（计算机应用技术专业论文）面向无线传感器网络构件化操作系统的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 无线传感器网络由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过 无线通信方式形成的自组织网络系统，其综合了传感器技术、嵌入式技术、分布 式信息技术和无线通信技术，能够实时监测、感知、采集和处理各种监测对象的 信息。无线传感器网络在环境监测、医疗监护、城市交通管理、仓储管理、军事 侦察等领域具有广阔的应用前景，是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的 新兴前沿研究热点之一。无线传感器网络节点具有小尺寸和低功耗、多样化的设 计和使用、有限的控制层次、健壮的运行要求和并发密集型操作等基本特性，这 使得其上的系统软件设计颇具挑战性。传统的操作系统和编程模式并不能直接应 用于无线网络传感器网络系统。因此，一些新的开发方法，如构件化开发方法， 开始引入无线传感器网络软件开发之中。 本论文对现有的无线传感器网络操作系统进行分类总结，跟踪了国内外该领 域的研究进展，重点研究了无线传感器网络中经典的t i n y o s 操作系统，包括其构 件模型、事件驱动机制、调度策略以及编程语言n e s c ；结合所研究课题，对 t i n ) ，o s 的系统构件进行改造，设计了实时调度构件，增强了t i n y o s 的适用性。 利用所研究成果，实现了一个实用的无线传感器网络软件构件化开发平台，此开 发平台提供了软件构件化辅助划分、源码构件生成、软件构件组装和构件信息管 理等工具，可以覆盖基于n e s c 语言的无线传感器网络软件构件开发的全过程。本 论文主要工作和创新之处包括： 1 ) 深入研究基于构件架构的t i n y o s 的基础上，提出了硬件描述层构件的设 计基本原则。在对t i l l y o s 的编程语言n e s c 研究后，实现了t i n y o s 在 m s p 4 3 0 f 1 6 1 1 单片机上的移植。 2 ) 分析了t i n y o s 2 x 的任务调度机制，针对其在实时应用领域的调度缺陷， 设计并实现了一种软实时任务调度构件。 3 ) 分析了构件化描述语言n e s c 和t i n y o s 的开发过程，设计并实现了一种构 件化集成开发环境及其构件管理器。 关键词：无线传感器，t i n y o s ，操作系统移植，实时，集成开发环境 a b s 仃a c t a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e m o r k ( w s n ) i sas e l o 玛a n i z e dn e m o r k ，w h i c hi sf o 肌e do fa l a r g en u l i i l b e ro fc h e a pm i c r 0s e n s o rn o d e sd 印l o y e da r o u n dt l l e d e t e c t e da r e a sb y w i r e l e s sc o m 删m j c a t i o n w s ni i l c o 叩r a t c ss e n s o r e m b e d d e ds y s t 锄，d i 枞e d i 疵n n a t i o nt e c h n o l o g ya n dw 沁l e s sc 0 m m u n i c a t i o nt e c h n o l o 醪w s nc o m p l e t e s r e a l t i m em o i l i t o r i n & s e n s i n g 锄ds 锄1 p l i l l gi i l f o m a t i o no fd i 行：r e n te n v i r o 衄e n t0 r o b j e c t sb e i n gm o i l i t o r e dc o o p e r a t e l y w s ni s a p p l i e di nm a n ya r e 弱i n c l u d i n g e i l v i r o 衄e n td e t e c t i n m e d i c a l 雠锄e n tg u a r d i n 舀c i t yt r a 伍cm a j l a g e m e n t s t o r a g e m a n a g e m e n ta n dm i l i t a r ya 丘越r sr e c o n n a i s s 觚c e w s nh a sb e c o m eo n eo fn l e 疳o n t f i e l d st 0r e s e a r c h c 伽1 p a r e dw i m 仃a d i t i o n a lc 0 m p u t a t i o nd e 、，i c e ，t h en o d e sd e v i c e so f w s nh a v ef b l l o w i n gc h a r a c t 耐s t i c s ：s m a l lp h y s i c a ls i z ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， d i v e r s 时i i ld e s i 印a n du s a g e l i m i t e dp h y s i c a lc o n 仃o l l e rm e 例c h y r o b u s to p e r a t i o n ， c o n c u r r e n c y - i n t e n s i v eo p e r a t i o 玛a n ds oo n t