系列文章目录
TinyOS 系列文章【一】：TinyOS 配置教程
TinyOS 系列文章【二】：Tossim 教程
文章目录
- 系列文章目录
- 前言
- 1. Tossim 简介
- 2. TOSSIM 仿真
- 2.1. 编译 TOSSIM
- 2.2. 基于 Python 的仿真
- 2.3. 调试语句
- 2.4. 网络配置
- 总结
前言
本文主要用于记录在 WSN 课程中，配置大作业所需使用的 Tossim 仿真工具
1. Tossim 简介
TOSSIM (TinyOS simulator) 是 TinyOS 自带的一个仿真工具，可以支持大规模的网络仿真。由于 TOSSIM 运行和传感器硬件相同的代码，所以仿真编译器能直接从 TinyOS 应用的组件表编译仿真程序。通过替换 TinyOS 下层部分硬件相关的组件，TOSSIM 把硬件中断换成离散仿真事件，由仿真器事件抛出的中断来驱动上层应用，其他的 TinyOS 组件尤其是上层的应用组件都无须更改。
Tossim 是一个库，你必须写程序配置仿真运行，TOSSIM 支持两种编程接口：Python 和 C++
Python允许你动态的和仿真交互，就像一个强大的debugger- 但是
Python的解释器本 身就是一个性能瓶颈，执行效率没有C++高
这两种接口各有优缺点，面我们只介绍 Python 这种接口
2. TOSSIM 仿真
2.1. 编译 TOSSIM
TOSSIM 是 TinyOS 系统的一个程序库，其核心代码位于 tos/lib/tossim
在每个 TinyOS 源代码目录里，都可能有一个对应的 sim 子目录，其中包含改代码的仿真实现
例如：tos/chips/atm128/timer/sim 含有 Atmega128 定时器的仿真组件
先进入 TinyOS 所在的根目录：
cd /opt/tinyos-2.1.2/
为了编译 TOSSIM，你应该在 make 命令后面加上可选的 sim 选项：
cd apps/Blink
make micaz sim
现在 TOSSIM 只支持 micaz 平台
如果 TOSSIM 编译通过，会得到下面的输出信息：
2.2. 基于 Python 的仿真
下面将以 RadioCountToLeds 应用程序为例，演示 TOSSIM 仿真的一般步骤
RadioCountToLeds 应用程序有一个 4Hz 的计数器，每当数值更新时，就把数值无线广播出去。当另一个 RadioCountToLeds 节点接收到技术值，就将其低 3 位显示在 LED 灯上
- 切换到 RadioCountToLeds（在
apps目录下）程序所在目录：
cd tinyos-2.1.2/apps/RadioCountToLeds
make micaz sim
编译成功后，终端出现如下输出：
- 使用 Python 的交互模式，开启 Python 解释器：
python
终端出现类似下面的输出:
- 创建
TOSSIM对象，导入TOSSIM仿真器，并创建一个TOSSIM对象，输入如下命令：
>>> from TOSSIM import *
>>> t = Tossim([])
- 运行
TOSSIM仿真，利用t.runNextEvent命令可以运行一个仿真器事件，t就是刚才创建的TOSSIM对象，runNextEvent是TOSSIM对象的一个函数，输入函数格式如下：
>>> t.runNextEvent()
0
此时输入 t.runNextEvent，返回 0，表示没有事件需要运行，因为当前还没有启动任何节点
- 在 45654 时间点（仿真时间标记点，相当于仿真中的最小时间单位）启动 32 号节点，然后运行它的第一个事件，即
Boot.booted事件
此时，执行 runNextEvent 返回 1， 因为它有一个启动事件并成功运行了该事件，代码如下:
>>> m = t.getNode(32)
>>> m.bootAtTime(45654)
>>> t.runNextEvent()
1
- 另外，可以调用
tickPerSecond函数来表示一秒的仿真时间点总和，调用函数的代码如下:
>>> m = t.getNode(32)
>>> m.bootAtTime(4 * t.ticksPerSecond() + 242119)
>>> t.runNextEvent()
1
- 仿真运行中，一共有两种方法判断节点是否启动，其中一种方法就是利用节点对象中的
isOn命令直接查询，代码如下:
>>> m.isOn()
1
>>> m.turnOff()
>>> m.isOn()
0
>>> m.bootAtTime(560000)
>>> t.runNextEvent()
0
>>> t.runNextEvent()
1
注意到，节点关闭并再重新开启后执行的第一个 runNextEvent 函数返回 0，这是因为当节点关掉时，队列里仍然有一个事件
但是，当轮到处理这个事件时，节点仍处于关闭状态， runNextEvent 就返回 0
第二个 runNextEvent 命令针对于 560000 时间点的启动事件，故返回 1
TOSSIM对象还有很多功能函数，在 Python 里，一般可用dir函数查看某对象的功能函数，如下：
>>> t = Tossim([])
>>> dir(t)
['__class__', '__del__', '__delattr__', '__dict__', '__doc__', '__g
etattr__',
'__getattribute__', '__hash__', '__init__', '__module__', '__new_
_',
'__reduce__', '__reduce_ex__', '__repr__', '__setattr__', '__str_
_',
'__swig_getmethods__', '__swig_setmethods__', '__weakref__', 'addCh
annel',
'currentNode', 'getNode', 'init', 'mac', 'newPacket', 'radio', 'rem
oveChannel',
'runNextEvent', 'setCurrentNode', 'setTime', 'this', 'thisown', 'ti
cksPerSecond', 'time', 'timeStr']
常用函数有：
currentNode(): returns the ID of the current node.
