（电子科学与技术专业论文）基于tinyos的无线传感器网络环境参数采集系统设计与实现.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：垒盈! 查& 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 趁吼毕年月l 日 j 飞 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 无线传感器网络是众多传感器通过无线通信方式，相互联系、处 理、传递信息的网络。该网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、 分布式信息处理技术和通信技术，可以实时感知和采集网络分布区域 内的各种环境对象的信息，并对这些信息进行处理，传送给所需用户。 无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，比如军事侦测、环境监测、 医疗监护、空间探索、城市交通管理、仓储管理等。而环境应用是无 线传感网络的典型应用。 本文以c r o s s b o w 公司的i r i s 新型节点为硬件平台，研究了一种基 于t i n y o s 的无线传感器网络环境采集系统。针对环境的特点，系统分 为传感器节点网关节点监控终端的三层结构。首先对现有的无线传 感器网络操作系统进行了分类总结，重点介绍了无线传感器网络中经 典的操作系统t i n y o s ，包括组件模型、调度机制、通信模型，详细阐 述了支持组件化编程的n e s c 语言的接口、模块等，并采用简单实例在 t i n y o s 操作系统下进行程序验证开发。然后研究了系统的无线通信模 块a t 8 6 r f 2 3 0 驱动程序，实现了传感器节点无线发送与接收的功能， 并设计了s h t 7 1 传感器的采集程序，实现了传感器的温湿度采集功 能，通过修改x s e r v e 数据解析软件程序使得原始数据能通过c y g w i n 显示并转化成温湿度数据。最后对系统性能进行测试，包括功耗和通 信距离，网络自组织自愈，m e s h 网络部署和温湿度测量等。测试结果 表明系统具有低功耗、远距离传输、网络白组织白愈、测量准确性等 优点。同时，网络节点体积小，安装和拆卸方便灵活。节点功能扩展 性强，可通过增加相关的传感器实现其他采集功能。本系统能产生一 定的经济和社会效益。 关键词：无线传感器网络，i r i s ，t i n y o s ，n e s c ，温湿度采集 中南大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o n s i s t so fan u m b e ro fs e n s o rn o d e s ， w h i c hm a k eu po fam u l t i h o ps e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r kt h r o u g hw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n i ti n t e g r a t e ss e n s i n gt e c h n o l o g y 、e m b e d d e d c o m p u t i n g 、 c o m m u n i c a t i o na n dd i s t r i b u t e di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g i t c a l lb e r e a l - t i m es e n s i n ga n da c q u i r i n gs o m ek i n do fi n f o r m a t i o n w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s ，f o re x a m p l e ，m i l i t a r y r e c o n n a i s s a n c e ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，m e d i c a lc u s t o d y , s p a c e e x p l o r a t i o n ，c i t yt r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n t ，s t o r a g em a n a g e m e n ta n d s o o n ；a m o n g o ft h e s e ，e n v i r o n m e n t a la p p l i c a t i o ni st y p i c a l b a s e do nt h ep l a t f o r mo fi r i s ，a na