TOSSIM_无线传感器网络仿真环境

传感器与仪器仪表
文章编号：１００８－ ０５７０（２００６）０７－ １－ ０１５４－ ０３
中文核心期刊 《微计算机信息》（测控自动化）２００６ 年第 ２２ 卷第 ７－１ 期
ＴＯＳ Ｓ ＩＭ：无线传感器网络仿真环境
Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒｃｈ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｉｍ ｕ ｌａ ｔｉｏ ｎ ｍ ｅ ｔｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｗ ｉｒｅ ｌｅ ｓ ｓ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｎ ｅ ｔｗ ｏ ｒｋｓ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｅ ｍ ｂ ｅ ｄ ｄ ｅ ｄ ｏ ｐ ｅ ｒａ ｔｉｏ ｎ ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ
术 ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：Ｗｉｒ ｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒ ｋｓ，Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＴＯＳＳＩＭ，ＴｉｎｙＯＳ
创
１ 引言
新
无线传感器网络（ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ， 以下简
称 ＷＳＮ） 是当前在国 际上 备 受 关 注 的 、涉 及 多 学 科 高
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｎ９１５．９
文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ａｃａｄｅｍｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ａｎｄ ｐｅｏｐｌｅ ｆｒｏｍ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｐａｙ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｔｈｉｓ
界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。ＷＳＮ 具
有十分广阔的应用前景， 在军事国防、工农业、城市 管
理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险 区
域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值， 已
经引起了许多国家学生巨大影响力的技术之一。
仿真对于系统研究的作用不言而喻。ＷＳＮ 涉及网
散事情仿真环境， 仿真环境运行的程序和网络硬件程序
基本相同， 不同部分仅限于一些底层相关部分， 例如图 ４
中的阴影部分。ＴＯＳＳＩＭ 把硬件中断翻译成仿真环境离
散事情， 仿真环境事情对列提交中断信号， 驱动 ＴｉｎｙＯＳ
应用程序的运行。ＴｉｎｙＯＳ 程序的其他代码不变。
ＴＯＳＳＩＭ 对 ＷＳＮ 的抽象简单且高效。网络抽象成
