（物理电子学专业论文）无线传感器网络操作系统的移植研究.pdf

摘要 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 设计的趋势是针对特 定的应用而并不是普遍的应用。不同的应用所需要的硬件平台是不相同 的。随着无线传感器网络的广泛应用，传感器节点的构成也不断变化。 因此无线传感器网络节点上的操作系统必须具备很好的移植性。 本论文以无线网络传感器设计要求为依据，在软件设计方面深入研 究了实时多任务嵌入式操作系统u c o s i i ，设计了将u c o s - i i 应用到 微控制器的移植方案，实现了u c o s - i i 在f r e e s c a l e 公司的1 6 位单片 机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 上的移植，最后在硬件平台上进行移植验证。实现了单 片机承担在无线传感器网络中的控制任务，提高单片机的应用水平。 最后，在对现有工作进行总结的基础上，对下一步基于u c o s - i i 的 无线传感器网络节点设计提出自己的想法和建议。 关键字：无线传感器网络u c 0 5 - ii 操作系统移植n c 9 s 1 2 d g l 2 8 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) d e v i c e sw i l l t e n dt ob e a p p l i c a t i o ns p e c i f i c ，r a t h e rt h a ng e n e r a lp u r p o s e ，a n dc a r r yo n l y t h ea v a i l a b l eh a r d w a r es u p p o r ta c t u a l l yn e e d e df o rt h ea p p l i c a t i o n a st h e r ei saw i d er a n g eo fp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s ，t h ev a r i a t i o n i np h y s i c a ld e v i c e si s1 i k e l yt ob el a r g e s og o o dp o r t i n gi sa k e ye l e m e n tf o rt h eo p e r a t i n gs y s t e mo ft h en o d e so fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k s a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n to fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s t h i sp a p e rh a sad e e pr e s e a r c ha b o u tu c o s i i ，a n dt r a n s p o r tt h e u c o s i is u c c e s s f u l l yt ot h ee m b e d d e dc o n t r o l l e rm c 9 s 1 2 d g l 2 8 i t g e t sg o o ds p e c i f i c a t i o n s ，s u c ha sc p uu s a g e ，t a s ks c h e d u l e i ti s e a s yt oa c h i e v et h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r e e m p t i v et a s ks c h e d u l e ， c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt a s k sa n ds y s t e mt i m em a n a g e m e n t f j n a l l y ， t h i sp a p e rg i v e ss o m ec o n c l u s i o n sa n df o r e s i g h t k e yw o r d s ：w ir e i e s s s e n s o rn e t w o r ku w o s ii p o r t i n go f o s m c 9 s 12 d g l2 8 i l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，三维医学影像体视化工 作站研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 作者签名：主：f 幺鼹：珲年月j 里闩 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：亟：匕! ! 垒! 