c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hc a n m e a s u r e t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y i s p r o p o s e d c o n s i d e r i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c so fe n v i r o n m e n t ，t h es y s t e mc o n t a i n st h r e el a y e r s ：s e n s o r n o d e 、g a t e w a ya n dm o n i t o r i n gt e r m i n a l f i r s t l y , t h i sp a p e rc o m p a r e s s e v e r a le m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，f o c u s i n go n c o m p o n e n t 、s c h e d u l i n g s t r a t e g ya n dc o m m u n i c a t i o nm o d e lo ft i n y o s ，a n dt h e ns t u d i e st h en e s c l a n g u a g ea n di t sc o m p i l a t i o np r o c e s s s e c o n d l y , d e s i g n i n gt h ea p p l i c a t i o n p r o g r a mb yu s i n gs h t 7 1t og a t h e rt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi n f o r m a t i o n ； m e a n w h i l e ，a n a l y z i n ga n dd e s i g n i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o g r a mo f a t 8 6 r f 2 3 0 ，i tr e a l i z e st ot r a n s m i ti n f o r m a t i o na m o n gn o d e s ，t h r o u g h m o d i f i n gx s e r v es o f t w a r e ，i t r e a l i z e st h ef u n c t i o no f d i s p l a y i n g t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yb yc y g w i n f i n a l l y , s y s t e m sp e r f o r m a n c e i n c l u d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n 、c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e 、p o i n t t o p o i n t n e t w o r k i n ga n dm e s hn e t w o r k i n gi st e s t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h e s y s t e mh a v el o we n e r g yc o n s u m p t i o n 、l o n gt r a n s m i s s i o n d i s t a n c e ；m e a n w h i l e ，t h e n e t w o r kc a nb e s e l f - o r g a n i z a t i o n a n d s e l f - h e a l i n g , a n dm e a s u r ed a t aa c c u r a t e l y i na d d i t i o nt ot h i s ，t h en o d ei s o fs m a l ls i z e ，s oi tc a nb ei n s t a l l e da n dr e m o v e dc o n v e n i e n t l y w i t ht h e p r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , e n v i r o n m e n ta p p l i c a t i o nw i l lb r i n g s o m ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ： w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，i r i s ，t i n y o s ，n e s c ， t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya c q u i r i n g i i 2 2 4 通信模型1 2 2 3n e s c 语言1 3 2 3 1 接口1 3 2 3 2 组件1 4 2 3 3 并发模型( c o n c u r r e n c ym o d e l ) 1 5 2 4t i n y o s 程序开发基本步骤1 5 2 4 1 应用程序加载步骤1 7 2 4 2 应用程序的编译和下载1 8 2 5 本章小结2 0 第三章无线传感器网络的硬件平台设计2 1 3 1 系统硬件方案2 1 3 2i r i s 传感节点结构2 2 3 2 1 处理器模块a t m e g a l 2 8 1 2 3 3 2 2 无线通信模块一a t 8 6 r f 2 3 0 。2 4 3 2 3a t 8 6 r f 2 3 0 的调制方式2 7 3 2 4a t 8 6 r f 2 3 0 与处理器的接口电路2 8 3 2 5 传感器模块2 9 3 2 6 电源部分3l i i i 中南大学硕士学位论文目录 3 3 本章小结3 1 第四章无线传感器网络系统软件设计与实现3 2 4 1 传感器节点软件总体设计3 2 4 2t i n y o s 程序入口函数3 3 4 3 温湿度采集单元程序设计3 4 4 3 1s h t 7 l 协议设计3 4 4 3 2 温湿度采集单元的n e s c 设计与实现3 6 4 4 无线通信模块a t 8 6 r f 2 3 0 的驱动程序设计4l 4 5t m y o s 上层应用程序设计4 3 4 5 1s a m p l e c 程序设计4 5 4 5 2 发送接收子程序。4 6 4 6x s e r v e 数据解析软件设计5 0 4 7 本章小结5 2 第五章系统性能测试和分析5 3 5 1 节点功耗的设计和测试5 3 5 2 传输距离测试5 5 5 3 点对点频率采样测试5 6 5 4 网络自组织自愈测试5 7 5 5 无线传感器m e s h 网络部署和温湿度的测量。5 8 5 6 本章小结6 0 第六章总结与展望6 l 6 1 总结6 1 6 2 展望6 l 参考文献一6 3 致谢6 9 攻读学位期间主要的研究成果7 0 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 无线传感器网络【l 】1 2 】是众多传感器通过无线通信方式，相互联系、处理、传 递信息的网络。该网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技 术和通信技术，可以实时感知、采集网络分布区域内的各种环境对象的信息，并 对这些信息进行处理，传送给所需用户。无线传感器网络在军引3 1 、工农业生产 4 1 、交通【5 1 、生物【6 1 、气象【刀、医疗 8 1 、安全、家庭1 9 等各个领域都有广泛的应用， 特别是在一些人类无法工作的环境下，可以代替人工收集、处理需要的信息。根 据工作方式的不同，一般可以将无线传感器网络的应用分为两类：一类是事件检 测，另一类是数据采集。 事件检测型的应用中，散布在一定区域的传感器的工作是检测特定的事件是 否发生，一旦检测到发生，即通过无线网络将此消息发送出去。这一类的应用的 例子如：军事上利用无线传感器网络对特定的区域进行监控，看是否有敌人入侵 或受到武器攻击；在家中用无线传感器网络进行防火、防盗等。 数据采集类的应用中，传感器按照预先设置的频率，对周围的有关数据进行 采集，并进行简单处理后通过无线传感器网络发送给服务器进行汇总、分析。比 如，在自动化农业中，用温度、湿度传感器组成的无线传感器网络对农作物的生 长环境进行监控和分析；在生物研究中，在需要跟踪研究的动物身上放置传感器， 通过无线传感器网络了解它们的生活习性等 1 0 l l 1 。 随着现在高科技的进步，人们的生活水平的提高，环境问题开始得到社会的 重视。目前，环境监测发展的一个重要方向是开发适合中国国情、价格低廉的远 程监测系统，而环境监测【1 2 】系统中极为重要的一部分就是如何获得环境参数，只 有获得环境参数才能进行后面的分析、决策工作。无线传感器网络可以通过各类 集成化的传感器协作地感知、采集各种环境对象的信息，并传达给用户，具有可 快速部署、无入值守、功耗低、成本低等优点，十分适合于环境采集系统。 1 2 无线传感器网络环境应用概述 由于环境测量的特殊性，要求传感器节点必须足够小，能够隐藏在环境中的 某些角落里，避免遭到破坏。因此在实际应用中更多的是使用一些微型传感器节 点，它们分布在被监测区域中，实时测量环境的某些物理参数( 比如温度、湿度、 压力等) ，并通过无线通信方式将测量的数据传给监控终端。