物联网实验教程协议通信实验

1.实验目的

本实验介绍了使用TinyOS实现一个基于IEEE 802.15.4协议的物联网节点的点到点通信程序。通过实验，使读者初步掌握TinyOS编程的方法和步骤，并能够使用TinyOS开发简单实用的物联网应用程序。

2.实验设备

（1）硬件

● 2.4GHz节点（IOT-NODE24）2个。

● JTAG编程器1个。

● PC（含串口）1台。

（2）软件

● TinyOS2.x。

● AVRStudio4.18。

● 串口调试工具。

3.实验原理

本实验的硬件平台是2.4GHz无线传感器网络节点硬件（IOT-NODE24），其核心芯片是TI-Chipcon公司推出的CC2420。该芯片是首款符合2.4GHzIEEE 802.15.4标准的射频收发器，包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以0.18μmCMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定，成本低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持的数据传输速率高达250kbit/s，可以实现多点对多点的快速组网。其MAC层和物理层协议都符合IEEE 802.15.4规范，工作于免执照的2.4GHz频段。此芯片采用低电压（2.1～3.6V）供电，同时支持休眠模式，且从休眠模式被激活的时延短，因此可以分配更多的时间处于休眠状态，而处于休眠状态时芯片的能耗极低，从而可大大减少能耗，适于电池长期供电。

此外，CC2420芯片还具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点，为家庭自动控制、工业监控、传感网络、消费电子、智能玩具等提供了理想的解决方案。此外，芯片已经集成了CRC和数据完整性检查等功能，这就相对减少了程序员编程的工作量，而且硬件处理速度一般都快于软件处理速度，因此加快了通信的速度，减少了能量消耗。同时，芯片还采用了CSMA/CA技术来避免数据发送时的竞争和冲突，减少了不必要的能量消耗。

在软件平台方面，采用了研究领域使用较多的TinyOS系统，它对CC2420也有着较好的支持。本实验基于TinyOS实现一个无线传感器网络节点之间的点到点通信程序。每个节点的程序功能包括：从节点上的光传感器获得传感器数据，然后建立数据包并将其广播出去；同时，当节点收到数据包时，将数据包通过串口传到PC上。

为了使实验过程清晰，并且便于理解，实验内容分为4部分：程序框架的建立以及计数器的使用，IEEE802.15.4协议点对点通信，串口数据包的发送，光传感器数据的获取（各主要组件关系如图4-10所示）。下面对这4部分内容分别进行介绍。

图4-10 IEEE 802.15.4协议点对点通信实验主要组件关系

（1）程序框架的建立以及计数器的使用

正如上面所述的TinyOS的程序构成方式，一个最简单的TinyOS程序通常包括两个源程序，其分别对应于模块（module）和配置（configure）。对于本实验的程序，不妨命名为SensingToRadioAppC.nc和SensingToRadioC.nc。SensingToRadioAppC.nc为配置文件，主要描述了SensingToRadioC.nc中模块如何与系统模块进行连接；SensingToRadioC.nc为模块文件，包括对系统模块的调用和对系统事件的响应。

计数器是TinyOS最重要的基本组件之一，其基本的函数和事件如下：

其中，＜precision_tag＞表示计数器的计数精度，可选择＜TMilli＞，＜T32khz＞以及＜TMicro＞，它们分别表示计数器一秒钟计数1024，32768和1048576次。Timer接口提供了计数器的两种启动方式startPeriodic和startOneShot。使用startPeriodic启动计数器时，计数器到达溢出值之后，触发fired事件，并立即置零重新开始下一轮计数；而使用startOneShot启动计数器时，计数器只溢出一次。fired事件为计数器溢出时触发的事件，用户可以在fired事件的相应函数中编写自己要执行的代码。

基于上面的介绍，分别建立如下两个文件。

SensingToRadioAppC.nc：

SensingToRadioC.nc：

SensingToRadioAppC.nc文件包含了配置信息，主要是将程序的启动、LED、计数器与相应组件的接口进行连接。SensingToRadioC.nc文件包含了对接口函数的调用和对事件的响应，主要是在系统启动之后启动计数器，然后在计数器溢出时改变LED的状态，从而实现定时闪烁的功能。另外，上述两个文件均包含了定时器周期的定义头文件SensingTo Radio.h，其内容如下：

（2）IEEE 802.15.4协议点对点通信

实现IEEE 802.15.4协议点对点通信主要用到Ieee154Send，Receive以及CC2420PacketBody3个接口，分别负责数据的发送、接收和数据包解析。Ieee154Send接口提供符合IEEE 802.15.4协议的发送函数。其主要函数和事件如下：

其中，send发送一个数据包，3个参数分别为地址、数据包指针和数据包长度；getPayload提供从数据包里获得的负载指针，以便用户加入自己要发送的内容；sendDone事件当发送完毕之后被触发。

