TinyOS、NesC程序开发经验谈

TinyOS、NesC程序开发经验谈
      自己当初不知到为什么，导师让我选做图像（在硕士一年级下学期时开发了人脸与指纹融合识别系统），还是无线传感器网络（WSN）时，我从导师偏向的介绍中坚定做WSN，之后虽然还有别的与WSN无关的项目去做，但知道自己主要研究方向是WSN。
      05年11月和06年6月，两次参加Crossbow的培训，第一次是什么不懂，第二次是带着项目问题过去的，自然收获也不一样了。1年半的编程，让我从刚开始的摸索到可以应付项目程序的需要，也算有所得了。离开实验室时，还给实验室留下一套实验系统，也是个系统框架，可以扩展，听说实验室用我的那个框架还在开发新系统，很是高兴。
     我之前有一些语言的开发经验，从刚开始的Basic，到C，VB，C++，VC和ASP，这些给我学习TinyOS和NesC有很好的帮助，不然我就不是花上一个月熟悉它了。所以C的基础是必要的，熟悉NesC和tinyos比较好的方法是按照 ../tinyos/cygwin/opt/tinyos-1.x/doc/tutorial 中的几个lesson进行操作。以下是TinyOS、NesC程序开发经验谈。
一、 nesC的语法
       NesC是标准C的扩展，应用背景是传感器网络这样的嵌入式系统，这类系统的特点是内存有限，存在任务和中断两类操作。NesC的语法和标准C基本没有区别（NesC应该不能动态分配内存）。NesC程序的基本组成是Component，一个Component是一个*.nc文件。每个Component 可以完成一定的工作，一个app一般有一个称为“Main”的Component作为程序的执行体（类似于C的main函数），“Main”调用其他的 component以实现程序的功能。“Main”调用其他Component,以及一个Component调用其他的Component的方式是 “interface”的连接，Component “uses”的interface连接到其他component “provides”的interface。Interface可以看作函数声明的一种封装，一个interface的内容是几个函数的声明（没有函数的定义），TinyOS系统提供了一系列interface（interface应该是由系统提供，不用自己写的）。可以理解为Interface是 Component的属性，函数是interface的属性。Component分为两类，“configuration”用来完成component之间的连接，“module”用来完成该Component的功能（内容是“provides”的interface中函数的定义）。NesC定义了两类特殊的函数，“command”和“event”。函数调用时，Command用“call”，event用“signal”，在一个component 中，provides的interface中的command函数必须被实现（在implementation中定义），uses的interface中的event函数必须被实现。“async”指出这个command或者event可以在有中断时使用。为了协调任务和中断的执行，nesC使用 “atomic”指出该段代码“不可被打断”。另外定义了“task”封装一些代码来完成一个任务，系统有FIFO的task队列。不同的Task之间没有优先级，但task可以被interrupt handler打断。为防止全局变量等公用数据被非正常修改，nesC规定只在task中进入公共的数据部分。
二、 学习nesC比较有效的过程
      在系统附带的文档里../tinyos/cygwin/opt/tinyos-1.x/doc/tutorial 提供了8个lesson，是用来熟悉nesC语法用的。把lesson1（Blink）和lesson2（sense）看懂，并且按照后面练习中的要求修改程序。做完之后，对于nesC的语法就比较熟悉了。之后看别的程序差不多就可以直接看源代码了。
三、 生成程序的结构图
      很有用的功能，在程序的文件夹里，键入“make micaz docs”命令，可以在../doc/nesdoc/micaz目录下生成这个程序的结构图。通过看结构图来了解程序比较直观。另外，在编写程序的时候，有一个问题，就是调试程序很困难。因此在编写完程序并且编译通过之后，可以先生成它的结构图，检查是否正确，作为调试程序的一个步骤。
四、 调试方法
在程序中尽量多得使用三个指示灯，是比较有效的调试方法。程序写完之后可以生成程序的结构图以及用listen命令读取消息包的类型。
五、 有用的链接
TinyOS tutorial: http://www.tinyos.net/tinyos-1.x/doc/tutorial/
TinyOS FAQ:     http://www.tinyos.net/faq.html#SEC-43
TinyOS Programming, NesC Tutorial(这些网上可以下载到，没有找到的话，留下Email我给你发，对了我这也有TinyOS中文版和NesC中文版，但我建议还是英文原版的好，翻译过来的实在是...)
六、 一个程序示例
(实现RSSI信号的16个Node节点采集，请注意对应的文件名，烧制时注意节点ID号。以下是完整的 Node节点程序，PC程序为以前说的SNICI软件系统，这个程序加以修改可以得到声音定位程序，实验室现在在做视频无线传感器网络的是在 starget上实现的。)