由于单个传感器节 点能力有限，难以完成环境测量的任务，通常是将大量的微型传感器节点互连组 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 成无线传感器网络，以对感兴趣的环境进行智能化的不间断的数据采集。与传统 的环境监测手段相比，使用传感器网络进行环境监测有三个显著优势1 1 3 j ： 1 、由于传感器节点的体积很小且整个网络只需要部署一次，因此传感器网 络对被监测环境的人为影响比较少。这尤其适用于那些对环境非常敏感的生物场 所的监测。 2 、传感器节点数量大，分布密度高，每个节点可以采集到各自局部环境的 详细信息，这些信息经汇总融合后传到基站，因此传感器网络具有数据采集量大、 探测精度高的特点。 3 、传感器节点本身具有一定的计算能力和存储能力，能根据环境的变化进 行较为复杂的监测。传感器节点还具有一定的通信能力，能够实现节点间的协同 监测。通过采用低功耗的无线通信模块和无线通信协议能使传感器网络的生命周 期延长，从而保证了传感器网络的实用性。此外，节点的计算能力和无线通信能 力还使得传感器网络能够重新编程和重新部署，并对环境的变化，传感器网络自 身变化以及网络控制指令做出及时反应，因而能够适应复杂多变的环境应用。 下面介绍无线传感器网络在环境中的应用情况： l 、山体滑坡监测1 1 4 j 中国幅员辽阔，地质地貌复杂，气候温润，降雨丰沛，为滑坡活动提供了充 分的内在原因和外界条件。滑坡的存在要求采用一种成本低、易于推广、有效的 监测手段对于这些潜在或是正在滑动的滑坡体进行监测，以便及时采取安全预防 措施，避免当大面积滑坡产生时造成难以预料的损失。传统滑坡监测主要是在现 场布置固定的传感器或仪表后，通过汇总人工定时读取的数据来得到滑坡的安全 状况。数据汇总后滑坡可能已经发生了破坏，因此不可能及时准确地对滑坡状况 进行预测。若安排工作人员昼夜值守，不仅浪费人力、物力，而且值守人员的生 命安全得不到保障。此外，传统监测方法多采用有线方式连接，但滑坡监视区域 的地理条件复杂、线路架设困难的特点，限制了有线方式，而无线方式无需铺设 物理线路，可使监控终端远离存在安全隐患区域，为灵活选择其所在地提供了可 能，使得工作人员无需到达监测区域就能远程实时得到高可靠性监测数据，了解 滑坡体的运动情况，分析滑坡体形变情况与规律，进而结合地质资料进行滑坡变 形趋势预报，为滑坡防治提供科学依据。 滑坡实时监测系统由“现场监测系统 、“信息传输系统 和“远程监控终 端 三部分组成。“现场监测系统 采用先进的无线传感网络技术来实现。无线 传感网络节点包括传感( s e n s o r ) 节点和汇聚( s i n k ) 节点。传感节点散布在感知区域 内，完成对各环境参数的实时监测、采集、存储、处理，并采用自组织多跳路由 无线r f ( r a d i of r e q u e n c y ，射频) 通信方式把数据传输到汇聚节点。汇聚节点将采 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 集数据、g p s 定位信息和时间信息融合后，通过“信息传输系统 向外界发送。 “信息传输系统选择信号覆盖范围广、技术成熟且成本相对较低的无线公网 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，全球移动通信系统) 的s m s ( s h o r t m e s s a g es e r v i c e ，短消息服务) 构建“现场监测系统 和“远程监控终端 的无线 数据传输【1 5 】【1 6 1 。s m s 可将多个监测区域的采集数据发送到同一个号码的接收端。 这种“多对一 的传输模式，便于对多个危险区域进行监测。“远程监控终端 负责接收、解析消息中的采集数据，显示在屏幕上。 2 、农业监测1 1 7 1 目前无线技术在农业中的应用比较广泛，但大多是具有基站星型拓扑结构的 应用，并不是真正意义上的无线传感器网络。农业应用一般是将大量的传感器节 点构成监控网络，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准 确地确定发生问题的位置，这样农业将有可能逐渐地从以人力为中心、依赖于孤 立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动 化、智能化、远程控制的生产设型瑚。 2 0 0 2 年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园。传感器节点 被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度、有害物的数 量以确保葡萄健康生长；他们甚至计划在家畜( 如狗) 上使用w s n ( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) ，以便在其巡逻时搜集必要信息。