getNode(id): returns an object representing a specific mote
runNextEvent(): run a simulation event
time(): return the current time in simulation ticks as a large inte
ger
timeStr(): return a string representation of the current time
init(): initialize TOSSIM
mac(): return the object representing the media access layer
radio(): return the object representing the radio model
addChannel(ch, output): add output as an output to channel ch
removeChannel(ch, output): remove output as an output to channel ch
ticksPerSecond(): return how many simulation ticks there are in a s
imulated second
2.3. 调试语句
TOSSIM 有一个称为 dbg 的调试系统
dbg：打印调试信息，以节点 ID 开头
修改 RadioCountToLedsC.nc 里的 Boot.booted 事件，当启动时打印一条 debug 信息，如下所示：
event void Boot.booted() {
call Leds.led0On();
dbg("Boot", "Application booted.\n");
call AMControl.start();
}
每次修改完 RadioCountToLedsC.nc 文件都要重新执行 make micaz sim 这条命令才会使之生效
dbg()有两个或者更多的参数：第一个参数Boot，定义了输出通道，输出通道是一个字符串，dbg命令和 C++ 语言中的sprintf语句十分相似
例如，RadioCountToLedsC.nc 有如下调用：
event message_t* Receive.receive(message_t* bufPtr, void* payload,
uint8_t len) {
dbg("RadioCountToLedsC", "Received packet of length %hhu.\n", le
n);
...
}
输出通道需要利用 TOSSIM 对象中的 addChannel 函数将它与具体输出设备绑定，为了这些， 我们需要导入 Python 的 sys 包，告诉 TOSSIM 将 Boot 信息输出到指定地方
进行如下测试：
>>> from TOSSIM import *
>>> t = Tossim([])
>>> m = t.getNode(32)
>>> m.bootAtTime(45654)
>>> import sys
>>> t.addChannel("Boot", sys.stdout);
1
返回信息表示绑定成功，运行第一个仿真事件，节点启动：
>>> t.runNextEvent()
DEBUG (32): Application booted.
1
如果没有信息输出，你可能需要运行事件直到它输出：
>>> while not m.isOn():
>>> t.runNextEvent()
- 如果一条语句有多个通道并且这些通道共享输出，
TOSSIM只打印这些信息一次，例如，Boot通道和 RadioCountTOLedsC 通道连接到标准输出，将只会打印出一条信息，例如：
event void Boot.booted() {
call Leds.led0On();
dbg("Boot,RadioCountToLedsC", "Application booted.\n");
dbg("RadioCountToLedsC", "Application booted again.\n");
dbg("Boot", "Application booted a third time.\n");
call AMControl.start();
}
在 Python 的交互模式里输入如下命令：
>>> import sys
>>> t.addChannel("Boot", sys.stdout)
>>> t.addChannel("RadioCountToLedsC", sys.stdout)
运行 runNextEvent 之后，将会打印出如下结果：
>>> t.runNextEvent()
DEBUG (32): Application booted.
DEBUG (32): Application booted again.
DEBUG (32): Application booted a third time.