Receive接口提供如下数据包的接收函数。

receive函数提供接收到的数据包指针msg、负载指针payload和数据包长度len。

CC2420PacketBody接口提供从IEEE 802.15.4协议数据包中获得的包头以及metedata的函数：

下面介绍如何使用上述接口进行IEEE802.15.4协议点对点通信。首先，定义无线数据报的格式，以及无线信道的标识。按如下内容修改SensingToRadio.h：

然后，要在SensingToRadioAppC.nc中将无线发送的相关接口连接到相应的组件上，添加如下代码：

最后，在SensingToRadioC.nc中编写数据发送以及接收的响应代码。首先，要添加射频启动的控制，使用SplitControl方式启动：

由于数据的发送为一个相对独立的过程，并且可以与主程序异步并发的执行，将数据的发送作为一个task来执行。每当计数器溢出时，post数据发送的task：

RadioSend的实现如下：

(www.xing528.com)

发送过程分为3步：首先，指向获得待发送数据包的指针；然后，通过这个指针将待发送的数据写入数据包中；最后，调用发送函数进行数据发送。其中，radioBusy为一个布尔型控制变量，当其为TRUE时，表明正在执行发送的task。在发送之前将其置为TRUE，而在发送完毕将其改为FALSE：

节点接收到数据包之后，触发receive事件，在事件响应函数中，将收到的数据包的包头和负载保存到本地的缓冲区ieee154Header和ieee154Payload中备用：

ieee154Header和ieee154Payload的声明如下：

（3）串口数据包的发送

串口数据包的发送跟无线数据包的发送类似，由于没有接收，因此只用到接口AMSend：

各个参数与Ieee154Send接口类似，这里不再赘述。

要把收到的无线数据包传到串口，首先还是需要定义串口数据包格式，在SensingToRadio.h中添加：

然后，在SensingToRadioAppC.nc中添加串口数据发送的相应接口连接关系：

串口的启动方式跟无线数据收发类似，也是需要使用Splitcontrol，数据的发送略有不同：

上述串口发送的task在收到无线数据包的receive事件响应函数里进行post，即在闪灯的代码后面添加：

（4）光传感器数据的获取

本实验使用的IOT-NODE24节点上提供了光传感器组件PhotoC。该组件提供了Read接口，通过该接口可以直接获得光传感器的传感值。接口定义如下：

Read接口提供了一个方法和一个事件。通过调用read方法，可以发起一个读传感器数据的操作，当数据获取完毕之后，readDone事件被触发，在事件响应函数里可以对获得的传感器数据进行处理。另外，参数＜val_t＞表示读取数据的类型，可以为＜uint8_t＞、＜uint16_t＞等。

要从传感器获得数据，首先需要连接提供Read的组件，在SensingToRadioAppC.nc中添加：

修改计数器溢出事件响应函数，改为读传感器数据。

然后在readDone事件处理函数里保存获得的传感器数据，并post无线数据发送过程：

4.实验内容

阅读IEEE 802.15.4协议，学习协议的运行机制以及协议中各层的数据包格式。

初步掌握TinyOS程序设计方法，了解nesC的编程过程以及程序结构，能够编写简单的TinyOS程序

对IOT-NODE24节点编程、运行过程进行实际的操作，了解物联网前端感知节点的工作机理。

5.实验步骤

1）编写实验代码，启动Cygwin环境，在实验代码所在文件夹下使用“make micaz”进行编译。编译通过之后，在实验代码文件夹的“build\micaz”子文件夹下会生成main.ihex文件。

2）将节点与PC相连，并使用AvrStudio将步骤1）编译得到的ihex分别烧写到两个节点中去。

3）将其中一个节点与PC的串口相连。

4）启动串口调试助手，设置串口号为与节点连接的串口号，波特率为57600bit/s，校验位NONE，数据位8位，停止位1位。另外，为了分析接收到的数据，还需设置十六进制显示以及自动换行。

5）先打开未与PC连接的节点开关，此时节点红色灯闪烁，表明正在广播数据。再打开与PC连接的节点，绿色灯闪烁表明接收到数据。同时串口调试助手会显示收到的数据包。IEEE 802.15.4协议点对点通信实验串口数据包格式如表4-1所示。

表4-1 IEEE 802.15.4协议点对点通信实验串口数据包格式

（续）

6）用手遮住光传感器，观察数据包中IEEE802.15.4MAC层负载的光传感器数据（sensorData）位变化情况。

6.思考题

1）如果想降低传感器数据的采样频率为每5s一次，如何修改程序？

2）目前实验中两个节点都是同构的，即都进行数据的采集、发送和接收。如果想采用主从模式，即一个主节点采集传感器数据并通过广播数据包，一个从节点接收数据包并通过串口送到PC，如何修改程序？

3）如果增加节点的数目，与PC相连的节点收到的数据会有什么变化？

7.补充阅读

[1]Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks（LR-WPANs）.IEEE 802.15.4.

[2]Philip Levis，David Gay TinyOS Programming.Cambridge：Cambridge University Press，2009.