无线传感器网络中的nesC嵌入式编程语言

引  言

无线传感器网络是目前国内外研究的热点之一，它是由大量廉价的传感器节点组成，通过有线／无线通信方式自组织形成的网络系统，相互协作地感知周围的数据。由于无线传感器节点是一种典型的资源受限的嵌入式系统，需要一个微型的操作系统来组织和管理硬件，实现应用软件的功能。TinyOS是美国加州大学伯克利分校针对无线传感器网络而设计的一个基于事件驱动的微型操作系统，最初是用汇编和C语言实现的。由于C语言不能有效、方便地满足面向传感器网络的应用开发，其目标代码比较长，经进一步研究设计出了支持组件化的新型编程语言——nesC。其最大的特点是，将组件化／模块化思想和基于事件驱动的执行模型相结合。现TinyOS操作系统和基于TinyOS的应用程序都是用nesC语言编写的，大大提高了应用开发的方便性和应用执行的可靠性。本文以WSN为背景，通过一个基于TinyOS的灯闪烁实例——Blink，详细介绍nesC语言的结构以及用该语言如何实现组件化／模块化的应用程序，为深入研究TinyOS的应用开发提供一种实现方法。

1  nosC语言结构

nesC是C语言的扩展，精通C语言的程序员掌握这种语言相对比较快。与C语言的存储格式不同，用nesC语言编写的文件是以“．nc”为后缀。每个nc文件实现一个组件功能(组件化／模块化)。在nesC程序中，主要定义两种功能不同的组件——模块(module)和配件(configuration)。

模块主要用于描述组件的接口函数功能以及具体的实现过程，每个模块的具体执行都由4个相关部分组成：命令函数、事件函数、数据帧和一组执行线程。其中，命令函数是可直接执行，也可调用底层模块的命令，但必须有返回值，来表示命令是否完成。返回值有3种可能：成功(见BlinkM．nc代码部分)、失败、分步执行。事件函数是由硬件事件触发执行的，底层模块的事件函数跟硬件中断直接关联，包括外部事件、时钟事件、计数器事件。一个事件函数将事件信息放置在自己的数据帧中，后通过产生线程、触发上层模块的事件函数、调用底层模块的命令函数等方式进行相应处理，因此节点的硬件事件会触发两条可能的执行方向——模块间向上的事件函数调用和模块间向下的命令函数调用。

配件主要是描述组件不同接口的关系，完成各个组件接口之间的相互连接和调用。相关执行部分主要包含提供给其他组件的接口和配件要使用的接口的组件接口列表和如何将各个组件接口连接在一起的执行连接列表。

模块和配件的定义格式如下：



在模块中，关键字“implementation”必须包含实现模块提供和使用接口声明的全部命令和事件。在配件中，关键字“implementation”定义执行部分，连接用“->”、“=”、“<-”等符号表示，“->”表示位于左边的组件接口要调用位于右边的组件接口。

不管是模块还是配件，每个组件都包含了定义和实现两部分。被提供者和被使用者都是通过调用接口来实现各个接口的通信和函数的功能，不同的模块也可以实现相同的接口。接口可以是命令和事件，也可以是单独定义的一组命令。在应用程序中存在多个配置文件，并且配件之间存在一个层次关系，最上面的为顶层配件文件(每个应用程序必须有一个顶层配件)，定义了Main组件接口与其他组件接口的连接方式以及各个接口间的调用关系。具体框架图可参见文献[6]中的关于nesC的一般结构。

2  nesC应用程序的分析

每一个nesC应用程序都是由一个或多个组件通过接口链接起来，并通过ncc／gcc编译生成一个完整的可执行程序。下面以TinyOS软件中的Blink应用程序为例，具体介绍nesC应用程序结构。

Blink程序是一个简单的nesC应用程序。它的主要功能是每隔1 s的时间间隔亮一次，关闭系统时红灯亮。其程序主要包括3个子文件Blink.nc、BlinkM.nc和SingleTimer.nc。

