Spring Semester, 2011
Ubiquitous Computing Practice
- Part I (Introduction, NesC) Laboratory of Intelligent Networks @ KUT
(http://link.kut.ac.kr)
Yong-hwan Kim
Zigbee
Application
Customer
API
Security
32- / 64- / 128-bit encryption
Network
Zigbee
Alliance
Star / Mesh / Cluster-Tree
IEEE 802.15.4
- Low Rate Wireless Personal Networks
- radio hardware 사용법
- RF channel and signaling protocol
MAC
PHY
868MHz / 915MHz / 2.4GHz
Silicon
Zigbee
- 802.15.4 의 상위 layer 정의
2 - 디바이스 간 통신 프로토콜 정의
IEEE
802.15.4
Stack
App
장비소개
3
Hanback ZigbeX
Computing



ATmega128L microcontroller
128KB Flash program memory
4KB SRAM, 10bit ADC
Radio Transceiver




4
Ti(Chipcon)사의 CC2420
Radio range: 130m (30m)
Data rate: 250 Kbits/sec
Frequency range: 2.4 GHz (ISM)
ZigbeX 패키지
5
ZigbeX 하드웨어 구성
6
옵션 장비들
7
기상 보드
홈 보드
GPS
릴레이 보드
LCD 보드
블루투스 보드
초음파 보드
모터 제어보드
TinyOS 2.X & NesC
8
TinyOS
TinyOS







9
미국 UC Berkeley 대학에서 개발된 무선 센서
네트워크를 위한 전용 운영체제
무선 센서 노드의 일반적인 특징(최소한의 하드웨어,
작은 메모리, 낮은 CPU 성능, 한정된 에너지)을
고려하여 설계된 운영체제
클래스 형태의 컴포넌트 구조를 갖는 nesC로 구현됨
Event driven 기반
단일 스택, 커널 없음, 동적 메모리 관리 없음
사용하지 않는 CPU 사이클 동안 Sleep 상태로 들어가
불필요한 전력소모 줄임(“Hurry up and Sleep”)
함수 단위의 task, 비선점형 FIFO 스케줄링
TinyOS
TinyOS

Concurrency(병렬성)
 event 구동형의 architecture 사용

Modularity(모듈성)
 Application은 components의 graph로 구성
 OS + Application은 하나의 프로세스로 실행될 수 있게
컴파일 (기존의 OS위에 Application을 올리는 방식과 다름)

Code communication
 Event/command model을 사용 → function calls로 번역
 FIFO and 우선권이 없는 스케줄링

Kernel과 Application 사이에 경계가 없다
 No Kernel → Direct hardware manipulation,
 No process/memory management
 Application = scheduler + graph of components
10
TinyOS Layer
11
TinyOS Process Categories
Event




Time Critical
Interrupts cause Event (Timer, Sensors)
Small / short duration
Suspend Tasks
Task




Time Flexible
Run sequentially by TOS Scheduler
Run to completion
Interruptible
 Non pre-emptible by other task, pre-emtible by events
12
13
TinyOS 디렉토리 구조
하드웨어 칩셋과
관련된 컴포넌트들
이 모인 폴더
여러 종류의 interfac
e 선언 파일들이 모
인폴더
다양한 high level 라
이브러리들이 모인
폴더
센싱과 관련된 컴포
넌트들이 모인 폴더
일반적이고 다양한
커널 컴포넌트 및
몇 개의 유틸리티
14
하드웨어 플랫폼에
관련된 컴포넌트들
이 모인 폴더
NesC
nesC(networked embedded systems C)


TinyOS의 실행 모델과 구조적 개념을 표현하기
위하여 C언어를 확장하여 만든 새로운 언어
여러개의 컴포넌트 블록(block)들을 연결하여 하나의
애플리케이션 형태로 조합
용어
Application
Interface
Component
내용
실행 가능한 하나의 프로그램
두 개의 컴포넌트 사이를 연결(Wiring)하기 위해 정
의된 함수들의 모임으로 컴포넌트는 여러개의
interface를 사용할 수 있음
NesC Application을 구성하는 기본 블록으로
configuration과 module로 구분된다.
Configuration – 컴포넌트 선언, Wiring 방법 기술
Module – 새 컴포넌트의 동작 및 연동 실제 구현
15
component
& interface
16
Interface(1)
Interface


Provider와 user component를 연결하는 port 역할
Command와 event 타입의 함수로 정의
interface identifier {
command result_t funtion_name( … );
event
result_t funtion_name( … );
}
Command
•
•
17
이 interface를 제공하는 component •
의 module 부분에 구현됨
현 component를 사용하는 상위
•
component에서 call 명령을 통해 호
출
Event
이 interface를 사용하고 있는
component에 원형이 구현됨
인터럽트나 조건이 만족될 경우, 어
떤 정보를 상위 컴포넌트에게 전달
하기 위해 signal 명령을 통해 호출
Interface(2)