三2 年上月翊 指导导师签名： 年月鱼日 1 1 基本概念 第一章绪论 ( 一) 无线传感器网络 传感器网络被认为是2 1 世纪最重要的技术之一，随着无线通信、微 处理器、m e m s ( m i c f oe l e c t r o l e c h a n i c a l ( ；y s t e m ) 等技术的飞速发展 和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世 界范围内出现自这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大 关注这种传感器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，能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内 的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽而准确 的信息，传送到需要这些信息的用户。 无线传感器网络作为一个全新的研究倾域，在j 一础理论和j 。程技术 两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题，它主要的功能是 用来侦测一些物理状况的改变，例如漏度、湿度、声音、压力! 譬等，并 利用无线传感器网络中广泛散布的传感器悔点( s e n s o rn o d e s ) 在特定 的区域中去侦测特定的项目，并且将侦测剑的数据经由无线传输抄术传 送至汇集点或基地台( s i n ko rb a s es t a r i o n ) ，来做后续的数据处理 以及分析。”1 ( 二) 嵌入式系统 随着计算机技术的发展，嵌入式系统已成为计算机领域的一一个重要 组成部分，并成为近年来新兴的研究热点。嵌入式系统在于结青微处理 器或微控制器的系统电路与其专属的软件，束达到系统操作效率威书的 最高比。例如移动电话、手表、电子游戏机、p d a ，电视、冰箱等民用电 子与通信产品，电动机车、电动脚踏车，乃至于电动汽车等电动交通工 具的控制核一扒无不与嵌入式系统息息相关。而在后p c 时代的来临，家 电、电玩、汽车、新一代手机、数码相机、先进的医疗仪器乃至于即将 到来的智能型房屋、智能型办公室、与其他跟电有关的器材设备更是缺 少不了嵌入式系统这个核心技术。 j 由于被嵌入对象的体系结构、应用环境、要求不同，嵌入式系统有 许多类型。嵌入式系统从形式上，可分为系统级、板级和器件级。系统 级就是指各种工控机，如p c i 0 4 等。板级就是指各种类型的带c p u 的主 板及o e m 产品。器件级就是以单片机最为典型，后来许多半导体厂商以 嵌入式应用为目标，形成嵌入式微处理器，并有许多嵌入式操作系统支 持。通常嵌入式系统是针对某以特定领域而设计和应用的，即要求其产 品体积小、实时性好、系统可靠性高，又要求产品的。阡价比要高。所以 对电子工程师来说，如何针对某种具体应用咪选择嵌入式处理器，使嵌 入式操作系统与之相配合是非常关键的。嵌入式系统是将先进的计算机 技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合的产物，这 一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新 的知识集成系统。 ( 三) 嵌入式处理器“ 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全 统计，全世界嵌入式处理器的品种总量己经超过i 0 0 0 多种，流行体系结 构有3 0 几个系列，其中8 0 5 1 体系的占有多半。生产8 0 5 1 单片机的净导 体厂家有2 0 多个，共3 5 0 多种衔生产品，仅p h n ip s 就有近1 0 0 种。现 在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己 的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从6 4 k b 到1 6 m b ，处 理速度从0 1m i p s 到2 0 0 0m i p s ，常用封装从8 个引脚到1 4 4 个引脚。 常见的嵌入式处理器可以分成下面两类。 ( 1 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o e e s s o ru n i t ，m p o ) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 。在应用中，将微处 理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能， 这样可以大幅度减小系统体积和功耗：为了满足嵌入式应用的特殊要求， 嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作 温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 嵌入式微处理器目前主要有a m l 8 6 8 8 ，3 8 6 e x ，s c 一4 0 0 ，p o w e rp c ， 6 8 0 0 0 ，m i p s ，a r m 系列等。 ( 2 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集 成到一块j 醛片中。嵌入式微控制器一般以莱一种微处理器内核为核心， 芯片内部集成r o m e p r o m ，r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、w a t c h i n g d o g 、i 0 、串行口、脉宽调制输出、a d ，d a ，f l a s h ，r a m ，e e p r o m 等 各种，必要功能和外设。为j 五应不同的应用需求，一般一个系列的单片机 具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是 存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求 相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列 包括8 0 5l 、p s l x a m c s - 2 5 1 、m c s 一9 6 i9 6 2 9 6 ， c 16 6 16 7 、 m c 6 8 h c 0 5 1 1 1 2 1 6 ，6 8 3 0 0 等。另外还有许多半通用系列如：支持u s b 接口的m c u8 x c 9 3 0 9 3 1 。c 5 4 0 ，c 5 4 1 ；支持1 2 c ，c a n b u s ，l c d 及众多 专用m c u 和兼容系列。目前m c u 占嵌入式系统约7 0 的市场份额。特别 值得注意的是近年来提供x 8 6 微处理器的著名厂商a m d 公司，将 a m l 8 6 c c c h c u 等嵌入式处理器称之为m i c r o c o n t r o l l e r ，m o t o r o l a 公 司把以p o w e rp c 为基础的p p c 5 0 5 和p p c 5 5 5 亦列入单片机行列。t 1 公 司亦将其t m s 3 2 0 c 2 x x x 系列d s p 做为m c u 进行推广。 ( 四) 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是嵌入到对象体系中的计算机操作系统，它具有普 通计算机操作系统的一些特点：负责管理系统的软、硬件资源，具有任 务管理、内存管理的功能；但又有不同之处：内核精小、界面简单、可 移植性强等。嵌入式操作系统负责嵌入式系统的全部软硬件资源的分配、 调度工作，控制并协调并发活动，它必须体现其所在系统的特征，能够 通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。与通用的操作系统相比， 嵌入式操作系统具有如下一些特征： ( 1 ) 小巧：嵌入式系统所能够提供的资源有限，所以嵌入式实时操作 系统必须做到小巧以满足嵌入式系统硬件的限制。 ( 2 ) 实时性：大多数嵌入式系统工作在实时性要求很高的环境中，这 就要求嵌入式实时操作系统必须将实时性作为一个重要的指标来考虑。 ( 3 ) 可裁减性：由于嵌入式系统需要根据应用的要求进行裁剪，所以 嵌入式实时操作系统也必须能够根据应用的要求进行裁剪，去掉多余的 部分，或者简化相应的模块。 ( 4 ) 固化代码：在嵌入式系统中，嵌入式实时操作系统和应用软件通 常被固化在嵌入式系统计算机的r o m 中。 ( 5 ) 稳定性：嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预，这 就要求负责系统管理的嵌入式操作系统具有较强的稳定性。 针对不同的处理器类型，存储器容量和实时性需求，有不同的嵌入 式操作系统。例如：微；： 核嵌入式操作系统u c o s i i 和t i n y o s ；多线 程内核嵌入式操作系统e c c 嘲u c l i n u x ，v x w o r k s 和q n x 。多进程内核操 作系统w i n c e 和l i n u x 。 1 2 相关研究背景 无线传感器网络是一种由大量小而便宜的传感器节点组成的多跳自 组织无线通信网络。无线传感器网络设计的趋势是针对特定的应用而并 不是普遍的应用。不同的应用所需要的硬件平台是不相同的。随着无线 传感器网络的广泛应用，节点构成的变化是巨大的。因此无线传感器网 络节点上的嵌入式操作系统必须具备好的移植性。 目前，传感器节点的硬件设计方面已有很大进展，研究人员针对各 种应用开发了多种传感器节点，如u c b 的t i n y o s 小组开发的m o t e 节点 系列、u c b 的s m a r t d u s t 1 4 1 m i t 的u a m p s ( m i c r o a d a p t i v em u l t i d o m a i n p o w e r a w a r es e n s o r s ) 节点“1 、u c l a 的c e n s 5 1u c b 的p i c o r a d i 0 “1 。 现在已经有一些致力于传感器网络的公司，如关国的c r o s s b o w 公司 和d u s t 公司等，其中c r o s s b o w 公司已经推出了由u c b 开发的：d i c a 系列 传感器网络产品，到现在已经有了m i c a ，m i c a 2 ，m i c a 2 d o t 三种产品。 