Tossim 教程

系列文章目录

TinyOS 系列文章【一】：TinyOS 配置教程
TinyOS 系列文章【二】：Tossim 教程

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前言

本文主要用于记录在 WSN 课程中，配置大作业所需使用的 Tossim 仿真工具

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1. Tossim 简介

TOSSIM (TinyOS simulator) 是 TinyOS 自带的一个仿真工具，可以支持大规模的网络仿真。由于 TOSSIM 运行和传感器硬件相同的代码，所以仿真编译器能直接从 TinyOS 应用的组件表编译仿真程序。通过替换 TinyOS 下层部分硬件相关的组件，TOSSIM 把硬件中断换成离散仿真事件，由仿真器事件抛出的中断来驱动上层应用，其他的 TinyOS 组件尤其是上层的应用组件都无须更改。

Tossim 是一个库，你必须写程序配置仿真运行，TOSSIM 支持两种编程接口：Python 和 C++

• Python 允许你动态的和仿真交互，就像一个强大的 debugger
• 但是 Python 的解释器本 身就是一个性能瓶颈，执行效率没有 C++ 高

这两种接口各有优缺点，面我们只介绍 Python 这种接口

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2. TOSSIM 仿真

2.1. 编译 TOSSIM

TOSSIM 是 TinyOS 系统的一个程序库，其核心代码位于 tos/lib/tossim

在每个 TinyOS 源代码目录里，都可能有一个对应的 sim 子目录，其中包含改代码的仿真实现

例如：tos/chips/atm128/timer/sim 含有 Atmega128 定时器的仿真组件

先进入 TinyOS 所在的根目录：

cd /opt/tinyos-2.1.2/

为了编译 TOSSIM，你应该在 make 命令后面加上可选的 sim 选项：

cd apps/Blink
make micaz sim

现在 TOSSIM 只支持 micaz 平台

如果 TOSSIM 编译通过，会得到下面的输出信息：

2.2. 基于 Python 的仿真

下面将以 RadioCountToLeds 应用程序为例，演示 TOSSIM 仿真的一般步骤

RadioCountToLeds 应用程序有一个 4Hz 的计数器，每当数值更新时，就把数值无线广播出去。当另一个 RadioCountToLeds 节点接收到技术值，就将其低 3 位显示在 LED 灯上

1. 切换到 RadioCountToLeds（在 apps 目录下）程序所在目录：

cd tinyos-2.1.2/apps/RadioCountToLeds
make micaz sim

编译成功后，终端出现如下输出：

2. 使用 Python 的交互模式，开启 Python 解释器：

python

终端出现类似下面的输出:

3. 创建 TOSSIM 对象，导入 TOSSIM 仿真器，并创建一个 TOSSIM 对象，输入如下命令：

>>> from TOSSIM import *
>>> t = Tossim([])

4. 运行 TOSSIM 仿真，利用 t.runNextEvent 命令可以运行一个仿真器事件，t 就是刚才创建的 TOSSIM 对象，runNextEvent 是 TOSSIM 对象的一个函数，输入函数格式如下：

>>> t.runNextEvent()
0

此时输入 t.runNextEvent，返回 0，表示没有事件需要运行，因为当前还没有启动任何节点

5. 在 45654 时间点（仿真时间标记点，相当于仿真中的最小时间单位）启动 32 号节点，然后运行它的第一个事件，即 Boot.booted 事件

此时，执行 runNextEvent 返回 1， 因为它有一个启动事件并成功运行了该事件，代码如下:

>>> m = t.getNode(32)
>>> m.bootAtTime(45654)
>>> t.runNextEvent()
1

6. 另外，可以调用 tickPerSecond 函数来表示一秒的仿真时间点总和，调用函数的代码如下:

>>> m = t.getNode(32)
>>> m.bootAtTime(4 * t.ticksPerSecond() + 242119)
>>> t.runNextEvent()
1

7. 仿真运行中，一共有两种方法判断节点是否启动，其中一种方法就是利用节点对象中的 isOn 命令直接查询，代码如下:

>>> m.isOn()
1
>>> m.turnOff()
>>> m.isOn()
0
>>> m.bootAtTime(560000)
>>> t.runNextEvent()
0
>>> t.runNextEvent()
1

