1、引言
無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensol Network）是計算機、通信和傳感器三項技術相結合的產物，是目前計算機科學領域一個非?；钴S的研究分支。2003年2月美國技術*論雜志（《Technology Review》）*出對人類未來生活產生深遠影響的十大新技術，無線傳感器網絡被列為第一。通過無線傳感器網絡，能夠實時地監(jiān)測、感知和采集其節(jié)點部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對象的各種信息（如溫度、濕度、應變、撓度、振動等物理現象），并對這些信息進行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網絡最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網絡在軍事偵察、醫(yī)療護理、 智能家居、 工業(yè)生產控制、 環(huán)境監(jiān)測等領域有著廣闊的應用前景。橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)是一個特殊的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。
橋梁是交通運輸網絡的重要組成部分,一旦橋梁出現坍塌, 造成的經濟損失和災害將十分巨大。如加拿大（魁北克,1907 年） 、美國（塔科馬海峽,1940 年） 、韓國（漢江圣水,1994年） 、中國的綦江彩虹橋（1999 年）、中國的江蘇常州運河大橋[3]（2007 年）等。因此, 及時獲取橋梁結構狀態(tài)參數（應變、撓度、振動等），開展狀態(tài)參數監(jiān)測及安全*估工作, 對全面分析和了解橋梁工作狀態(tài)、實現事故預先報警、預防突發(fā)性災難、避免人員傷亡和確?；A設施安全意義非常重大。
2、系統(tǒng)的體系結構
本系統(tǒng)采用同構型體系結構，如圖1 所示，它包括傳感器節(jié)點、網關、互聯(lián)網和監(jiān)控中心等。傳感器節(jié)點主要分布在橋體中，節(jié)點具有信息獲取、信號處理、路由計算和信息轉發(fā)的功能。通過網絡自組織和多跳路由，將數據向網關發(fā)送。網關可以使用多種方式與外部網絡通信，如Internet、衛(wèi)星或移動通信網絡等。
圖1 傳感器網絡的體系結構
3、網絡節(jié)點設計
在不同應用中, 傳感器網絡節(jié)點的組成不盡相同, 但一般都由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四部分組成。對于我們研究的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器部分有內模塊和外模塊之分， 內模塊檢測溫度、濕度等常規(guī)狀態(tài)參數；外模塊一般要在建橋過程中一起規(guī)劃安裝。這里我們提出兩種傳感器外模塊方案：光纖傳感器埋入式和橋梁鋼筋電阻檢測式。 光纖傳感器埋入式是1989 年美國Brown University 的Mendez 等人首次提出，隨后美國、歐洲、日本等國家的一些學者開始將這一高新技術應用于土木工程的研究,并取得了很好的成果。橋梁鋼筋電阻檢測方案是我們新提出來的，其應用更簡單有效。光纖傳感器埋入式方案的特點是，光纖傳感器耐腐蝕性強、耐久性好，因其體積小、重量輕、結構簡單,故埋入土木工程結構后對基體材料特性幾乎沒有影響。 利用單模和多模光纖傳感器可以探測混凝土構件（如梁、板、柱）實體結構的應力、應變、撓度、彎曲、凝結、裂縫、蠕變以及整個結構的位移等參數。橋梁鋼筋電阻檢測方案的使用條件是要求被測鋼筋不短路（用絕緣材料做鋼筋箍），通過測試橋梁結構中的關鍵鋼筋阻值變化情況判斷橋梁的狀態(tài)變化。
處理器模塊選用Atmel 公司的8 位低功耗AVR 微處理器芯片atmega128L 作為傳感器節(jié)點的CPU, 負責數據的存儲和處理。無線通信模塊采用支持IEEE 802.15.4 協(xié)議的無線收發(fā)芯片CC2420。 CC2420 在硬件上實現了IEEE 802.15.4 的MAC 子層安全操作, 跟處理器之間通過SPI 接口訪問。電源部分則采用3 節(jié)7 號鋰電池供電。
4、TinyOS 的研究與移植