/********************************************************************
        Copyright (C), 2006-2007, by Enoch.
        FileName:       Rssi.h
        Description:    Hardware specific definitions for the MTS300/310.
*********************************************************************/

enum
{
    INITIAL_TIMER_RATE      = 1000,
    INITIAL_TIMER_REAE_STEP = 8,
    INITIAL_TIMER_DELAY     = 1500
};

enum
{
    BASE_NODE = 0,
    MOVE_NODE = 100,
};

/********************************************************************
        Copyright (C), 2006-2007, by Enoch.
        FileName:       RssiMsg.h
        Description:    RSSI tracking system.
*********************************************************************/

enum
{
    TOTAL_NODE = 16
};

typedef struct RssiMsg
{
    uint8_t addr;
    uint16_t seq;
}RssiMsg;

typedef struct NodeUARTMsg
{  
    uint8_t fromaddr;
    uint8_t rssi;
    uint16_t seq;
}NodeUARTMsg;

typedef struct UARTMsg
{  
    uint8_t rssi[TOTAL_NODE];
    uint16_t seq;
}UARTMsg;

enum
{
    RSSI = 44,
};

/********************************************************************
        Copyright (C), 2006-2007, by Enoch.
        FileName:       RssiM.nc
        Description:    RSSI tracking system.
*********************************************************************/

includes RssiMsg;
includes Rssi;

module RssiM
{
     provides interface StdControl;
     uses
     {
         interface Timer as TimerSend;
         interface SendMsg as Sendtest;
         interface ReceiveMsg as Receivetest;
         interface SendMsg as UARTSend;
         interface Leds;
     }
}

implementation
{
    TOS_Msg MoveData, UARTSendData, MoteSendData;
    uint8_t rssi_value[TOTAL_NODE];
    uint16_t seq = 0;
    uint32_t i = 0;
    task void SendData()
    {
        call UARTSend.send(TOS_UART_ADDR, sizeof(UARTMsg), &UARTSendData);
    }
    task void SendNodeData()
    {
        call Sendtest.send(TOS_BCAST_ADDR, sizeof(RssiMsg), &MoveData);
    }
     command result_t StdControl.init()
     {
         call Leds.init();
         call Leds.greenOn();
         for (i = 0; i < TOTAL_NODE; i++)
        {
            rssi_value[i] = 255;
        }
         seq = 0;
         return SUCCESS;
     }

     command result_t StdControl.start()
     {  
         /* Moving node start the timer */
         if (TOS_LOCAL_ADDRESS == MOVE_NODE)
         {
             call TimerSend.start(TIMER_REPEAT, INITIAL_TIMER_RATE);
             call Leds.greenToggle();
             call Leds.redToggle();
         }
         else if (TOS_LOCAL_ADDRESS == BASE_NODE)
         {
             seq = 1;
         }
         return SUCCESS;
     }

     command result_t StdControl.stop()
     {
         if (TOS_LOCAL_ADDRESS == MOVE_NODE)
         {
             call TimerSend.stop();
         }
         return SUCCESS;
     }
     event result_t TimerSend.fired()
     {
         /* Moving node send message */
         if (TOS_LOCAL_ADDRESS == MOVE_NODE)
         {
             RssiMsg* snd_msg = (RssiMsg*)MoveData.data;
            // Data
             snd_msg->addr = TOS_LOCAL_ADDRESS;
             snd_msg->seq = ++seq;
             call Sendtest.send(TOS_BCAST_ADDR, sizeof(RssiMsg), &MoveData);
             call Leds.yellowToggle();
         }
         return SUCCESS;
     }