h ed e s i g no fs y s t 锄s o 胁a r ei ns e n s o r c o n s t i t u t e sac h a l l e n 百n gr c s e a r c hf i e l d t h e仃a d i t i o n a lo p e r a t i n gs y s t e m s a n d p r o 野a n m i n gt e c h n 0 1 0 舀e s a r cn o ts u i t a b l ef o rw i r e l e s sn e t 、) l ，o r ks e n s o r sd i r e c t l y t h e f e f o r e ，s o m en e ws o 任w a r ed e v e l o p r n 鳅m e m o d sh a v eb e e na p p l i e dt 0w s n p r o 目锄i i e v e l o p m e n t ，s u c ha sc o m p o n e n t - b a s e dd e v e l o p m e n tm e t h o d t k sd i s s e r t a t i o n吼】m m a r i z e st l l ee x i s t i h ge m b e d d e do p e r a t i n gs y s t 锄sb y c l a s s i 矗c a t i o n ，仃a c l ( i n gt h ep r o 铲e s sa td o m e s t i ca n df o r e i 印，e s p e c i a l l yo nt h et y p i c a l e 1 1 m e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu cb e r k e l e ) ，s 胁y o ss 眦弘i l l c l u d i n gm em o d e l so f c o m p o n e n t ，e v e l l t - 耐v 饥m e c h 砌c s ，s c h e d u l es 仃a t e g ya i l dt l l ep r o 黟雒h n i n g1 a n g l l a g e ； d e s i g n sa n di i i l p l e m e n t sar e a l t i m es c b 反l u l e rc o m p o n e n tf o rr e a l - t i n l ea p p l i c a t i o n f u m l 锄o r e ，ap m 甜c a lc o m p o n t - b a l s e dd e v e l o p m e n tp l a t f o mf o rt i n y o sh a sb e e i l d e s i 印e di i lm ed i s s 嘶a t i o n ，w l l i c hh a sp r o v i d e de 1 1 0 u 曲t 0 0 1 s ，s u c h 嬲：s o n w a r e c o n l p o n e n t b a u s e dt o o l ，c o m p o n e i l tg 饥e r a t i o nt o o l ，s o f h v a r eg e l l e r a t i o nt o o l ，c o m p o n e n t i n f o m a t i o nm a i l a 舀n gt 0 0 1 罚ep m c t i c a lp l a t f o 肌h a sb e e na p p l i e dt 0n e s cl a n g u a g e p r o 铲锄d e v e l o p m e n t t h em a i l lc o m e n t sa n dc o n 臼曲u t i o i l so f 吐1 i sd i s s e n a t i o na r ea s f 0 1 1 0 w s ： 1 慢2 l s e do nm ep r o f o u n dr e s e a r c ho ft i n y o s ，t h ep o r t i n gs c h e m a a n dm ed e s l g n p 咖c i p l eo f h 莉w a r ed e s 嘶p t i o nl a y e ra r ep u tf o 刑a r d m o r e o v e r a 胁s 叫弘n g t n e p r 0 伊a m m i n gl a n g u a g en e s c ，t i n y o si sp o r t e d t 0m s p 4 3 0 f16l l 2 ) t h r o u g l la i l a l y z i n g m es c h e d u l em e c h a n i s m o ft i n y o s - 2 x ，d e s l 口a n d i m p l e m e n tas o f tr e a l t i m es c h e d u l e rc o m p o n e n tf o r r e a l - t i m e 印p l i c a t l o n st 01 m p r o v e n l es y s t e m sr e a l t i m ep e 墒m a n c e 3 ) t h r o u 出a n a l y z m gn e s c a n dt l l ep r o c e s so ft i n y o sd e v e l o p m 饥t ，d e s l 印a i i l t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o 咖铋t ( i d e ) f o r t i n y o sd e v e i o p m e n t k e y w 。