注意到，节点关闭并再重新开启后执行的第一个 runNextEvent 函数返回 0，这是因为当节点关掉时，队列里仍然有一个事件

但是，当轮到处理这个事件时，节点仍处于关闭状态， runNextEvent 就返回 0

第二个 runNextEvent 命令针对于 560000 时间点的启动事件，故返回 1

8. TOSSIM 对象还有很多功能函数，在 Python 里，一般可用 dir 函数查看某对象的功能函数，如下：

>>> t = Tossim([])
>>> dir(t)
['__class__', '__del__', '__delattr__', '__dict__', '__doc__', '__g
etattr__',
'__getattribute__', '__hash__', '__init__', '__module__', '__new_
_',
'__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__str_
_',
'__swig_getmethods__', '__swig_setmethods__', '__weakref__', 'addCh
annel',
'currentNode', 'getNode', 'init', 'mac', 'newPacket', 'radio', 'rem
oveChannel',
'runNextEvent', 'setCurrentNode', 'setTime', 'this', 'thisown', 'ti
cksPerSecond', 'time', 'timeStr']

常用函数有：

currentNode(): returns the ID of the current node.
getNode(id): returns an object representing a specific mote
runNextEvent(): run a simulation event
time(): return the current time in simulation ticks as a large inte
ger
timeStr(): return a string representation of the current time
init(): initialize TOSSIM
mac(): return the object representing the media access layer
radio(): return the object representing the radio model
addChannel(ch, output): add output as an output to channel ch
removeChannel(ch, output): remove output as an output to channel ch
ticksPerSecond(): return how many simulation ticks there are in a s
imulated second

2.3. 调试语句

TOSSIM 有一个称为 dbg 的调试系统

1. dbg：打印调试信息，以节点 ID 开头

修改 RadioCountToLedsC.nc 里的 Boot.booted 事件，当启动时打印一条 debug 信息，如下所示：

event void Boot.booted() {
  call Leds.led0On();
  dbg("Boot", "Application booted.\n");
  call AMControl.start();
}

每次修改完 RadioCountToLedsC.nc 文件都要重新执行 make micaz sim 这条命令才会使之生效

2. dbg() 有两个或者更多的参数：第一个参数 Boot，定义了输出通道，输出通道是一个字符串，dbg 命令和 C++ 语言中的 sprintf 语句十分相似

例如，RadioCountToLedsC.nc 有如下调用：

event message_t* Receive.receive(message_t* bufPtr, void* payload,
uint8_t len) {
  dbg("RadioCountToLedsC", "Received packet of length %hhu.\n", le
n);
... 
}

输出通道需要利用 TOSSIM 对象中的 addChannel 函数将它与具体输出设备绑定，为了这些， 我们需要导入 Python 的 sys 包，告诉 TOSSIM 将 Boot 信息输出到指定地方

进行如下测试：

>>> from TOSSIM import *
>>> t = Tossim([])
>>> m = t.getNode(32)
>>> m.bootAtTime(45654)
>>> import sys
>>> t.addChannel("Boot", sys.stdout);
1

返回信息表示绑定成功，运行第一个仿真事件，节点启动：

>>> t.runNextEvent()
DEBUG (32): Application booted.
1

如果没有信息输出，你可能需要运行事件直到它输出：

>>> while not m.isOn():
>>> t.runNextEvent()

4. 如果一条语句有多个通道并且这些通道共享输出，TOSSIM 只打印这些信息一次，例如， Boot 通道和 RadioCountTOLedsC 通道连接到标准输出，将只会打印出一条信息，例如：

event void Boot.booted() {
  call Leds.led0On();
  dbg("Boot,RadioCountToLedsC", "Application booted.\n");
  dbg("RadioCountToLedsC", "Application booted again.\n");
  dbg("Boot", "Application booted a third time.\n");
  call AMControl.start();
}

在 Python 的交互模式里输入如下命令：

>>> import sys
>>> t.addChannel("Boot", sys.stdout)
>>> t.addChannel("RadioCountToLedsC", sys.stdout)

运行 runNextEvent 之后，将会打印出如下结果：

>>> t.runNextEvent()
DEBUG (32): Application booted.
DEBUG (32): Application booted again.
DEBUG (32): Application booted a third time.