     event result_t Sendtest.sendDone(TOS_MsgPtr msg, result_t success)
     {
          call Leds.yellowToggle();
          return SUCCESS;
     }
    /* Motes Reciece Message */
     event TOS_MsgPtr Receivetest.receive(TOS_MsgPtr msgptr)
     {
         /* BASE mote recieve message to UART */
         if (TOS_LOCAL_ADDRESS == BASE_NODE)
         {
             NodeUARTMsg* node_uart_msg = (NodeUARTMsg*)msgptr->data;
             UARTMsg* uart_msg = (UARTMsg*)UARTSendData.data;
             RssiMsg* snd_msg = (RssiMsg*)MoveData.data;
             uint8_t node_addr = node_uart_msg->fromaddr;
             uint16_t node_seq = node_uart_msg->seq;
             uint8_t max_rssi = 255;
             uint16_t max_node = 0;
             if (((RssiMsg*)msgptr->data)->addr == MOVE_NODE)
             {
                 if (((RssiMsg*)msgptr->data)->seq > 0)
                 {
                     /* Select the max rssi value node */
                     for (i = 0; i < TOTAL_NODE; i++)
                     {
                         uart_msg->rssi[i] = rssi_value[i];
                     }
                    // Data
                     uart_msg->seq = node_seq;
                     /* Upstream the data */   
                     //call UARTSend.send(TOS_UART_ADDR, sizeof(RssiMsg), &MoveData);
                     //call UARTSend.send(TOS_UART_ADDR, sizeof(UARTMsg), &UARTSendData);
                     post SendData();
                     //post SendNodeData();
                     //call Sendtest.send(TOS_BCAST_ADDR, sizeof(RssiMsg), &MoveData);
                     for (i = 0; i < TOTAL_NODE; i++)
                     {
                         rssi_value[i] = 255;
                     }
                     rssi_value[node_addr-1] = node_uart_msg->rssi;
                     //call Leds.redToggle();
                 }
                 return msgptr;
             }
             else
             {
                 /* data is recieved for saving */
                 rssi_value[node_addr-1] = node_uart_msg->rssi;
                 //call Leds.greenToggle();
             }  
         }
         /* Node proccess */
         else if (TOS_LOCAL_ADDRESS > BASE_NODE && TOS_LOCAL_ADDRESS != MOVE_NODE)
         {
             RssiMsg* recv_rssi_msg = (RssiMsg*)msgptr->data;
             NodeUARTMsg* send_mote_msg = (NodeUARTMsg*)MoteSendData.data;
             if (recv_rssi_msg->addr == MOVE_NODE)
             {
                 send_mote_msg->fromaddr = TOS_LOCAL_ADDRESS;
                  send_mote_msg->rssi = (int8_t)msgptr->strength;
                  send_mote_msg->seq = recv_rssi_msg->seq;
                  /* Delay send to base mote */
                  for (i = 0; i < TOS_LOCAL_ADDRESS * INITIAL_TIMER_DELAY; i++)
                 call Sendtest.send(BASE_NODE, sizeof(NodeUARTMsg), &MoteSendData);
              }
              else if (recv_rssi_msg->addr == BASE_NODE)
              {
                  if (recv_rssi_msg->seq == TOS_LOCAL_ADDRESS)
                  {
                      call Leds.redOn();
                  }
                  else
                  {
                      call Leds.redOff();
                  }
              }  
         }
         return msgptr;
     }
    // UART Send Message
       event result_t UARTSend.sendDone(TOS_MsgPtr msg, result_t success)
     {
         //call Leds.yellowToggle();
          return SUCCESS;
     }
}
/********************************************************************
        Copyright (C), 2006-2007, by Enoch.
        FileName:       Makefile
        Description:   RSSI tracking system.
*********************************************************************/

COMPONENT = Rssi

XBOWROOT=%T/../contrib/xbow/tos

PFLAGS= -I$(XBOWROOT)/platform/micaz

# For MICA2 and MICA2DOT
#PFLAGS+= -I../../tos/platform/mica2 -I../../tos/CC1000RadioAck -I../../tos/lib/ReliableRoute -I%T/lib/Queue -I%T/lib/Broadcast -I%T/lib/Attributes

# For MICAZ
PFLAGS+= -I../../beta/tos/lib/CC2420Radio -I%T/lib/Broadcast -I%T/lib/Attributes

include ../MakeXbowlocal
include ${TOSROOT}/tools/make/Makerules