r d s ：w i r e l e s ss 肌s 。rn 咖o r k s ，t i n y o s ，p o n i n g 。f 。p e r a t i n gs y s t 锄，r e a l t i m e ， i n t e 擎a t i 甜d e v e l o p m e i l te n v i r o 【1 1 1 1 e 1 1 t m 缩略词 缩略词 c b s d ： c o m p o n e n t b a s e ds o 胁a r ed e v e l o p m e n t c a s t ：c e n t e r 向ra 舀n gs e r v i c e st e c h n o l o 季e s m c u ：m i c r 0c o n 仃0 1 1 e ru n i t c o r b a ：c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r d l i t e c t u r e r _ p c ：r e r i l o t ep r o c e d u r ec a n i d l ：h l t e 血c ed e s 翻p t i o nl a n g u a g e r m i ：r 锄o t em e n l o di n v o c a t i o n e d f ：e a r l yd e a d l i n ef i r s t d v s ：d ”锄i c 、，o l t a g es c a l i n g d p m ： d y l l 锄i cp o w e rm a l l a g e m e n t f i f o ：f i r s t i n f i r s t o u t h a l ：h 幽a r ea b s t r a c tl a y e r a c ： a s y n c h 0 n o u sc o d e s c ： s y l l c h r o n o u sc o d e a m ：a c t i v em e s s a g e s i d e ：h l t e 铲a t i e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t v i i 图标索引 图表索引 图2 1 无线传感器网络体系架构图1 0 图2 2 无线传感器网络操作系统体系结构1 6 表2 1 无线传感器网络节点操作系统比较1 9 图2 3 支持多跳无线通信的应用程序构件结构2 0 图2 4 主动消息通信模块2 2 图2 5b l i n k 构件组合应用2 3 图2 6 定时器服务启动流程图2 4 图2 7m e g a l 2 8 中断向量表2 5 图2 8 定时器服务响应中断流程图2 6 图2 9t i n y o s 的调度结构及其部分调度程序源代码2 7 图3 1 无线传感器网络节点硬件开发板实物图2 9 图3 2 无线传感器网络节点硬件设计结构图3 0 图3 3t i n v o s 系统结构图3 2 图3 4m a i n 函数的源代码3 3 图3 5t e l o s b 平台控制l e d 引脚连接配置的源代码3 6 图3 6 移植平台控制l e d 引脚连接配置的源代码3 7 图4 1t i n y o s 任务事件驱动并发模型原理图3 9 图4 2 负责任务调度的数据结构代码4 0 图4 3t i n v o s 开发示意图4 1 图4 4s o r r e a l t i m e s c h e d l l l e 忙构件模型设计示意图4 4 图4 5 负责任务超时检查的事件处理流程图4 6 图4 6s o r r e a l t i m e s c h e d u l e f c 配置构件代码4 7 图4 7s o f t r e a l t i m e s c h e d u l e 妃调度器的执行情况统计图4 8 图4 8 弛y s c h c d u l e 佗调度器的执行情况统计图4 8 图5 1n e s c 语言构件组装示意图5 1 图5 2t i n y o s 集成开发环境体系结构5 3 图5 3 陆y o s 集成开发环境工作原理图5 5 图5 4 项目管理器结构图6 3 v i 图表索弓 图5 5 构件管理器结构图6 6 图5 6 构件管理器工作流程图6 7 表5 一lt i n y o s 集成开发环境与t i n ) ，d t 对比6 8 图5 7t i n y o s 集成开发环境代码编辑运行界面6 8 图5 8 构件管理器运行界面6 9 独创性声明 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。据我所知，除了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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盈务妒日期：2 ，孵年厂月2 8 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔! 】垄窆导师签名：复必 日期：2 9 多年厂月2 弓日 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近年来，随着微机电系统( i n i c r o e l e c 们m e c h a n i s ms v s t e m ，简称m e m s ) 、无 线通信、信息网络与集成电路等技术的迅速发展，新兴的无线传感器网络( w 沁l e s s s e i l s o rn e 觚o r k s ，简称w s n ) 【1j 应运而生。