예) TimerMilliC component의 interface인 Timer
interface Timer<precision_tag>
{
// 밀리초 단위의 시간마다 주기적으로 알려주도록 설정하는 함수
command void startPeriodic(uint32_t dt);
// 밀리초 단위의 시간 후에 한 번만 알려주도록 설정하는 함수
command void startOneShot(uint32_t dt);
// 설정한 시간을 취소하는 함수
command void stop();
}
18
// 시간이 만기되었음을 알려주는 함수
event void fired();
…
BlinkTimerM
component
command
event
TimerMilliC
component
interface
Interface(3)
Interface 종류









19
Read.nc
I2CPacket.nc
Leds.nc
LogWrite.nc
ADC 인터페이스
I2C버스 프로토콜 인터페이스
LED 추출 인터페이스
저장장치에 logging 데이터 위한
인터페이스
Radio.nc
무선 하드웨어를 위한 비트 레벨
인터페이스
Send.nc
일반적 메시지 인터페이스 수신
Receive.nc
일반적 메시지 인터페이스 송신
Timer.nc
일반적 타이머 제어 인터페이스
StdControl.nc 표준 component 제어 인터페이스
Component
Component

다른 컴포넌트와의 연결에 대한 내용을 정의
연결에 사용할 컴포넌트를 나열하고 그들 간의
연결을 기술

Configuration

 자신이 사용할 하위 컴포넌트들을 선언하고, 그들간의
연결을 정의한 파일
 <컴포넌트 이름>.nc 또는 <컴포넌트 이름>C.nc

Module
 자신의 구현내용을 기술하고 있는 파일
 <컴포넌트 이름>P.nc 또는 <컴포넌트 이름>M.nc
20
Component-configuration(1)

예) LED를 제어하는 Leds 컴포넌트의 configuration
configuration LedsC {
provides {
interface Leds;
}
}
implementation { 모듈 파일 실제 하드웨어적 코드
components LedsP, PlatformLedsC;
Leds =LedsP;
…
Wiring LedsP.Led0 → PlatformLedsC.Led0;
LedsP.Led1 → PlatformLedsC.Led1;
LedsP.Led2 → PlatformLedsC.Led2;
}
21
Component-configuration(2)

LedsP.Led0 -> PlatformLedsC.Led0;
 LedsP에서 사용하는 Led0 인터페이스가 PlatformLedsC의 Led0
인터페이스와 Wiring
 LedsP에서 프로그래밍을 할 때 PlatformLedsC에서 제공하는
Led0 인터페이스를 호출해서 사용하겠다는 의미
 LedsP는 Led0, Led1, Led2 인터페이스 함수를 통해
PlatformLedsC에 명령을 내리고 원하는 LED 제어

Wiring 종류: ->, <-, =
종류

22
내용
interface1 =
interface2
2개의 인터페이스가 같음을 의미하며, 해당 인터페
이스가 provide될 때 사용됨
interface1 ->
dinterface2
인터페이스 구성함수가 링크되어 있음을 의미한다.
즉, interface1에서 사용한 인터페이스 함수들은
interface2에 구현되어 있음을 나타낸다.
interface1 <interface2
interface2 -> interface1과 같은 의미
Component-module(1)
Module 파일


Define how the component work
Module의 기술 방법은 다음과 같다. (두 방법 모두
같음)
module identifier {
provides {
interface a;
interface b;
}
uses {
interface x;
interface y;
}
} implementation {
...
...
}
23
module identifier {
provides interface a;
provides interface b;
uses interface x;
uses interface y;
} implementation {
...
...
}
Component-module(2)
provides & uses
module C1 {
uses interface triangle_1;
} implementation { ... }
module C2 {
provides interface triangle_1;
uses {
interface triangle_2;
interface rectangle; }
} implementation { ... }
module C3 {
provides interface triangle_2;
provides interface rectangle;
} implementation { ... }
24
C1
C2
C3
1. Task를 이용한 LED 제어
LED component를 사용하여 LED 제어
25
Download 프로그램 설치(1)
USB-ISP


Cygwin의 TinyOS 를 통해 원하는 USN
애플리케이션을 컴파일 후 컴파일 된 결과를 실제
센서 노드에 포팅(다운로드)하기 위한 보드
두개의 스위치 존재(ISP/UART)
 ISP(In System Programming)
프로그램(다운로드) 기능
 UART
 시리얼통신 기능

26
Download 프로그램 설치(2)


27
다운로드 (USB_ISP.zip) 후 CMD2.00.00.zip을 압축 품
USB-ISP 보드와 ZigbeX를 결합한 후 PC의 USB
포트와 연결하여 새 하드웨어 검색창이 뜨면
CMD2.00.00.zip 파일이 풀린 폴더를 선택(2번
설치됨)
Blink 예제 실습(1)
$ cd /opt/tinyos-2.x/contrib/zigbex/Blink
$ make zigbex
28
Blink 예제 실습(2)
USB-ISP와 ZigbeX노드를 결합




