译对应我们TinyOS下的 make telosb 命令。
图1-5 编译实验代码
图1-6 代码编译结果
3.申请SmartNode
点击下一步进入Step2页面，此时界面没有节点，我们需要申请要用到的SmartNode，点击下图箭头所指申请按钮。
图1-7申请界面
4.烧录代码
选中0号节点（选中节点后，节点编号会变黑如下图所示），选择该实验代码Blink代码，点击烧录按钮，即可将代码烧录到0号节点，界面右方有操作提示信息。
烧录对应我们TinyOS下的 make telosb install，0 bsl,/dev/ttyUSB0命令。
图1-8 节点操作界面
图1-9 操作提示信息
5.实验结果显示
观察0号节点的3个led灯，可看到它们以不同的周期闪烁。
四、实验分析
1.TinyOS编程模式分析
TinyOS的编程方式采用nesc语言，这是一种类C语言，nesc语言有几个最重要概念：组件，接口，模块。如下图BlinkC程序组件图：
图1-10 BlinkC组件图
2.nesC程序基本概念：Component（组件）
- 每一个程序都是由若干组件（component）组成；
- 组件有两种类型，一种是模块（module），另一种是配置（configuration）；
- 配置文件的作用是表明组件之间的关系。模块文件的作用是将程序的具体实现放在其中；
- 每个程序都需要一个顶层的配置文件，它的名字是用程序名字命名。
从上图可以发现，BlinkC这个组件是由MainC，TimeMilliC，LedsC组件组成。
3.nesC程序基本概念：Interface
- 每个component都提供以及使用 interface；
- Component提供的interface说明了该组件为使用者提供的功能；
- Component使用的interface说明了该组件需要用到的由其他组件提供的功能。
接口常使用的关键词是command和event。
从上图中，箭头的名字表示组件与组件之间访问使用的接口。下面我们结合程序来看下组件、接口、模块的概念。
Blink目录下面包含Makefile、BlinkAppC.nc、BlinkC.nc三个文件。
BlinkAppC.nc
源码
configuration BlinkAppC //表示这是一个名为BlinkAppC的配置
{
}
implementation
{ //组件申明
components MainC, BlinkC, LedsC;
components new TimerMilliC() as Timer0;
components new TimerMilliC() as Timer1;
components new TimerMilliC() as Timer2;
//组件间使用关系定义
BlinkC -> MainC.Boot;
BlinkC.Timer0 -> Timer0;
BlinkC.Timer1 -> Timer1;
BlinkC.Timer2 -> Timer2;
BlinkC.Leds -> LedsC;
} 在implementation关键字后面的括号内是配置的具体实现。components关键字后面表明了这个配置文件所引用的组件，在这里分别是Main、BlinkC、LedsC以及三个TimerMilliC组件。最后五行表明了各组件间的provider和user的关系。A->B表示了一种关系，其中A为使用方（user），而B为提供方（provider）。命令（command）就是接口提供方已经实现的函数。事件（event）就是需要接口使用方实现的函数。
BlinkC.nc
源码
module BlinkC @safe() //声明了使用到的接口名称，具体语法可以详细查看Nesc语法。
{
uses interface Timer<TMilli> as Timer0;
uses interface Timer<TMilli> as Timer1;
uses interface Timer<TMilli> as Timer2;
uses interface Leds;
uses interface Boot;
}
implementation
{
event void Boot.booted()
{
call Timer0.startPeriodic( 250 ); //每250ms触发一次event void Timer0.fired（）
call Timer1.startPeriodic( 500 );
call Timer2.startPeriodic( 1000 );
}
event void Timer0.fired()
{
dbg("BlinkC", "Timer 0 fired @ %s.\n", sim_time_string());
call Leds.led0Toggle(); //使Led状态反转
}
event void Timer1.fired()
{
dbg("BlinkC","Timer 1 fired @ %s \n", sim_time_string());
call Leds.led1Toggle();
}
event void Timer2.fired()
{
dbg("BlinkC", "Timer 2 fired @ %s.\n", sim_time_string());
call Leds.led2Toggle();
}
} 注意这里面定义的接口我们可以从BlinkC组件图里面看到，箭头上的接口名称就是在这个区域定义的。
第一行内容表明这是一个名为BlinkC的module，而后括号的内容表明了该module使用的接口（interface）。[注意这个module没有提供接口（provide）]
由于使用方必须实现接口中的event函数。因此我们可以看到该文件中的implement中包含了初始化Boot.booted，以及三个timer计时的event函数的具体实现。在每个timer的触发event函数内容中写明了其需要触发的内容。详见示例程序。
在模块文件的具体实现里面涉及到了TinyOS执行模型，该模块使用了MainC组件的boot接口，以事件的响应的方式作为节点上电后的响应事件。在这里涉及到了接口中常见的用法：命令（command）和事件（event）。在BlinkC模块具体实现中，从节点上电开发，触发Boot接口事件，在该事件中，调用了TimerMilliC组件的Timer接口。