这些信息将有助于开展有效的灌溉 和喷洒农药，进而降低成本和确保农场获得高收益；澳大利亚的c s r i oi c t c e n t e r 将无线传感器节点安置在动物身体上对动物的生理状况( 脉搏、血压等) 和 外界环境进行监测，研制成完善的草地放牧与动物模型【1 9 l 。 3 、煤矿瓦斯监测【2 0 】 煤矿瓦斯监测系统是进行瓦斯监测、防止瓦斯爆炸的重要手段之一。在传统 的煤矿瓦斯监测系统中，由于监测系统的设施、装置等位置比较固定，因而使瓦 斯探头不能随着采掘的进度跟进到位，从而使得监测系统往往形同虚设，而且井 下联网有一定的难度，有关人员无法进行有效的监管，以致事故无法预警。所以 采用无线传感器网络可以让瓦斯监测系统能够随着采掘的进度跟进到位，能够把 井下信息实时、准确地传送到相关人员。 在巷道中每隔几十米放置1 个传感器节点，每个矿工也都佩带1 个传感器节 点，矿工身上佩带的节点和巷道中放置的节点可以自组织成一个大规模的无线传 感器网络，在矿井的入口处放置一个具有网关功能的节点作为s i n k 节点，它可以 是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给更多的内存与计算资源， 也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。s i n k 节点连接传感 器网络与i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布监 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 测中心的监测任务，并把收集的数据转发到外部网上，最后传至监控中心。 4 、冰川环境监测【2 i 】 冰川作为淡水库存资源和气候指示器，对其观测手段的改进非常重要。为了 更好的全面的理解地球气候系统，将传感器部署到冰川下感兴趣的区域，利用无 线传感器网络监测冰川环境，进行长年累月的观测【2 2 1 。英国的南安普顿大学的 g l a c s w e b 团队利用无线传感器网络，开展了冰川环境监测，通过冰川观测来 研究冰川变化与气候的相互关系及其相互影响【2 3 】。在冰川观测中，用传统的仪器 监测冰床，在冰川表面需要布设很长的电缆线。长的电缆线需要消耗大量的电能， 电缆会对观测仪器造成一定的干扰，而数据记录需要间歇的手工来操作【2 4 1 。为了 测量它们的运动以及其它的属性，采用无线传感器节点来探知冰川下的属性特 征。在持续使用好几年的时间内，使传感器能够和冰川融为一体，随着季节的变 化，以达到反馈冰川运动性质的信息。具体部署上，需要对冰川进行不同深度的 钻孔，在钻孔内部署传感器网络。如配置压力和温度、倾角等传感器节点。用以 测量冰川内部的温度、压力以及冰川的倾斜方位。这些传感器节点与部署在冰川 上的基站进行通讯。通过基站把众多无线传感器节点所采集到的数据集中接收， 并存储在基站中。基站的存储媒介容量要远远大于单个传感器节点的容量。基站 一段时间后将测量的各种数据以及收集的众多传感器网络数据通过g s m 通讯方 式传输到实验地面站1 2 5 1 。实验地面站一般建设在冰川分布的山下。地面站一般把 基站传送过来的数据进行简单的处理后，通过i n t e r n e t 传送给实验室的服务器系统 进行处理与分析、以及计算和可视化，然后通过w e b 站点向外发布这些观测数据。 研究人员可以通过任意一台连入i n t e m e t 的终端访问w e b 站点，或者向基站发出操 作指令。 5 、结构健康监测1 2 6 j 结构健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，简称s h m ) 指利用现场无损伤的 监测方式获得结构内部信息，通过结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化 的目的。健康监测技术就是要发展一种最小人工干预的结构健康在线实时连续监 测、检查与损伤探测，能够通过数据处理中心，自动地报告结构状态。结构健康 监测系统应该包括以下几个部分，如图1 1 所示l z7 j ： 图1 - 1 结构健康监测系统基本结构 ( 1 ) 传感器单元：用于将待测物理量转换为可传输信号： ( 2 ) 信号传输和处理设备：将可传输信号直接传输至数据中心再转换为数字 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 格式或者经过处理后( 如数字化后) 再传输并处理。 ( 3 ) 数据中心和预警设备及软件：以高性能计算机为基础构建数据中心，配 合专业软件对历史数据和新采集数据进行处理从而构建预警模型。 根据监测数据的传输方式可以将传感系统大体上分为有线和无线两种。传统 的有线方式具有低噪声、传输速率高等优点，但存在许多重要缺陷，概括来讲两 方面：一方面是传感器设备必须通过电缆连接到中心数据采集单元，这样势必有 大量的电缆用来铺设、而这是昂贵和耗时的，监测过程中的维护也比较麻烦，还 会对监测对象造成影响；另外一方面就是电缆要预先埋入结构层中以减少测试成 本，但这增加了承包商和工程设计师的工作量，例如在施工现场布设大量线缆是 不现实的，会严重影响施工人员的操作，电缆损坏也是大问题，这方面有很大的 改进余地【2 3 1 1 2 9 1 。