TinyOS 是由UCBerkeley 開發(fā)的一種基于組件的開源嵌入式操作系統(tǒng),其應用領域是無線傳感器網絡。在傳感器網絡中, 傳感器節(jié)點有兩個突出的特點: 一是并發(fā)性強, 可能存在多個需要同時執(zhí)行的邏輯控制; 二是節(jié)點的模塊化程度高。這兩個特點給設計面向傳感器網絡的操作系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。針對這些特點, 加州大學伯克利分校開發(fā)出了適合無線傳感網絡的組件化編程語言nesC 和微型操作系統(tǒng)TinyOS, 引入了輕量級線程（ lightweight thread） 、主動消息（ active message） 、事件驅動（ event-driven） 模式、 組件化編程（ componentbased programming ） 等技術, 很好地利用了傳感器節(jié)點的有限資源。目前這個系統(tǒng)被國內外大學和研究機構廣泛應用。
4.1 TinyOS 的組件模型
TinyOS 基于組件化編程語言nesC 實現, 將模塊化/組件化編程同基于事件驅動的執(zhí)行聯(lián)系起來?？梢詫inyOS 及在其上運行的應用程序看成是由許多功能獨立且相互有聯(lián)系的軟件組件構成, 一個組件提供一些接口。接口中包含命令和事件,命令是接口具有的功能,接口使用者可以通過關鍵字call 來調用命令; 事件是接口具有事件通告的能力, 可以通過關鍵字signal 來通知使用者事件發(fā)生, 事件在接口使用者的組件中實現。組件又分為模塊文件（module）和配線文件（configuration）兩種。模塊文件具體實現接口中的命令和事件; 配線文件則完成組件之間的接口連接。一般一個應用程序,只能有一個頂層配件。
4.2 TinyOS 的調度機制
TinyOS 的調度機制比較簡單, 按照輕量級線程（ 即任務） 以FIFO 的方式調度, 線程之間不允許強占; 當有硬件中斷到來時,可以打斷用戶的輕量級線程, 對硬件中斷進行快速響應。任務可以調用下層命令, 可以向上層發(fā)信號通知事件發(fā)生, 也可以在組件內部調度其他任務。任務的原子性, 使得TinyOS 只需要維護一個任務堆棧就可以了。這種方法在資源極其有限的傳感器節(jié)點中顯得十分有效。TinyOS 是事件驅動型的操作系統(tǒng)。當一個任務完成后, 就可以觸發(fā)一個事件, TinyOS就會自動調用相應的處理函數。因此, CPU 只有在有事件觸發(fā)時才喚醒處理, 其余時間都可以處于睡眠狀態(tài), 從而可以大大降低系統(tǒng)的能耗。
4.3 TinyOS 通信機制
TinyOS 的通信方式采用主動消息模型（AM）。AM是面向消息通信的一種通信模式, 它是基于地址的, 并且支持信息確認和分發(fā)。為了在應用層實現更加復雜的通信協(xié)議, 需要把主動消息模型實現為TinyOS 的一個基本通信組件, 這樣既可以屏蔽下層不同的通信硬件, 也可以為上層提供統(tǒng)一的通信原語, 方便應用開發(fā)。當數據通過網絡到達傳感器節(jié)點時, 首先要進行緩存, 然后主動消息的分發(fā)（dispatch）層把緩存中的消息交給上層處理。因為nesC不支持動態(tài)分配內存, 所以要求每個應用程序在消息被釋放以后, 必須能返回一塊未用的內存, 來接收下一個將要到來的消息。因此, 主動消息通信組件需要維持一個額外的消息緩存。在TinyOS 中, 每次消息發(fā)送后, 接收方都會發(fā)送一個同步的確認消息。為了節(jié)省開銷,在主動消息的最底層生成確認包,并且每次僅僅發(fā)送一個隨機數序列作為確認。
4.4 TinyOS的移植處理
TinyOS 操作系統(tǒng)的移植主要考慮硬件處理器是否支持對nesC（gcc） 的編譯, 以及對TinyOS 中與硬件平臺相關部分的處理。我們選用Atmel 公司的AVR 芯片作為微處理器, gcc對AVR 有良好的支持, 因此不需要做nesC 從GCC 里的解耦。TinyOS 有三層硬件抽象結構（HAA） , 分別為硬件描述層（HPL） 、硬件改編層（HAL） 和硬件接口層（HIL） 。分層結構和組件化描述提高了可移植性, 并簡化了應用層軟件的開發(fā)。越底層的跟硬件越相關, 上層的組件調用下層提供的接口。HPL層主要是對硬件資源的描述, 通過內存或I/O 映射端口與硬件建立通訊。它隱藏了硬件的復雜性, 為上層提供顯示硬件能力的接口; HAL則是在HPL基礎上對硬件特定功能的封裝, 是與硬件相關的功能函數接口; HIL則是與硬件無關的功能函數接口。