2.4. 网络配置

仿真刚启动时，节点之间不能互相通信

只有配置好网络拓扑结构，TOSSIM 仿真才能模拟网络行为

TOSSIM 中默认的无线电模型是以信号强度为基础的，需要程序员通过脚本接口提供一组描述网络传播强度、底噪声和接收灵敏度的数据

TOSSIM 已经提供了一组基于 CC2420 芯片的数据

通过 Python 中的 radio 对象可以仿真无线电行为，利用 dir 命令还可以查看 radio 对象的具体函数，其代码如下:

>>> from TOSSIM import *
>>> t = Tossim([])
>>> r = t.radio()
>>> dir(r)
['__class__', '__del__', '__delattr__', '__dict__', '__doc__',
'__getattr__', '__getattribute__', '__hash__', '__init__',
'__module__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__',
'__repr__', '__setattr__', '__str__', '__swig_getmethods__',
'__swig_setmethods__', '__weakref__', 'add', 'connected',
'gain', 'remove', 'setNoise', 'this', 'thisown',
]

TOSSIM 不但可以仿真无限电的传播模型，还可以利用就近匹配算法 CPM 来模拟射频噪 声、节点间的相互干扰以及外部信号源节点的干扰

CPM 算法利用噪声道文件产生一个统计模型，通过调用节点对象的 addNoiseTraceReading命令创建噪声模型

在 tos/lib/tossim/noise 目录下有几个简单的噪声文件

例如，meyer-­heavy.txt 文件保存的是斯坦福大学 Meyer 图书馆的噪声道数据，它的前十行如下：

-39
-98
-98
-98
-99
-98
-94
-98
-98
-98

需要将 tos/lib/tossim/noise 目录下的meyer-­heavy.txt 文件移动到 tinyos-2.1.2/apps/RadioCountToLeds 目录下

下面是一段根据噪声道数据分别为节点 0­7 创建噪声模型的代码:

noise = open("meyer-heavy.txt", "r")
lines = noise.readlines()
for line in lines:
    str1 = line.strip()
    if str1:
        val = int(str1)
        for i in range(7):
            t.getNode(i).addNoiseTraceReading(val)
for i in range(7):
    t.getNode(i).createNoiseModel()

因为无线电的链路信息可以存在文本文件里，所以 TOSSIM 允许创建一个描述拓扑结构的文 件，然后用 Python 脚本加载该文件，并把这些拓扑信息保存到 radio 对象里

在文本文件中，3 个数值指明一条链路：源节点、目标节点和增益，例如：

1 2 -54.0

表示节点 1 发送消息，节点 2 以­ 54dBm 的增益接收

创建一个拓扑文件 topo.txt

gedit topo.txt

其内容如下：

1  2 -54.0
2  1 -55.0
1  3 -60.0
3  1 -60.0
2  3 -64.0
3  2 -64.0

以下脚本代码会读取该文件，并把数据存到 radio 对象里：

>>> f = open("topo.txt", "r")
>>> for line in f:
...		s = line.split()
...		if s:
...			print " ", s[0], " ", s[1], " ", s[2];
...			r.add(int(s[0]), int(s[1]), float(s[2]))

此时，当一个节点发送数据包，其邻居节点就能接收到数据包

创建 test.py 文件：

gedit test.py

下面是 RadioCountToLedsC 实例的完整仿真脚本代码，保存在 test.py 中：

#! /usr/bin/python
from TOSSIM import *
import sys

t = Tossim([])
r = t.radio()
f = open("topo.txt", "r")

for line in f:
  s = line.split()
  if s:
    print " ", s[0], " ", s[1], " ", s[2];
    r.add(int(s[0]), int(s[1]), float(s[2]))
    
t.addChannel("RadioCountToLedsC", sys.stdout)
t.addChannel("Boot", sys.stdout)

noise = open("meyer-heavy.txt", "r")
for line in noise:
  str1 = line.strip()
  if str1:
    val = int(str1)
    for i in range(1, 4):
      t.getNode(i).addNoiseTraceReading(val)
for i in range(1, 4):
  print "Creating noise model for ",i;
  t.getNode(i).createNoiseModel()
  
t.getNode(1).bootAtTime(100001);
t.getNode(2).bootAtTime(800008);
t.getNode(3).bootAtTime(1800009);

for i in range(100):
  t.runNextEvent()

运行该脚本，得到输出如下：

这些调试输出语句，都对应着 RadioCountToLedsC.nc 文件里的 dbg 调试语句，前面打印的网络拓扑语句是在 test.py 文件里 print " ", s[0], " ", s[1], " ", s[2]; 这条语句输出的

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总结

一份简单的配置指南