无线方式是随着数字无线技术的发展而兴起来的，数字无线技 术解决了无线信号的高噪声问题，再加上无线宽带技术大大提高了无线传输的传 输速率，使得无线传输方式在结构健康监测领域逐渐显露头角，所以无线形式在 结构健康监测领域将成为必然，故用无线传感器网络实现结构健康监测应用更具 有实际意义。 1 3 无线传感器网络环境应用国内外研究现状 环境应用是无线传感器网络技术的典型应用，随着环保问题的日益突出以及 人们对环境质量要求的不断提高，使环境应用显得尤为重要。目前，国内外关于 无线传感器网络在环境应用方面也取得了一些重要的研究进展，主要如下： 2 0 0 2 年夏天，“i n - s i t u 研究组在大鸭岛上部署了由4 3 个传感器节点组成 的传感器网络。节点使用了b e r k e l e y 的m o t e 节点，节点上运行的是t i n y o s 软件。该系统将传感器获取的温度、湿度、照度和气压等环境信息以多跳路由方 式发送到监测管理中心，管理中心使用这些信息在不干扰野生动植物正常生活的 情况下检视海燕地下巢穴的微观环境。 2 0 0 4 年，美国学者将无线传感器网络放置在葡萄园中，通过对葡萄园的监 测来提高作物的品质。研究者通过与农业领域的专家合作，分析了湿度、温度和 病虫害对葡萄成熟度和品质的影响。 2 0 0 5 年，澳洲的科学家利用无线传感器网络来探测北澳大利亚蟾蜍的分布 情况。由于蟾蜍的叫声响亮而独特，因此利用声音作为检测特征非常有效。科研 人员将采集到的信号在节点上就地处理，然后将处理后的少量结果数据发回监控 中心，这样就可以了解到蟾蜍的分布、栖息情况。 5 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 2 0 0 7 年，国内学者研制了用于煤矿瓦斯监测的无线传感器网络系统。该系 统基于加州大学伯克利分校的t m o t es k y 和t i n y o s 操作系统，可以用来监测 煤矿内部环境的变化，同时还能实现矿工的定位。 2 0 0 7 年重庆大学的研究者将无线传感器网络应用到了西双版纳的自然保护 区内。该系统结合了g p r s 、g i s 、红外夜视和g p s 等技术，实现了自然保护区 生态环境信息的监测、动物活动路线规律的跟踪、新动物的发现、火灾等自然灾 害的预警、巡护管理等功能。 2 0 0 8 年美国研究者在华盛顿的农场部署了环境监测无线传感器网络。该系 统除了自身的监测功能外还与相应的控制系统相结合，当测得的环境温度低于某 个预先设定的临界值时，系统可以自动启动温控设备，防止出现冻害。 近几年随着无线传感器网络的不断发展，以及软硬件设备的逐渐成熟。世界 范围内环境监测领域无线传感器网络的应用越来越广泛，新技术和新想法不断涌 现，相信在环境领域会有广泛的应用前景。 1 4 本文主要研究内容及结构 传感器节点有两个特点：一个是并发密集性，即可能存在多个需要同时执行 的逻辑控制，这需要操作系统能够有效地满足这种并发程度高、执行过程比较短 的逻辑控制流程；另一个特点是传感器节点模块化程度很高，要求操作系统能够 让应用程序方便地对硬件进行操作，且保证在不影响整体开销的情况下，应用程 序中的各个部分能够比较方便地进行重新组合。这两个特点对设计面向无线传感 器网络的操作系统提出了新的挑战。美国加州大学伯克利分校针对无线传感器网 络研发了t i n y o s l 3 0 l 操作系统，在科研机构的研究中得到比较广泛的使用。 本文以c r o s s b o w 公司的i r i s 新型节点为硬件平台，研究一种基于t i n y o s 拘无 线传感器网络环境参数采集系统。针对环境应用的特点，系统分为传感器节点一 网关节点监控终端的三层结构。首先对现有的无线传感器网络操作系统进行分 类总结，重点介绍无线传感器网络中经典的操作系统t i n y o s ，包括组件模型、调 度机制、通信模型，并详细阐述支持组件化编程的n e s c 【3 1 】语言的接口、模块等， 采用简单实例在t i n y o s 操作系统下进行程序验证开发。然后利用n e s c 语言设计 s h t 7 1 传感器的驱动程序，实现传感器的采集功能，研究和设计系统的无线通信 模块a t 8 6 r f 2 3 0 驱动程序和上层应用程序，实现传感器节点无线发送与接收的功 能。该系统要求传感器节点在监测范围内构成网络、采集需要的数据、并能以多 跳的方式传输给数据中心；用户能够通过网关节点查询需要的数据、发送命令和 重新部署传感器网络参数。设计的网络系统要求具有功耗低、体积小的特点，且 网络支持网状拓扑结构，可以实现网络自组织自愈功能，顺利采集环境的温度、 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 湿度等，可用于家庭环境等领域。 本论文的主要安排如下： 第一章介绍课题的背景、无线传感网络环境应用概况以及国内外研究现状， 并给出了论文的主要研究内容及结构。 