他们还为m i c a 开发了一套微型的操作系统t i n y o s “1 。m i c a 2 d o t 的大小 相一枚硬j 自差不多，每个m i c a 2 可以分为两个模块，一个是基本的射频 和处理模块m p r ( m o t ep r o c e s s o rr a d i ob o a r d ) ，另一个是可选的传感 模块m d a ( m o t ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r d ) 。m i c a 2 工作在9 1 5 m h z 的i s m 频段上，有两个可调的工作频率：9 1 4 0 0 7 m m z 和9 1 5 9 9 8 姗z 。以从电 池或钮扣电池作为能源，a t m e la t m e g a 微控制器的工作频率为4 姗z ，无 线通信的最大速率为4 0 k b p s ，单个节点之间最大的通信距离为2 0 0 英尺 ( 约6 0 米j 。现在关于传感器网络的人多数科研和演示系统都是以m i c a 为平台的。国内清华大学也开发出了一种灵活的低成本无线传感器网络 节点f l o w s ( f 1 e x i b l el o wc o s tw i r e l e s ss e n s o r s ) ”1 ，它的单片机采 用t i 公司的m s p 4 3 0 ，移植了u c o s 操作系统，无线传输芯片采用n r f 9 0 5 。 1 3 论文结构 本文以无线网络传感器设计要求为依据，在软件设计方面进行深入 的研究。在此基础上提出了无线传感器网络节点以及节点嵌入式操作系 统的设计目标，依据无线传感器网络的特征以及节点操作系统的需求分 析研究了在无线传感器网络节点m c u 中应用实时操作系统u c o s i i 的可 行性，并在其基础上，提出了u c o s i i 的移植方案、硬件的设计原则， 实现了u c o s - i i 在m c 9 s 1 2 d g l 2 8 芯片上的移植。 本诊文的工作是阁绕着无线传感器网络节点嵌入式操作系统这一崭 新的课题进行的，论文组织如下： 第一章主要介绍研究背景和研究意义，对现有的传感器节点的硬件 与软件平台进行分类总结。 第二章论述无线传感器网络网络体系结构，依据无线传感器网络的 基本特征提出了节点的设计目标。由此引出无线传感器网络节点对嵌入 式操作系统的需求，并提出了节点上嵌入式操作系统的设计目标。 第三章详细研究了基于优先级的抢占式实时嵌入式操作系统 u c o s i i ，介绍了其任务管理、时间管理、任务间通信同步( 信号量，邮 箱，消息队列) 和内存管理等功能。并对国外在无线传感器网络节点中广 泛采用的操作系统t i n y o s 进行了分析对比。 4 第四章介绍了论文所采用的f r e e s c a l e 公司的微处理器c p u l 2 的特 点，设计了一个基于z i g b e e 技术的无线传感器节点方案，并给出了 u c o s i i 的移植方；玄。 第五章是向单片机m c 9 s 1 2 d g l 2 8 移植的具体实现部分。给出了部分 程序代码。 最后是结论部分。 第二章无线传感器网络平台 2 1 无线传感器网络概述 由于近来的微型制造技术、嵌入式计锋技术、电池技术与通信技术 的进步，促使微小的传感器( s e n s o r ) 司具有感应、无线通讯及处理信 息的能力。而此种微型的传感器常被应用在各种目标物的感应以及环境 变化的侦测上，并且透过布置传感器在观测环境中，定期收集所需要之 数据回送至基地台，而此时的控制者即可透过远程的方式来观测以及控 制感测的区域，这便是传感器网络最主要的概念。而无线传感器网络基 本架构图，如图2 1 所示。由多个传感器组成，而网络中的节点可能藉 由商接传送或者多重跳跃等通讯方式将数扼传递到基地台。 ? ，jj 线 感器网络 境身! 构图 对于无线传感器j 例络“”“”，现分析整理它的特性如下： 1 低功率( l o wp o w e r ) 。 2 低传输速率( l o wd a t ar a t e ) 。 3 传输距离短( s h o r td is t a n c e s ) 。 4 传感器体积小且能量有限( s i n a ils i z ea n dl i m i t e de n e r g y ) 。 5 多功能的侦测节点( m u l t i f u n c t i o n a ls e n s o rn o d e s ) 。 6 有错误容忍功能( f a u l tt o l e r a n c e ) 。 7 构建网络时，传感器的数量要多，密度也较高。 8 传感器网络的传输以群播为主并可能需支持多点跳跃传输 路由( m u l t i h o pr o u t i n g ) 。 6 9 传感器网络的i d ( m a ca d d r e s s ) 将不适用传统i e e e8 0 2 系列 的6 个字节。 1 0 低制造成本( l o wc o s t ) 。 传感器网络的运行方式，与目前传统无基础架构刚崭( a dh o c n e t w o r k ) 非常相似，透过互相比较找到其共同的特征“”“： 1 点与点之间的连接范围是有限的，并与信号强度相关。 