技 ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ＴＯＳＳＩＭ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎ－ ｔａｇｅ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ａｎｄ ｆｉｖｅ ｋｅｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａ ｇｏｏｄ ＷＳＮ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
许多 ＷＳＮ 的研究人员使用 ｎｓ－ ２ 进行算法和协议
的 仿 真 研 究 。 例 如 ， 使 用 ５０ － ２００ 个 节 点 进 行
８０２．１１ＭＡＣ 仿真研究； 使用 ｎｓ－ ２ 进行 ８０２．１１ＭＡＣ 的
３ 基于 ｎｓ－ ２ 的仿真方法的比较
ｎｓ－ ２ 是流行的网络仿真环境， ｎｓ－ ２ 工作在网络数
据包级， 允许一定范围内的异构网络仿真。决定误包
率的复杂模型用 Ｔｃｌ 和 Ｃ 编写， 和协议实现分离。正如
名字所示， ｎｓ－ ２ 是网 络仿真工具 ； 而 ＴＯＳＳＩＭ 是提供
了网络模型的 ＴｉｎｙＯＳ 仿真器。
件发送单节点能量状态消息， 这些消息和能量模型结
合 生 成 节 点 消 耗 能 量 数 据 和 可 视 化 图 形 。 ＡＭ 是
ＴｉｎｙＯＳ 的主动消息（ Ａｃｔｉｖｅ Ｍｅｓｓａｇｅ） 组件。能量模型根
据节点机实际测量处理而得。
２．３ ＴＯＳＳＩＭ 的仿真方法
ＴＯＳＳＩＭ 直接把 ＴｉｎｙＯＳ 组件图编译至 ＴＯＳＳＩＭ 离
组网时却可能会不工作。回收 ＷＳＮ 节点（ 可能是成千
袁红林：硕士 讲师 基金项目：国家 ８６３ 项目（２００５ＡＡ１２３３２０） 南 通 大 学 自 然 科 学 项 目（０５Ｚ ０４２）
上万个） 工作繁重， 一些情况下节点投放后不可回收。 ＷＳＮ 仿真能够在一个可控的环境里研究 ＷＳＮ 应
用， 包括操作系统和网络协议栈， 能够仿真数量众多 的节点， 能够观察由不可预测的干扰和噪声引起的难 以捉摸的节点间的相互作用， 获取节点间的详尽的细 节， 从而提高节点投放后的网络成功率， 减少投放后 的网络维护工作。
无线传感器网络仿真受到学术界和工业界越来 越广泛的重视。目前存在的 ＷＳＮ 仿真方法可 以分为 两类。一类是基于 ＷＳＮ 节点的嵌入式 操作系统的 仿 真方法， 例如 ＴＯＳＳＩＭ、ＰｏｗｅｒＴＯＳＳＩＭ 和 ＴＯＳＳＦ 等； 另 一类是基于通用网络仿真环境的仿真方法， 例如对 ｎｓ－ ２ 和 ＯＰＮＥＴ 进行扩展的仿真方法。
络 拓 扑 、嵌 入 式 操 作 系 统 、网 络 协 议 以 及 分 布 式 计 算 等
方面， 这些方面和应用高度相关。另外， ＷＳＮ 和物理世
界紧密联系， 这导致了必须考虑噪声、环境变化以及运
行时的不确定性等因素。在真实环境里研究这些因素
对 ＷＳＮ 的影响、观察 ＷＳＮ 的节点间相互作用相当困
难。实践已经证明小规模组网测试正确的节点大规模
术 序编译过程能够重定向到仿真器的存储模型， 由于单
个仿真器的资源很少， 在仿真环境的地址空间内能够
创 一次仿真多个节点。ＴｉｎｙＯＳ 组件的静态存储模型简化
了仿真环境的状态管理， 设定仿真环境抽象的级别能
够准确地捕获 ＴｉｎｙＯＳ 应用的行为和交互。
新
图 １ ＷＳＮ 应用 ＳｅｎｓｅＴｏＲｆｍ 的 ＴｉｎｙＯＳ 组件
《Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 － １５５ －
传感器与仪器仪表
中文核心期刊 《微计算机信息》（测控自动化）２００６ 年第 ２２ 卷第 ７－１ 期
ＴＯＳＳＩＭ的可视化工具， 展示了 ＴＯＳＳＩＭ 的通信服务的 能 力 。 ＴｉｎｙＶｉｚ 是 基 于 ＪＡＶＡ 的 ＴＯＳＳＩＭ 图 像 用 户 接 口， 允许仿真的可视、可控及可分析。
（南通大学）袁 红 林 徐 晨 章 国 安
Ｙｕａｎ ，Ｈｏｎｇｌｉｎ Ｘｕ ，Ｃｈｅｎ Ｚｈａｎｇ ，Ｇｕｏ－ａｎ
