一種面向無線傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)件化開發(fā)方法

　　摘要：構(gòu)件化的開發(fā)模式使開發(fā)者在開發(fā)過程中能充分調(diào)用構(gòu)件庫中現(xiàn)有的構(gòu)件為其服務(wù)。研究了構(gòu)件化開發(fā)模式的方法和特點，針對目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議開發(fā)方法中的缺陷，提出一種由應(yīng)用層構(gòu)件直接調(diào)用底層構(gòu)件的直接調(diào)用法。用該方法分析實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主流的IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，通過系統(tǒng)實現(xiàn)后的測試證明，該方案具有更高的開發(fā)效率和代碼執(zhí)行效率。

引言

　　隨著移動技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，移動網(wǎng)絡(luò)將是下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的大趨勢。而移動網(wǎng)絡(luò)的重要子網(wǎng)之一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠大大擴展互聯(lián)網(wǎng)的觸角。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗、低成本、分布式和資源有限等特點，使得開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)協(xié)議成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)因素之一。傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法顯然已經(jīng)不適合無線傳感器協(xié)議的開發(fā)，而近來興起的新的開發(fā)模式是基于構(gòu)件化的軟件開發(fā)方法。

　　基于構(gòu)件化的軟件開發(fā)(CBSD,comp onent-based software development)方法是一種可以提供軟件復(fù)用性的開發(fā)方法。構(gòu)件是用于進行軟件開發(fā)、復(fù)用和軟件組裝的基本單元。在面向構(gòu)件的技術(shù)里，一個應(yīng)用軟件不是通過大量的代碼來描述，而是通過數(shù)量有限的構(gòu)件來描述，如圖1(a)所示。與傳統(tǒng)的嵌入式軟件不同，構(gòu)件化的嵌入式軟件是由一組軟件構(gòu)件構(gòu)成的，這些構(gòu)件的一個或者幾個組合成一個完整的應(yīng)用；而且新的應(yīng)用也可以使用已有構(gòu)件，從而提高軟件復(fù)用性。傳統(tǒng)模式下開發(fā)出來的嵌入式軟件提供的是專用服務(wù)，軟件與應(yīng)用是一一對應(yīng)的，如圖1(b)所示。整個過程中代碼量大，復(fù)雜度高，代碼重用性小，并且更新困難，不適應(yīng)無線傳感器節(jié)點資源有限的要求。

　　TinyOS是一種基于構(gòu)件化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)本身就是一個構(gòu)件庫。其開發(fā)語言nesC 提供了對軟件構(gòu)件技術(shù)的支持。通過靈活組裝各個固定功能的芯片級構(gòu)件可以方便地搭建起不同硬件平臺級構(gòu)件。因此在TinyOS 系統(tǒng)下開發(fā)構(gòu)件化的無線傳感器協(xié)議的方法已被廣泛使用。但是，目前由于開發(fā)者過度依靠現(xiàn)有的集成構(gòu)件，導(dǎo)致開發(fā)出來協(xié)議性能并不理想。

圖1 構(gòu)件化的嵌入式軟件與傳統(tǒng)嵌入式軟件

1 現(xiàn)有開發(fā)方法描述

　　系統(tǒng)為了簡化開發(fā)者的開發(fā)難度，對各芯片的底層構(gòu)件進行了構(gòu)件化包裝。調(diào)用硬件底層構(gòu)件所提供的最基本功能接口，來組合實現(xiàn)一些功能模塊，如配制芯片模塊、發(fā)送數(shù)據(jù)模塊、接收數(shù)據(jù)模塊等。系統(tǒng)對各芯片的硬件抽象層的集成化操作基本是一樣的，圖2 是CC2420系統(tǒng)集成構(gòu)件調(diào)用硬件抽象層構(gòu)件的關(guān)系。

圖2 系統(tǒng)集成構(gòu)件和硬件抽象層構(gòu)件關(guān)系

　　由圖2 可以看出，系統(tǒng)集成構(gòu)件起到一個橋梁作用，使開發(fā)者簡化了開發(fā)工作。但是，系統(tǒng)集成構(gòu)件在調(diào)用硬件抽象構(gòu)件實現(xiàn)自身功能的時候出現(xiàn)重復(fù)調(diào)用問題。并且構(gòu)件CC2420SpiC 在不同的層(系統(tǒng)集成層和硬件抽象層)都有使用，這本身使得系統(tǒng)集成層和物

　　理抽象層關(guān)系變得模糊和復(fù)雜，加大開發(fā)者開發(fā)難度。

　　根據(jù)構(gòu)件化系統(tǒng)編程可知，調(diào)用構(gòu)件的接口需要實現(xiàn)提供接口構(gòu)件中的event 事件。如果多個構(gòu)件重復(fù)使用同一個構(gòu)件的同一個接口，每個使用該接口的構(gòu)件都需要將該接口中的event 事件執(zhí)行一次。系統(tǒng)集成構(gòu)件同時調(diào)用相同的硬件抽象層構(gòu)件中的接口命令時，完成命令的signal 事件會通知每個使用該接口的構(gòu)件。這就導(dǎo)致了構(gòu)件化系統(tǒng)下編程常見問題：扇出(fan-out)。系統(tǒng)為了解決這一問題不得不將構(gòu)件性質(zhì)改為generic 類型。而這會引入新的構(gòu)件調(diào)用模式。所有這些使得系統(tǒng)集成構(gòu)件對硬件抽象層構(gòu)件的調(diào)用變得比實際要復(fù)雜，代碼的執(zhí)行效率大大降低。

2 直接調(diào)用底層構(gòu)件方法描述

　　對系統(tǒng)集成構(gòu)件的研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用層構(gòu)件在調(diào)用系統(tǒng)集成構(gòu)件時最終調(diào)用了硬件抽象層構(gòu)件，只是系統(tǒng)集成構(gòu)件將硬件抽象層構(gòu)件重新整合到某個大的集成構(gòu)件中，方便用戶查找接口。實際上，由于嵌入式軟件和硬件結(jié)合性高、硬件資源有限等特點，為了使得軟件系統(tǒng)性能達到最高，嵌入式軟件開發(fā)者在開發(fā)之前對硬件已經(jīng)非常熟悉。在這種情況下沒有必要在硬件抽象層之上硬性加上系統(tǒng)抽象層。對開發(fā)者而言，直接調(diào)用底層硬件抽象層構(gòu)件會更直觀、簡單。

　　具體實現(xiàn)方法如圖3 所示，在構(gòu)件操作上對沒有引入新功能的構(gòu)件在配線構(gòu)件配線時候可以跨過整個系統(tǒng)集成構(gòu)件，而不會影響系統(tǒng)功能，并可以簡化開發(fā)過程，提高運行效率。以下將這一方法簡稱為直接調(diào)用法。

圖3 構(gòu)件簡化過程