(1)Blink.nc文件

这个文件为整个程序的顶层配件文件，关键字为configuration，通过“->”连接各个对应的接口。文件关键内容如下：



从上述代码中可看出，该配件使用了Main组件，定义了Main接口和其他组件的调用关系，是整个程序的主文件，每个nesC应用程序都必须包含一个顶层配置文件。

(2)BlinkM.nc文件

BlinkM.nc为模块文件，关键字为module、command，通过其调用StdControl接口中的3个命令“init，start，stop”连接接口，是实现Blink程序的具体功能。内容如下：



(3)SingleTimer.nc文件

SingleTimer.nc为一个配件文件，主要通过TimerC和StdControl组件接口实现与其他组件之间的调用关系，配件文件还定义了一个唯一时间参数化的接口Timer。下面给出部分伪代码：


注：程序中斜体字表示nesC语法中所用到的关键字。

将nesC编写的配件文件、模块文件通过接口联系起来就形成了图1所示的Blink组件接口的逻辑关系。从图中可清晰地看出在Blink程序中组件之间的调用关系，各配件文件(如SingleTimer和LedsC)以层次的形式连接，体现了nesC组件化／模块化的思想。



3  nesC程序的仿真

关于nesC应用程序的执行，在TinyOS上提供了一个可视化图形仿真器’Tinyviz，观测TinyOS应用程序具体功能的执行过程。以TinyOS系统自带的app应用文件Blink程序执行过程为例，其他基于TinyOS开发的应用程序软件调试、仿真均可用以下执行方法。

(1)运行环境

在PC机上安装TinyOS的运行平台，具体安装过程和安装Windows系统一样。  

为了避免与pc机自身系统的冲突，可将安装包tinyos-1.1.0.exe(软件版本以实际仿真的版本为主，现升级到TinyOS-2.1)安装到指定路径(本仿真软件环境是安装在D：／盘下)。这个安装包已经包含了JAVA、Cygwin，TinyOS相关软件和相关的编译器，同时提供像mica、micaz等硬件驱动，针对不同硬件编译生成可执行文件下载。

(2)执行步骤

①打开生成的cygwin图标(Linux建立在Windows下的软件平台)，在光标下进入仿真环境路径(安装在D盘下)：

cygdrive／d／tinyos／cygwin／opt／…／tinyos／sim—寻找软件仿真路径。

②输入make，之后将生成一个执行脚本文件Tinyviz．jar。

③进入应用程序路径。在相同的路径下进入blink目录下。

④输入make pc—在PC机上对Blink程序进行编译、仿真，若有相关硬件，则输入硬件名称，如make micaz，在blink文件下会生成一个pc文件夹，里面包含了在pc机上blink主程序main.exe。

⑤打开blink／pc路径，输入：tinyviz - run main.exe10(10为传感器节点的仿真个数)。

利用可视化Tinyviz将调用接口使Blink程序执行的仿真结果通过图形显示出来，仿真结果如图2所示。最上面一层显示了整个程序仿真时间长度和仿真终止按键。图中每个节点的位置可以任意布置，仿真间隔时间也能自行设定。Blink程序的主要功能是每经过1 s的时间间隔，每个仿真节点上红灯会闪烁1次，如图中节点0红灯是灭的，节点6红灯是亮的。该图很清晰地将NesC编写的应用程序功能仿真出来，对具体代码的硬件化执行提供了实现方法。


4  总  结

通过对Blink程序的详细分析可以看出，用nesC编写的程序能很好地将组件化／模块化的思想应用到程序中，对于其他nesC应用程序编写也能调用各组件接口，代码量少，能快速建立程序中模块间的链接，减少执行任务和事件驱动时线程间不必要的资源消耗，其具体功能可通过仿真软件反映出来。掌握nesC的语法，可以大大地降低实现无线传感器网络操作系统和上层的应用程序的复杂度，为深入学习与研究TinyOS系统以及其上应用程序的设计提供了参考方法。