第二章介绍无线传感器网络操作系统的设计要求，分析t i n y o s 的组件模型、 调度机制、通信模型等概念；然后对支持组件化编程的n e s c 语言的接口、组件以 及编译原理等进行较深入的分析。最后采用简单实例在t i n y o s 操作系统下进行 程序验证开发。 第三章主要分析无线传感器节点微处理器模块、无线通信模块、传感器模块、 电源部分的硬件设计。并重点研究与设计微处理器模块与无线通信模块的接口电 路、传感器模块中传感器的选择以及传感器与微处理器的接口电路。 第四章主要研究无线传感器网络节点的软件设计，包括温湿度采集单元的设 计，无线通信模块的设计以及上层应用程序设计。用流程图和组件结构图对程序 设计进行了附加说明，并用应用程序部分代码说明程序设计过程。最后通过修改 x s e r v e 数据解析软件程序使得原始数据能通过c y g w i n 显示并转化成温湿度数 据。 第五章主要是对系统进行性能分析和组网测试，包括功耗和通信距离，网络 自组织和自愈，m e s h 网络部署和温湿度测量等。 第六章对本论文进行总结与展望。 7 中南大学硕士学位论文第二章t i n y o s 操作系统与n o s e 语言分析 第二章t i n y o s 操作系统与n e s c 语言分析 2 1 无线传感网络操作系统设计要求 无线传感网络操作系统是运行在每个传感器节点上的基础核心软件，一方面 采用无线传感网络操作系统能有效地管理硬件资源和任务的执行，并且使用户不 用直接在硬件上编程开发程序，从而使应用程序的开发更为方便。这不仅提高了 开发效率，而且能够增强软件的重用性。另一方面，传统的嵌入式操作系统不能 适用于传感器网络，这些操作系统对硬件资源有较高的要求，传感器节点的有限 资源很难满足这些要求口羽。依据无线传感器网络的特点，设计操作系统应该满足 以下的要求1 ： l 、在传感器网络中，单个传感器节点只有非常有限的能量、计算和存储资 源，所以传感器网络操作系统的代码量必须尽可能小，复杂度必须尽可能低，从 而降低系统的能耗。 2 、传感器节点的并发操作频繁，并发执行流程又很短，必须有效地管理能 量、计算、存储、通信等资源，通过高效地管理多个并发任务的执行，使应用程 序能够快速地切换并执行频繁发生的多个并发任务。 3 、由于传感器网络的节点数很大，网络拓扑高度动态变化，因此传感器网 络操作系统必须能够适应网络规模和拓扑高度变化的应用环境。 4 、在无线传感器网络上的应用和硬件平台众多，要求能采用模块化编程方 式，增加软件的重用性，提高开发效率。 5 、由于每个传感器节点只有非常有限的资源，多个传感器节点必须协同工 作，形成分布式的网络系统才能完成复杂的监测任务。因此，传感器网络操作系 统必须能够使多个节点高效地协作完成监测任务。 2 2 t i n y o s 操作系统 t i n y o s 是u cb e r k e l e y ( 加州大学伯克利分校) 开发的一种无线传感器网络节 点专用的开源的操作系统，它以其组件化的编程、事件驱动的执行模式、微型的 内核以及良好的移植性等特点受到广大w s n 研究者的喜爱，是目前主流的操作 系统。与传统的操作系统相比，它没有进程或线程的管理，没有虚拟内存的管理， 没有过于复杂的i o 子系统以及地址空间分配，这对于存储资源极为有限的系统来 说非常重要。t i n y o s 操作系统最初是用c 语言实现的，但是c 语言不能有效、方 便地支持面向传感器网络的应用和操作系统的开发。于是加州大学伯利克分校在 c 语言的基础上进行了一定的扩展，开发了n e s c ( cl a n g u a g ef o rn e t w o r k 8 中南大学硕士学位论文 第二章t i n y o s 操作系统与n e s c 语言分析 e m b e d d e ds y s t e m s ) 语言。n e s c 是一种静态语言，用n e s c 编写的程序里不存在动 态内存分配，而且在编译期间就可以确定函数调用流程。t i n y o s 操作系统和其 上运行的应用程序都是用n e s c 语言可开发。在这种组件化的体系结构中，t i n y o s 用组件实现各种功能，用户可以快速便利地实现应用，不需要关心硬件描述层的 具体实现细节和节点硬件所提供的功能，只需要使用系统组件层提供的服务来满 足具体的应用需求。这样可以提高操作系统的紧凑性，减少代码量和占用存储资 源的目的【3 4 1 1 3 5 1 。实际_ 1 2 t i n y o s 为用户提供了无线传感器网络开发应用的编程框 架，在这个框架中将t i n y o s 提供的操作系统组件和用户设计编写的应用程序组 件结合起来，方便地构建整个节点的应用程序。 2 2 1 典型无线传感器网络操作系统对比 无线传感器网络技术的应用针对性相当强，不同的操作系统是针对不同的应 用环境和硬件平台而设计的，如简单的数据采集应用环境，采用小巧、功能简单 的操作系统就能胜任，而报警系统、目标追踪、交通监控等应用环境就需要功能 比较强大、实时性较高的操作系统1 3 6 1 。