2.4. 网络配置
仿真刚启动时，节点之间不能互相通信
只有配置好网络拓扑结构，TOSSIM 仿真才能模拟网络行为
TOSSIM 中默认的无线电模型是以信号强度为基础的，需要程序员通过脚本接口提供一组描述网络传播强度、底噪声和接收灵敏度的数据
TOSSIM 已经提供了一组基于 CC2420 芯片的数据
通过 Python 中的 radio 对象可以仿真无线电行为，利用 dir 命令还可以查看 radio 对象的具体函数，其代码如下:
>>> from TOSSIM import *
>>> t = Tossim([])
>>> r = t.radio()
>>> dir(r)
['__class__', '__del__', '__delattr__', '__dict__', '__doc__',
'__getattr__', '__getattribute__', '__hash__', '__init__',
'__module__', '__new__', '__reduce__', '__reduce_ex__',
'__repr__', '__setattr__', '__str__', '__swig_getmethods__',
'__swig_setmethods__', '__weakref__', 'add', 'connected',
'gain', 'remove', 'setNoise', 'this', 'thisown',
]
TOSSIM 不但可以仿真无限电的传播模型，还可以利用就近匹配算法 CPM 来模拟射频噪 声、节点间的相互干扰以及外部信号源节点的干扰
CPM 算法利用噪声道文件产生一个统计模型，通过调用节点对象的 addNoiseTraceReading命令创建噪声模型
在 tos/lib/tossim/noise 目录下有几个简单的噪声文件
例如，meyer-heavy.txt 文件保存的是斯坦福大学 Meyer 图书馆的噪声道数据，它的前十行如下：
-39
-98
-98
-98
-99
-98
-94
-98
-98
-98
需要将 tos/lib/tossim/noise 目录下的meyer-heavy.txt 文件移动到 tinyos-2.1.2/apps/RadioCountToLeds 目录下
下面是一段根据噪声道数据分别为节点 07 创建噪声模型的代码:
noise = open("meyer-heavy.txt", "r")
lines = noise.readlines()
for line in lines:
str1 = line.strip()
if str1:
val = int(str1)
for i in range(7):
t.getNode(i).addNoiseTraceReading(val)
for i in range(7):
t.getNode(i).createNoiseModel()
因为无线电的链路信息可以存在文本文件里，所以 TOSSIM 允许创建一个描述拓扑结构的文 件，然后用 Python 脚本加载该文件，并把这些拓扑信息保存到 radio 对象里
在文本文件中，3 个数值指明一条链路：源节点、目标节点和增益，例如：
1 2 -54.0
表示节点 1 发送消息，节点 2 以 54dBm 的增益接收
创建一个拓扑文件 topo.txt
gedit topo.txt
其内容如下：
1 2 -54.0
2 1 -55.0
1 3 -60.0
3 1 -60.0
2 3 -64.0
3 2 -64.0
以下脚本代码会读取该文件，并把数据存到 radio 对象里：
>>> f = open("topo.txt", "r")
>>> for line in f:
... s = line.split()
... if s:
... print " ", s[0], " ", s[1], " ", s[2];
... r.add(int(s[0]), int(s[1]), float(s[2]))
此时，当一个节点发送数据包，其邻居节点就能接收到数据包
创建 test.py 文件：
gedit test.py
下面是 RadioCountToLedsC 实例的完整仿真脚本代码，保存在 test.py 中：
#! /usr/bin/python
from TOSSIM import *
import sys
t = Tossim([])
r = t.radio()
f = open("topo.txt", "r")
for line in f:
s = line.split()
if s:
print " ", s[0], " ", s[1], " ", s[2];
r.add(int(s[0]), int(s[1]), float(s[2]))
t.addChannel("RadioCountToLedsC", sys.stdout)
t.addChannel("Boot", sys.stdout)
noise = open("meyer-heavy.txt", "r")
for line in noise:
str1 = line.strip()
if str1:
val = int(str1)
for i in range(1, 4):
t.getNode(i).addNoiseTraceReading(val)
for i in range(1, 4):
print "Creating noise model for ",i;
t.getNode(i).createNoiseModel()
t.getNode(1).bootAtTime(100001);
t.getNode(2).bootAtTime(800008);
t.getNode(3).bootAtTime(1800009);
for i in range(100):
t.runNextEvent()
运行该脚本，得到输出如下：
这些调试输出语句，都对应着 RadioCountToLedsC.nc 文件里的 dbg 调试语句，前面打印的网络拓扑语句是在 test.py 文件里 print " ", s[0], " ", s[1], " ", s[2]; 这条语句输出的
总结
一份简单的配置指南