摘要：无线 传 感 器 网 络 仿 真 受 到 学 术 界 和 工 业 界 越 来 越 广 泛 的 重 视 。分 析 了 基 于 无 线 传 感 器 网 络 嵌 入 式 操 作 系 统 的 仿 真 环
度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了
传 感 器 技 术 、嵌 入 式 计 算 技 术 、现 代 网 络 及 无 线 通 信 技
术、分布式信息处理技术等， 能够通过各类集成化的微
型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监
测对象的信息， 这些信息通过无线方式被发送， 并以自
组多跳的网络方式传送到用户终端， 从而实现物理世
－ １５４ － ３６０元 ／ 年 邮局订阅号： ８２－９４６
《现场总线技术应用 ２００ 例》
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传感器与仪器仪表
件有三个计算抽象： 命令（ｃｏｍｍａｎｄ）、事件（ｅｖｅｎｔ）和任务 （ｔａｓｋ）。命令和事件实现组件间的通信， 任务体现了组 件间的并行性。一个命令是组件的某种服务请求， 例 如初始化传感器读操作； 事件是服务请求完成的信 号。事件也可以是异步的， 例如硬件中断或消息的到 来。命令和事件不能被阻塞， 命令立即返回， 经过一定 时间， 标志服务请求完成的信号到来。命令和事情立 即执行， 而命令和事件的处理程序可以发布任务， 任 务的执行由 ＴｉｎｙＯＳ 调度， 这样的机制实现命令和事件 立即返回， 同时把计算任务发布出去。一个 ＷＳＮ 的光 强度采集应用 ＳｅｎｓｅＴｏＲｆｍ 的 ＴｉｎｙＯＳ 组件图如图 １ 所 示 ， ＳｅｎｓｅＴｏＲｆｍ 的 功 能 是 ： 采 集 现 场 光 强 度 信 号 ， 经 过 ＡＤＣ 得到数字信号， 然后通过射频接口发送出去。 椭圆内是组件， 带箭头圆弧线是组件间的接口。
ＴｉｎｙＯＳ 丰 富 的 事 件 处 理 模 式 意 味 着 事 件 和 命 令 调用路径可能跨越几个组件， 当存在多个异步执行 时， 理解所有可能的控制流及其困难。当每个组件独 立编写测试时是正确的， 但如果忽视了相互的交互， 组网时可能出现故障。在这种情况下， ＷＳＮ 仿真就显 得相当重要。
２．２ ＴＯＳＳＩＭ 的系统结构 正如字面所示， ＴＯＳＳＩＭ 是 ＴｉｎｙＯＳ 的仿真器（ ｓｉｍｕ－ ｌａｔｏｒ） 。在 ＴＯＳＳＩＭ 环境下， ＴｉｎｙＯＳ 应用被直接编译进事 情驱动的仿真器， 仿真器运行在普通计算机上， ＴＯＳＳＩＭ 提供了节点机外部接口硬件的软件模拟， 例如传感器、 射频收发器等。由于 ＴｉｎｙＯＳ 的基于组件特性， 运行在 ＴＯＳＳＩＭ 上的节点机程序除了接上模拟外部接口的 软 件部分外， 其他代码不变， 允许实际节点机相同代码在 普通计算机上的大规模节点仿真， ＴＯＳＳＩＭ 能够捕获成 千上万个 ＴｉｎｙＯＳ 节点的网络行为和相互作用。ＷＳＮ 光 强度采集应用的带有能量模型的 ＴＯＳＳＩＭ 仿真系统结 构图如图 ４ 所示， 包括四个部分： 光强度采集应用、节 点机操作系统 ＴｉｎｙＯＳ、ＴＯＳＳＩＭ 仿真接口及各节点能量 状态的可视化。图中阴影部分是模拟硬件组件（ 射频、 传感器、ＬＥＤ 等） ， 它们调用能量状态组件， 能量状态组
２．１ ＴｉｎｙＯＳ： ＷＳＮ 嵌入式操作系统 ＴｉｎｙＯＳ 以及编程语言 ｎｅｓＣ 由 Ｂｅｒｋｅｌｅｙ 分校开发 并维护， ＴｉｎｙＯＳ 面向组件（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ－ ｏｒｉｅｎｔｅｄ）， 基于事 情驱动（ｅｖｅｎｔ－ ｄｒｉｖｅｎ）。ＴｉｎｙＯＳ 由 ｎｅｓＣ 语言编写， ｎｅｓＣ 专为 ＷＳＮ 节点机设计 。ｎｅｓＣ 语法和 Ｃ 语言 类似， 支 持并行模式， 具有连接其他组件的机制。一个 ＴｉｎｙＯＳ 程序可以用组件图表示， 每个组件具有私有变量， 组