2 相对于有线网络，数据传送可靠性较差。 3 都使用一个需要共享的传输媒介。 4 传送的信号多数没有被保护，易受到外来的噪声干扰。 5 目的“地址”通常不等同于目的“位置”。 6 具有动态的网络拓朴结构。 即使无基础架构网络的架构是最为接近无线传感器网络的架构，也 同样为无固定基础结构型( i n f r a s t r u c t u r e ) 网络，但是现有的无基础 架构网络的协议及算法大都无法直接应用到无线传感器网络上。而其中 导致此结果最主要的几个原因整碑如下： 1 无线传感器网络节点数常是a dh o c 网络的数十倍至数千倍。 2 无线传感器网络的节点数密度高，传感器节点很容易出故障。 3 无线传感器网络的网络拓扑更容易因节点死亡而产生变动。 4 无线传感器网络主要使用广播或群播方式来通讯，而大部分 a dt l o c 网络则多使用点对点的通讯。 5 传感器节点的能量、运算能力、内存受到极大限制。 6 无线传感器网络没有共通的i p 位置的识别证。 在这些限制和差异中，传感器的电源能量是被讨论最多且是无线传 感器网络研究的重点，并且有限的能源也是传感器刚络与a dh n c 网络最 大n 勺差异。因此在设计传感器网络协议j 算法，能源限制也大都被融入 设计的考虑之中。除此之外，传感器节点容易受到外在环境的影响而慧 生故障，所以当传感器故障时，需要：h 龠足够的客错能力，让传感器州 络可以币常发挥应有的助能而不受到故障的影响。因此，能量消轷、容 错能力、另外加上生产价格，这三者被视为设计传感器网络的首要，y 虑 与研究重点。 2 2 无线传感器网络架构 在无线传感器网络的功能架构上，由于其设计一般都偏向于应用层 面，因此很难真正的在比较详细的级别上定出它的功能架构。而在这里 我们将以一个概念上的级别来对无线传感器网络的功能架构做说明。如 图2 2 所示： 圈2 2 无线传感器网络的框架圈 我们将无线传感器网络的架构分为五层。”“0 1 在第一层基础层中， 主要是以传感器集合为核心，包括每个传感器的软件、硬件资源，如传 感器组件、嵌入式处理器与储存器、通讯组件、嵌入式操作系统、嵌入 ，式数据库系统等。而荩础层的功能包括监测感测对象、收集感测对象的 信息、传输发佰感测到的信息以及初步的信息处理等。 网络层则是以通讯网路为主要核心，实现传感器与传感器、传感器 与基地台之间的通讯，支持整体的传! 尊器协作完成大型感测任务。网络 层包括通讯网路、支持网络通信的各种协议和软、硬件资源。 数抒：管理及处理层主要以传感器数掂0 理与处理软弘y ，哆心，包括支持 各种感渤数屠的收集、储存、查询，分析等各种数视，川列和分析处理 的软件系缔而有效的支持这些j ；j 当器收集的数”，f 于乜行a 0 决策提 供有效的t “助。 应用儿发环境层主要是由传撕器网络中各种应用软件系统所组合而 成的，目的是为使用者能够在基础层、网络层、数据管理及处埋层的开 发上，提供各种软件的开发环境及1 飞。 此外，根据传感器及基地台的移动性，传感器网络架构也可分为静 态( s t a t i c ) 及动态( d y n a m i c ) 两大种类。在静态传感器网络中，传感 器及基地台都不移动，而静态环境中最佳化所额外的能量消耗通常远小 于网络最佳化后所降低的能量损耗，因此是非常适合进行最佳化网络的 结构，此外静态传感器网络的最佳化算法通常并不复杂，因此所需额外 消耗的能量也较少。另一方面，在动态传感器网络的最佳化算法则是相 当复杂，并且其所消耗的额外能量也较多，同时当网络架构改变后，网 络常需再次进行最佳化，此时不但网络的侦测功能暂停且必须消耗额外 能量，因此在动态传感器网络进行最佳化时则必须与总消耗的额外能量 加以比较考虑。；而不论足静态或动态的传感器网络架构，数掘融合( d a t a a g g r e g a t i o n ) 都是节省能量所必须要的机制，数据融合主要将多个相同 或类似的数据合并成单个数据，藉以删除重复或冗余的数据，用以降低 数据的大小，进而达到省电的目的。而为能进行数掘融合，一定数量的 邻近传感器会形成一个小组进行数据融合。更进一步，多个群组可能再 组成更大的群组来进行数据的融合。 2 3 无线传感器网络研究议题 由于各项新兴的传感器虑用快速发展，而目前传感器网络中仍有许 多l 口j 题需待解决，下面整理了目前传感器网络的发展研究议题：。 ( 1 ) 生存的时间( l i f et i m e ) ： 由于无线传感器网络应具有独立生存的能力，因此每个传感器节点 的存活时间以及整体环境的运作周期都是非常重要的课题；其中包括的 电力、路由算法、系统内部协议、以及硬件本身的特性，都需做到考虑。 ，( 2 ) 通信效率r c o m m u n i c a t i o ne f f i c i e n c y ) ： 通信效率主要在于对每个传感器节点之问的沟通、协调，而主要的 考虑包括了传输距离、以及信号传输的功率。此外，由于无线传感器网 络是以组播传输为主，并可支持点对点的传输，因此多重跳跃路由选择 ( m u l t i - h o pr o u t i n g ) 等相关算法也是值得研究的。 ( 3 ) 位置的辨识( l o c a t i o na w a r e n e s s ) ： 对于无线传感器网络中每一个传感器节点，其存在于传感器网络的 相关位置，可利用r o u t i n g 、信号的强弱、算法等相关信息来取得，甚 至可利用卫星或是装置g p s 。