據上分析，移植時, 只需要根據我們硬件平臺的資源修改HPL和HAL開頭的文件即可, 在HPL文件中加入硬件資源的描述, 在HAL文件中修改硬件資源的功能函數。
5、網絡通信協(xié)議
目前, 通信協(xié)議特別是鏈路層的MAC協(xié)議和網絡層的路由協(xié)議是傳感網絡研究的熱點。針對不同的應用, 研究人員提出了不同的MAC 協(xié)議和路由協(xié)議, 這些協(xié)議各有長處。本系統(tǒng)在網絡層采用CTP（Collection Tree Protocol） 路由協(xié)議, 鏈路層則采用LEEP（ Link Es timate ExchangeProtocol）協(xié)議來計算雙向鏈路質量, 以給上層的路由選擇提供基礎。通訊協(xié)議抽象層結構如圖2。
圖2 系統(tǒng)通訊協(xié)議層結構
5.1 CTP協(xié)議的實現
CTP協(xié)議是基于樹的多跳協(xié)議。把網絡中的節(jié)點抽象為樹,每棵樹有一個根節(jié)點, 負責收集這棵樹所有節(jié)點的信息。網絡中節(jié)點通過路由梯度值（ETX）逐跳地選擇路由, 直至到達根節(jié)點。根節(jié)點的ETX為0, 每個子節(jié)點的ETX值等于父節(jié)點的ETX值加上該節(jié)點到它父節(jié)點的路徑ETX值。因此, ETX值是沿著往根節(jié)點的方向遞減的, CTP選擇路徑ETX值最小的路徑作為路由。
CTP的實現是基于下層鏈路估計結果的。鏈路估計會維護一個鄰節(jié)點表, 表中存儲了每個鄰節(jié)點的路徑ETX 值。CTP協(xié)議中的CtpRoutingEngine 組件實現了路由的選擇, 它根據鄰節(jié)點的ETX值為數據傳輸選擇下一個路由。另一個關鍵的組件函數CtpForwardingEngine, 該組件主要是維護一個消息發(fā)送隊列, 往下層發(fā)送本地產生的或者轉發(fā)過來的數據包; 該組件還能夠檢測重復發(fā)送的數據包, 以抑制重復發(fā)包。
實現的四個關鍵函數是: 數據包接收（SubReceive.receive（））、數據包轉發(fā)（forward（））、包傳輸（sendTask（））和發(fā)送完成事件（SubSend.sendDone（））。
函數SubReceive.receive （）決定是否要轉發(fā)包。通過維護一個最近收到的包緩存來檢查是否有重復包。如果判定一個包不是重復包, 則調用forward（）函數。
forward（）函數封裝好要發(fā)送的包。這個函數同時檢查是否有回環(huán)。發(fā)送時將包放到發(fā)送隊列中去, 若隊列滿了, 就丟棄該包, 并把C位置1。如果隊列為空, 則立即post 發(fā)送任務。
sendTask（）檢查發(fā)送隊列頭部的數據包, 封裝好后提交給AM層。發(fā)送完成后, sendDone（）函數檢查發(fā)送的結果。如果該數據包已經被確認過了, 則將該包從隊列中取出。如果是本地的包, 發(fā)送事件通知給上層的客戶。如果是轉發(fā)來的包, 則將它放到轉發(fā)消息池中。如果隊列中還有包的話, 就啟動一個隨機時鐘, 重新post發(fā)送任務。
5.2 LEEP協(xié)議的實現
LEEP 是一種鏈路估計交換協(xié)議, 主要是用來計算某節(jié)點與鄰節(jié)點之間的雙向鏈路質量。節(jié)點A→B的鏈路質量是指B成功接收到A發(fā)送的數據包的概率。節(jié)點（A, B）間的雙向鏈路質量是A→B的鏈路質量（in-bound 鏈路質量）與B→A的鏈路質量（out-bound 鏈路質量） 的乘積。
6、結束語
基于無線傳感器網絡的橋梁結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，我們對傳感器節(jié)點的設計和支持系統(tǒng)運行的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS的移植問題進行了研究。還有兩個問題需要進一步深入研究，一個是傳感器網絡的休眠節(jié)能技術需要解決網絡各節(jié)點的同步問題；第二個問題是建立橋梁結構健康*估專家系統(tǒng)，能夠根據傳感器網絡匯總的大量橋梁結構信息作出準確的分析判斷，從而實現事故預報警，預防突發(fā)性災難，確保橋梁安全。