表2 1 是用于无线传感器网络的三种操作 系统的简单比较。 表2 - 1 三种操作系统对比 从表2 1 中看出t i n y o s 是基于事件驱动的操作系统【3 7 1 1 3 8 l ，这样的操作系统一 方面代码量小，另一方面可以解决有限的可用资源问题，因为采用事件驱动模型 可以将代码组织成接到外界事件才响应执行的模块，如果没有事件，系统就转入 节能模式；采用事件驱动机制，可以处理高并发事件，并且达到节能的目的，使 其适应节点众多、并发操作频繁发生的无线传感器网络轻量级线程技术；基于 f i f o 的任务调度，使得短流程的并发任务共享堆栈存储空间，并能快速切换； 另外实时性调度会带来很大的负载，因此t i n y o s 的实时性比较低。目前t i n y o s 在无线传感器网络操作系统领域处于主导地位，已经运行在很多硬件平台之上， 例如：t e l o s ( r e va ) ，t e l o s ( r e v1 3 ) ，m i c a t 3 9 1 ，m i c a 2 1 4 0 1 ，m i c a 2 d o t t 4 1 1 ，欧洲的e y e s ， c r o s s b o w 的m i c a z ，i r i s 等等。表2 2 简单对比了一下几种平台的一些硬件特性。 9 中南大学硕士学位论文第二章t i n y o s 操作系统与n t 噍o c 语言分析 表2 - 2t i n y 0 s 支持的一些硬件平台比较 针对上述无线传感器网络的设计要求，通过性能比较、分析，选择t i n y o s 操作系统作为该系统的操作系统。下面主要对t i n y o s 操作系统的组件模型、调 度机制、通信模型进行介绍1 4 2 1 4 3 1 。 2 2 2 组件模型 t i n y o s 的程序由组件构成。t i n y o s 的组件m 】通常分为以下三类：硬件抽象 组件、合成组件、高层次的软件组件。图2 1 所示为一个支持多跳无线通信的组 件集合与组件之间的关系【4 5 】。上层组件对下层组件发命令，下层组件向上层组件 发信号通知事件的发生，最底层的组件直接和硬件打交道。硬件抽象组件将物理 硬件映射到t i n y o s 的组件模型。例如射频抽象组件r f m ，它提供命令用以操作 与r f m 收发器相连的各个单独的i o 弓l 脚，并且发信号给事件将数据位的发送和 接收通知其它组件。合成组件是模拟高级硬件行为。该组件提供了一个硬件抽象 模块，例如r a d i ob y t e 组件，它将数据以字节为单位与上层组件交互，以位为单 位与下面的i 强m 模块交互。组件内部完成数据的简单编码或解码工作。高层次软 件模块完成控制、路由以及数据传输等。 t i n v o s 的组件模型使得软件硬件边界能够比较方便地迁移，因为t i n y o s 所 采用的基于事件的软件模型是对底层硬件的有效扩展和补充。另外，在t i n y o s 设计中采用的固定数据结构大小、存储空间的预分配等技术都有利于硬件化这些 软件组件。从软件迁移到硬件对于传感器网络来说是特别重要的，因为在传感器 网络中，系统的设计者为了满足各种需求，需要获得集成度、电源管理和系统成 本之间的折中方案。 2 2 3 调度机制 在无线传感器网络中，单个节点的硬件资源有限，如果采用传统的进程调度 l o 中南大学硕士学位论文 第二章t i n y o s 操作系统与n e s c 语言分析 方式，首先硬件无法提供足够的支持；其次，由于节点的并发操作比较频繁，而 且并发操作执行流程又很短，这也使得传统的进程线程调度无法适应。 r e a l m a i n j a p p l i e a i o n j? jij a e t i v e j d e s s a g c +， l o g g e ri r a d i o p a e k e t s e r i a l p a e k c t ji ， r r a d i 。b y t eu 觚t t i m e r p h o t o t e m p | l r f m 1 2 ca d c l i+； 射频芯片 串口 定时器 圈既r o m 传感器 图2 - 1 支持多跳无线通信的传感器应用程序的组件结构 t i n y o s 的调度机n 4 6 j 4 n l = 匕较简单，采用轻量级线程技术【4 8 1 和两级调度方式 4 9 1 。如图2 2 所示，包括任务和事件两个过程。任务是基本的处理单元，能够被 应用程序或者操作系统调用，通过一个先进先出( f i r s ti nf i r s to u t ，f i f o ) 1 5 0 j 的队 列来实现，队列是固定长度的，如果提交的任务数超出队列长度将会出错。系统 运行时会不断的从任务队列中提取任务，完成任务后再提取下一个任务，直到任 务队列中没有任务。如果没有任务，系统进入节能状态。轻量级线程在任务队列 数据结构中体现为一个函数指针，指向任务队列中特定功能模块。任务队列结构 体中只是定义了一个函数指针成员变量，没有更多的参数列表，在执行过程中没 有上下文之间的切换，