29
USB-ISP mode는 ISP로 설정
AVR Studio에서 Tools → Program AVR → Auto
Connect 메뉴를 선택
… 버튼을 눌러 Blink\build\zigbex\main.hex 선택 후
Program 버튼을 눌러
프로그램함
프로그램 직후 led가 잠깐
동안 깜박거리는 것을
볼 수 있음
Blink.nc
configuration Blink {
}
implementation {
components MainC, BlinkM, LedsC, BusyWaitMicroC;
}
BlinkM.Boot -> MainC;
BlinkM.Leds -> LedsC;
BlinkM.BusyWait ->BusyWaitMicroC;
Blink.nc
MainC
(configuration)
Boot
BusyWait
BlinkM
(module)
Boot
Leds
BusyWait
30
BusyWaitMicroC
(module)
implementation
Boot.booted();
led_task();
implementation
BusyWait();
LedsC
(configuration)
Leds
implementation
Leds.init();
Leds.redOn();
…
configuration MainC {
provides interface Boot;
uses interface Init as SoftwareInit;
}
implementation {
components PlatformC, RealMainP, TinySchedulerC;
RealMainP.Scheduler -> TinySchedulerC;
RealMainP.PlatformInit -> PlatformC;
SoftwareInit = RealMainP.SoftwareInit;
Boot = RealMainP;
}
MainC.nc
MainC.nc
MainC
(configuration)
TinySchedulerC
(configuration)
Boot
Scheduler
SoftwareInit
RealMainP
(module)
Boot
SoftwareInit
Scheduler
PlatformInit
31
implementation
main();
boot.booted();
implementation
Scheduler.init();
Scheduler.runNextTask();
Scheduler.taskLoop();
PlatformC
(configuration)
PlatformInit
implementation
PlatformInit.init()
RealMainP.nc
32
module RealMainP {
provides interface Boot;
uses interface Scheduler;
uses interface Init as PlatformInit;
uses interface Init as SoftwareInit;
}
implementation {
int main() __attribute__ ((C, spontaneous)) {
atomic
{
call Scheduler.init();
call PlatformInit.init(); //각종 hardware 초기화
while (call Scheduler.runNextTask());
call SoftwareInit.init(); //각 모듈에서 사용하는 변수 초기화
while (call Scheduler.runNextTask());
}
__nesc_enable_interrupt(); //글로벌 인터렙트 가능하도록 설정
signal Boot.booted(); //최상위 모듈에서 booted() 이벤트 발생하도록 함
call Scheduler.taskLoop(); //task를 수행 (task 없으면 sleep)
return -1;
}
default command error_t PlatformInit.init() { return SUCCESS; }
default command error_t SoftwareInit.init() { return SUCCESS; }
default event void Boot.booted() { }
}
async and atomic
Commands and Events that are executed as
part of a Hardware Event handler must be
declared with the async keyward

Indicates that this code may execute asynchronously
to Tasks and other processes.
Races are avoided by

accessing shared data exclusively within Tasks
 Because Tasks can’t interrupt each other

33
Use atomic statement to access shared variables
기본 지식
LedsC component


경로: \opt\tinyos-2.x\tos\system\LedsC.nc
Leds interface 사용
Leds interface에서 제공하는 함수들
전체 LED 제어
34
Leds.get() – 현재 Led의 상태를 가져온다
(bit0=led0, bit1=led1, bit2=led2)
Leds.set(uint8_t) – Led 상태를 입력된 값으로 설
정한다 (bit0=led0, bit1=led1, bit2=led2)
Red LED
Leds.led0On(), Leds.led0Off(), Leds.led0Toggle()
Green LED
Leds.led1On(), Leds.led1Off(), Leds.led1Toggle()
Yellow LED
Leds.led2On(), Leds.led2Off(), Leds.led2Toggle()
Blink 예제의 구성
configuration Blink {
}
us(10-6) 단위의 지연시간을 줌
implementation {
components MainC, BlinkM, LedsC, BusyWaitMicroC;
}
35
BlinkM.Boot -> MainC;
//booted 이벤트가 발생하면 프로그램 시작
BlinkM.Leds -> LedsC;
//interface Leds와 하부 component의 Leds를 연결
BlinkM.BusyWait -> BusyWaitMicroC;
module BlinkM {
uses {
interface Boot;
interface Leds;
interface BusyWait<TMicro, uint16_t>;
//시간단위를 us (TMicro), 시간 변수 형식은 uint16_t로 함
}
}
implementation {
//task로 실행하고 싶은 함수는 task 키워드를 붙이고
task void led_task();
파라미터가 없는 형식의 함수를 정의해야 함
event void Boot.booted() { //MainC component에 의해 호출됨
post led_task();
// task 함수를 호출하기 위해 post 키워드 사용
}
36}
task void led_task() {
int i;
for(i = 0; i < 10; i++) {
call Leds.led2On();
call BusyWait.wait(30000);
call Leds.led1Toggle();
call Leds.led2Off();
}
}
//30ms 지연시간 가짐
Blink 예제 실습(document 생성)
$ cd /opt/tinyos-2.x/contrib/zigbex/Blink
$ make docs zigbex
37
Blink 예제 실습(document 생성)
38