主要在于如何取得更币确而较少的误差， 并做出一个j 下确的监测，是相关研究文章讨论的主要重点。 ( 4 ) 协调的行为( c o o p e r a t i o nb e h a v i o r ) ： 在无线传感器网络中的每个传感器节点的行为，主要是根据基地台 组摇出信息之后，各个节点自行经由r o u t i n g 的信息传递，而得知自己 所需进行工作的信息。例如各个节点将自己所行进的信息，经由r o u t i n g 信息传递出去，而使得其它的节点知道该往那个路径前进，而不会造成 与其它节点相撞或是行进的路径重叠，或者是经由协调将有意义的传感 器数据先行经过数据聚集融合等工作，都是属于此方面的研究。 ( 5 ) 电力的损耗( p o w e rc o n s u m p t i o n ) ： 电力是传感器节点运作影内最大的要件。而对于电力的问题! 必须要 由多方面来做考虑，包括了硬件的选择或设计、提供电力的设备、m a c 协 议的运作、以及马达等机械部份等等。 ( 6 ) 安全性与私密性( s e c u r i t ya n dp r i v a c y ) ： 由于无线传感器网络是使用无线传输技术，所以对于传送信号的安 全性与数据私密性也较为不足，也容易受到威胁。但由于传感器网络在 目前的应用上不如一般8 0 2 1 1 的无线网络，而传感器网络所传输的， 通常都是一些控制信息，加上传感器网络本身传输速度慢，因此一般人 不会将它用来做网络数据传送的选择，但随着传感器网络的应用逐渐增 加，安全性及私密性也成为极需重视的。卫题。 2 4 无线传感器网络节点研究 2 4 1 节点设计要求 无线传感器网络设：i 。f 1 勺趋势是针对特定的应用而并不是普遍的应 用。不同的应用所需要的硬件平台是不相同的。随着无线传感器网络的 广泛应用，节点构成的变化是巨大的。对无线传感器网络的节点的要求 如下： ( 1 ) 微型化 无线传感器节点应该在体积上足够小，保证对目标系统本身的特性 不会造成影响。在某些场合甚至需要目标系统能够小到不容易让人察觉 的程度，以完成一些特殊任务。 在软件方面，要求所有模块都应该尽量精简，没有冗余代码。对不 同的应用系统需要配套不同的软件代码。从操作系统到各种硬件设备的 驱动模块，乃至到应用程序模块都需要详细设计。这些限制都是由有限 的硬件资源决定的。 ( 2 ) 扩展性和灵；苫性 无线传感器网络节点需要定义统一、完整的外部接口，在需要添加 新硬件部件时可以在现有的节点上直接添加，而不需要开发新的节点。 同时，节点可以按照功能拆分成多个组件，组仲之间通过柝准接口自由 组合。在不同的应用环境下，选择不同的组件配罱系统，这样不必为每 个应用都开发一套全新的硬件系统。当然，部件的扩展性和灵活性应该 以保证系统的稳定性为前提，必须考虑连接器件的性能。 软件的扩展性体现在节点上的软件不需要额外的设备就可以自动升 级，最简单的方法就是通过无线接口直接进行软件的下载和升级。无线 信息的广播特性可以实现多节点的同步升级，为节点软件的远程升级提 供了便利的条件。软件模块同样要做到组件化和可配置。所有的软件模 块独立并且有标准的模块接口，这样不同的应用系统可以根据自身的需 求配置满足要求的最小系统。 ( 3 ) 稳定性和安全性 硬件的稳定性要求节点的各个部件都能够在给定的外部变化范围内 正常工作。在给定的温度、湿度、压力等外部条件下，无线传感器网络 节点的处理器、无线通信模块、电源模块要保证正常的功能，同时，传 感器部件要保证工作在各自的量程范围内。 另外，节点硬件在恶劣的环境下要能稳定工作，。方面系统在各种 恶劣的气候下刁：会损坏，另一方面所有测量探头都能尽量接近检测环境 以获得最真实的参数信息。 节点的稳定性还需要在软件上得到保证。一方面，软件模块要保证 其逻辑上的正确性和完整性，即本身不存在缺陷。另一方面在硬件出现 问题的时候能够及时感知并采取积极的措施，如系统重新启动或者对采 集的数据进行非线性校准等。另外，对敏感数据要以密文形式存储和传 送，并要有数据完整性保护，以防止外界凶索造成的数据修改。 ( 4 ) 低成本 低成本是无线传感器网络节点的基本要求。只有低成本，才能大量 地布置在目标区域中，表现出无线传感器网络的各种优点。低成本对传 感器各个部件都提出了苛刻的要求。首先，供电模块不能使用复杂而且 昂贵的方案。其次，能源彳丁限的限制又要求所布的器件必须都是低功耗 的。最后，传感器不能使用精度太高、线性很好的部件，这样会造成传 感器模块成本过高。 2 4 2 节点硬件组成 无线传感器网络节点的硬件组件“”，主要由四个基本部分组成，分 别为传感器单元( s e n s i n gu n i t ) 、处理单元( p r o c e s s i n gu n it ) 、传输单 元( c o m m u n i c a t i o n i t ) 和电池单元( p o w e ru n i t ) 。如图2 3 所示： ( 1 ) 传感器单元( s e n s i n gu n i t ) ： 传感器单元包含两个部分：传感器( s e n s o r ) ，负责检测，检测到的 数扰使用模拟信号表示：a d 转换器( a n a l o g t o d i g i t a l ”v e r t e r s ) ， 负责将传感器检测到的模拟信号转换成数字信号，并将数据送到处理单 元加以处理。 ( 2 ) 处理单元( p r o c e s s i n gu n i t ) ： 处理单元也包含两个部分：存储部件( s t o r a g e ) ，其功能类似于计 算机中的硬盘等储存装置，将搜集到的信息储存在存储部件中；处理部 件( p r o c e s s o r ) ，功能类似于计算机中的c p u ，负责执行事先储存好的 程序代码，以协调并控制传感器之间不同的单元。处理单元可以根据原 ， 先储存的程序指令，或是由后端服务器所发送的命令，启动传感器单元 图2 - 3 传感器硬件构造 来收集信息，并将所收集的数据经过汇合整理后，透过传输单元将数据 发送回去。 ( 3 ) 传输单元( t r a n s c e i v e tu n i t ) ： 传输单元主要负责连接传感器与其它传感器之间的沟通，或是将传 感器的数据传送到中心站。传输单元可使用的传输介质有红外线、无线 电波、以及光纤介质( o p t i c a lm e d i a ) 等，根据具体的环境及应用的不 同，可以使用不周的选择。 ( 4 ) 电池单元( p o w e ru n jt ) ： 电池誊元负责传感器中所有单元的电能供应，它是非常重要的单元。 通常传感器的电能是由电池提供，因此任饮硬件的设计上，如何节省电 能可以说是最二l i 要考虑的因素。 除了上述四个基本构成单元外，硬件上进- j 以装置用来辨t l 传感器 位置的_ j 也系统( l o c a t i o nf i n d in gs y s t e m ) ，如g p s 。外接或内建用 来提供l 乜源的装置( p e w e rg e n e r a t o r ) ，如太阳能充电系统。或是让传 感器具有行动能力且能携带 感器数据的行动装置，如机械车、机械人。 但是最重要的是传感器本身要实现小体积、轻重量、低成本、高效能， 这是硬件的设计原则。 2 4 3 节点的操作系统 无线传感器网络设计的趋势是针对特定的应用而并不是普遍的应用。 不同的应用所需要的硬件平台是不相同的。随着无线传感器网络的广泛 应用，节点构成的变化是巨大的。因此无线传感器网络节点上的嵌入式 操作系统必须具备好的移植性。 在无线传感器网络中，单个节点有两个很突出的特点：一个特点是它 的并发概率高，即可能存在多个需要同时执行的逻辑控制，需要操作系 统能够有效地满足这种发生频繁、并发程度高、执行过程比较短的逻侮 控制流程。另一个特点是无线传感器网络节点的模块化，要求操作系统 能够让应用程序方便地对硬件进行控制，且在保证不影响整体丌销的情 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”“。 考虑到传感器节点独特的特征以及实际的应用环境，因而对于节点 操作系统的设计提出了如下些特殊的要求： ( 1 ) 由于节点存储资源极其有限，无线传感器网络节点操作系统应该 可以根据不同的应用系统进行裁剪和扩充，只保留必要的功能，从而以 最小的代码量满足系统需求。 ( 2 ) 在无线传感器网络中，操作系统和应用程序的区分并不明显。它 们在宿主机上一起被编译，然后烧写到目标节点上，目标代码中同时包 含了两者。另外，操作系统和应用程序在同一r o m 空间上运行，它们对 硬件的访问权限相同，也就是说应用程序可以直接操纵硬件资源。所以 也可以说，所有代码都是应用程序。 ( 3 ) 为了降低功耗，大多数无线传感器网络节点操作系统使用事件驱 动方法。当没有任务需要处理时，c p u 则进入睡眠状态，然后由外部事 件来唤醒。 ( 4 ) 无线传感器网络节点操作系统通常采用微型结构，其核心只包含 操作系统的基本功能，如进程调度与同步、中断管理、时钟管理等。其 它功能模块如文件系统、存储管理、通信协议栈都可看成可选的应用。 ( 5 ) 无线传感器网络节点操作系统具有可重构性。当节点工作失常 时，要求能自动恢复。 第三章u c o s - ii 操作系统内核分析 3 1u c o s - ii 概述 3 1 1u c o s i i 的特点 ( 1 ) 公，f ：源代码 u c o s i i 提供全部源代码。且源码清晰易读且结构协调，注解的非 常详尽。 ( 2 ) 可移植性( p o r t a b l e ) 绝大部分u c o s i i 的源码是用移植性很强的a n s ic 写的。和微处 理器硬件相关的那部分是用汇编语言写的，便于移植到其他微处理器上。 u c o s i i 可以在绝大多数8 位、1 6 位、3 2 位以至6 4 位微处理器、微控 制器、数字信号处理器( d s p ) 上运行。 ( 3 ) 可固化( r o m a b l e ) u c o s i i 是为嵌入式应用而设计的，这就意味着，只要有固化手段 ( c 编译、连接、下载和固化) ，u c o s - i i 就可以嵌入到帽应的产品中成 为产品的一部分。 ，( 4 ) 可裁剪( s c a l a b l e ) 可以只使用u c o s i i 中应用程序需要的那些系统服务。也就是说某 产品可以只使用很少几个u c o s i i 调用，而另一个产品则使用了几乎所 有u c o s i i 的功能，这样可以减少产品中的u c o s i i 所需的存储器空 间( r a m 和r o m ) 。通过有选抨性地编译，实现这种可剪裁性。 ( 5 ) 占先式( p r e e m p t i v e ) u c o s i i 完全是占先式的实时内核，它总是运行就绪条件下优先级 最高的任务。大多数商业内核也是占先式的，u c o s i i 在性能上和它们 类似 ( 6 ) 多任务 u c o s i i 可以管理6 4 个任务，然而，；j 前v 2 5 2 版本保留8 个给 系统。应刚程序最多可以有5 6 个任务。 ( 7 ) 可确定性 全部的函数调用与服务的执行时间是可以计算出来的。 ( 8 ) 任务栈 u c 0 s i i 的每个任务都有自己单独的堆栈，u c o s i i 允许每个任务 有不同的栈空间，以便减小应用程序对r a m 的需求。 ( 9 ) 系统服务 1 4 u c o s i i 提供很多系统服务，例如邮箱、消息队列、信号量、块大 小固定的内存的申请与释放、时问相关函数等。 ( 1 0 ) 中断管理 中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务被该 中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌 套层数可达2 5 5 层。 ( 1 1 ) 可靠性 u c o s i iv 2 5 2 通过了美国航空航天管理局的安全认证，可用在对 安全性要求很高的控制系统中。” 3 1 2u c o s - i i 的文件结构 ( 与处理器相关的代码) o s 帆h o s 门= ，i ， a s 譬 o jc p t i _ c c l 旦； r+“1 ；序斗皋广h i 口，节tj i一。一j 图3 1u c o s i i 的文件结构 u c o s i i 由许多功能模块组成，各模块的功能如下：1 ( 1 ) o s c o r e c 提供该实时嵌入式操作系统内部使用的功能，还提 供其他的基本功能如任务调度。 ( 2 ) o s f l a g c 提供保存当前事件组中各事件状态的标志位和等待 这些标志位置位或清除的功能。 ( 3 ) o s m b o x c 提供利用邮箱进行通信的功能。可以使一个任务或 者中断服务子程序向另一个任务发送一个指针型的变量。通常该指针指 向一个包含了消息的特定数据结构。 ( 4 ) 0 s m e m c 提供内存管理功能。 ( 5 ) o s m u t e x c 提供用互斥型信号量实现对共享资源的独占式处 理。 ( 6 ) 0 s i q c 提供利用消息队列进行通信的功能。可以使一个任务或 者中断服务子程序向另一个任务发送指针方式定义的变量或其他任务。 ( 7 ) o s 一$ e m c 提供利用信号量进行通信的功能。 ( 8 ) o sr a s k c 提供任务管理功能。 ( 9 ) o st i m e c 提供与时间有关的服务。 ( 1 0 ) o s c p u - c c 提供与目标平台有关的服务。 ( 1 1 ) o sc p ua a s m 提供时钟中断服务及上下文切换功能。 3 1 3u o o s - i i 与t i n y o $ 的对比 。 美国加州大学伯克利分校开发的t i n yo s 是一个开源的针对无线传 感器网络设计的嵌入式操作系统，它采用基于组件的架构方式，用户使 用n e s c 语言编程，能够快速实现各种应用。 但t i n yo s 并不适用于本文中基于m c 9 s 1 2 系统，首先，n e s c 语言 无法在m c 9 s 1 2 丌发环境下直接编译调试，而转换过的c 代码由大量宏定 义组成，可读性很差，不利于系统新协议的| 丌发和调试。而且，t i n yo s 并不是标准的多任务操作系统，本身并没有提供任务调度功能，需要由 用户自己编程实现，这对多任务的程序开发带来一些困难。 最终考虑代码体积、复杂度、是否免费等凶素，本文在移植中采用 了源码公开、占先式的实施多任务操作系统u c o s i i 。相比较于t i n yo s ， u c o s i i 提供了更加完等的任务调度和仟务通信机制，并且采用标准的 c 语言设计，从而可以歹加方便的进行开发与调试。 3 2u c 0 8 - il 的任务 u c o s i i 内核的所有工作都是围绕“任务”展开的。每个任务代表 了用户需要目标系统来执行的一项或几项功能，在设计的开始阶段就应 1 6 该将系统的设计目标划分为多个相互间相对独立的任务。一般应用可以 使用5 到2 0 个任务。典型的任务是如下形式的一个c 函数： v o i dm y t a s k ( v o i d * p d a t a ) f o r ( ：) 任务代码： ) 由于u c o s i i 是一种可剥夺型内核，所以只要没有更高优先级别的 任务来抢夺当静任务的c p u 使用权，那么当前任务就会一直占用c p u ， 为此任务的代码应是一个由f o r ( ：) 语句实行的无限循环。 3 2 1 任务的状态 图3 2 是u c o s - i i 控制下的任务状态转换图。在任一时刻，任务的 状态一定是这5 种状态之一。 圈3 2 任务的状态幽 休眠态( d o r m a n t ) ：休眠态指任务只是以代码的形式驻留在程序空 间，还未交给操作系统u c