具有更小、更廉价的低功耗计算设备特 征的无线传感器网络掀起了一场后p c 时代的革命。w s n 作为综合了传感器、嵌 入式计算、及无线通信等3 大技术的新兴领域，可以实现人与自然物以及物与物 对话的无处不在的通讯和计算。从火星探测到野生候鸟的监测，从智能房屋到车 辆监测和跟踪，从军事“智能尘埃”( s m a r td u s t ) 到辅助足球裁判，从胶囊肠镜 到住院病人病情监控，从森林防火到预测山洪暴发，从人体内药物剂量控制到精 细农业等，广阔的应用前景掀起了国内外对w s n 的研究热潮。 w s n 的操作系统( w s n o s ) 【2 】是w s n 系统的基本软件环境，是许许多多的 w s n 应用软件开发的基础。w s n o s 不是特定的系统用户界面，也不是特定的一 系列系统服务，而是定义了一套通用的界面框架，允许应用程序选择服务和实现； 它提供框架的模块化，以便适应硬件的多样性，同时允许应用程序重用通用的软 件服务和抽象。同其他操作系统一样，w s n o s 是为了方便开发应用，提供物理设 备的抽象和高协调性的通用函数实现。它的独特性在于，资源极端受限( 处理器 速度、存储器大小、内存大小、通讯带宽、资源数量以及电源受限) ，设备特殊性 和缺乏一致的抽象层次。因此，w s n o s 的设计策略必须是一个资源库，从中抽取 一部分组成应用。它致力于提供有限资源的并发，而不是提供接口或形式。伯克 利开发的t i n y o s 【3 】正是这样一套w s n o s 。构件化的无线传感器操作系统的意义在 于：采用基于构件的体系结构在这种体系结构下，每个应用程序都是一个构件， 一个完整的系统配置是由一个负责调度的调度器和多个构件组成，构件中还可以 包含其它有用的构件，而用不到的构件则不会引入到应用系统中，从而达到减少 内存需求的目的。能根据特定应用并符合硬件体系前提下，灵活地通过组装各个 构件搭建起无线传感器网络的操作系统。 为此，针对无线传感器构件化操作系统的发展面临的新问题，本课题在中国 地区开发促进会科学技术委员会的科技扶贫示范项目中药材种植环境自动监控 电子科技大学硕士学位论文 系统的示范应用( 项目编号：2 0 0 7 a 6 l o o 5 2 ) 和禽类养殖数字化管理系统的示 范应用( 项目编号：2 0 0 7 a 6 1 0 0 5 3 ) 的支持下，综合分析比较了现在主流开源的 无线传感器网络操作系统，t i n y o s 、m a 盟e t o s 【4 】、m a n t i s 【5 】、s e n o s 【6 】等，着重 深入研究加州伯克利分校的构件化的无线传感器操作系统t i n v 0 s 。主要针对 t i n y o s 的实现体系架构、构件化组织结构、实现等特征、及其构件化实现的n e s c m 语言研究将构件化的开发技术引入无线传感器网络软件系统的开发过程中。 在此基础上，实现了t i n y o s 在具体项目中的一整套应用解决方案。 1 2 研究意义 无线传感器网络无论是在国家安全，还是国民经济诸方面均有着广泛的应用 前景博j 。未来，无线传感器网络将向天、空、海、陆、地下一体化综合传感器网络 的方向发展，最终将成为现实世界和数字世界的接口，深入到人们生活的各个层 面，像互联网一样改变人们的生活方式。 尽管无线传感器网络为业界提供了巨大的想象空间，但它在现实应用中所带 来的新问题也给研究者提出了严峻的挑战。设计支持无线传感器网络的微型嵌入 式操作系统就是其中之一。同其他操作系统一样，无线传感器网络操作系统运行 在传感器网络节点上，负责管理节点的软硬资源，从而实现对物理资源的抽象和 提供高通用函数的实现。如果没有传感器网络操作系统，程序员就必考虑节点硬 件底层的实现，这无异给传感器网络应用的开发带来了困难。若是能使程序员使 用传感器网络操作系统提供的构件接口直接开发应用程序，这将大大加快无线传 感器网络应用的开发速度。因而开发高效、易用的无线传感器网络操作系统不仅 具有重要的科研理论价值，同时也具有现实的指导意义。本论文的工作主要围绕 t i n y o s 在无线传感器网络系统中的具体项目所涉及的应用解决方案。 因此，本论文的研究工作具有理论和现实意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 可重用软件开发技术 软件开发从最初的一种编程艺术，到结构化的软件开发，再到目前的面向对 象的软件开发，一直在不断进步。然而，这种进步仍然不能满足目前软件产业对 2 第一章绪论 提高生产效率和软件质量的需要。在长期的软件工程实践中，人们逐渐认识到软 件重用( s o 脚a r er e u s e ) 是现实的能够满足软件产业需要的提高软件生产效率和 软件质量的方、法【9 】【1 0 1 。软件重用可以尽量减少软件的重复开发工作，其好处主要体 现在：1 ) 只有少量的软件部件需要从头开发，缩短了整个软件产品的开发时间， 同时降低了开发成本；2 ) 通过重用已有的经过检验的软件部件，提高了整个软件 产品的质量；3 ) 可以减少需要维护的软件部件( 主要是新开发的软件部件) ，降 低了软件维护成本【l l 】。 软件重用的方式很多，如在编写程序时拷贝源代码片段、使用系统的库文件、 面向对象语言中提供的继承机制等等。软件重用的范围也很广泛，软件开发过程 中涉及到的一切( 包括过程本身在内) 都可以作为重用对象。为了更好地贯彻软 件重用的思想，人们通过分析传统工业以及计算机硬件工业的成功模式发现，都 无一例外地采用了通过生产符合标准的零部件和利用这些标准的零部件来生产产 品的模式。在软件产业中模仿这种模式，就逐渐形成了构件化的软件开发 ( c o m p o n e n t b a s e ds o 俞w a r ed e v e l o p m e l l t ，c b s d ) 方式1 1 2 】1 1 3 1 。 1 3 2 构件化开发技术 在构件化的软件开发方式中，所有被重用的对象都按照一定标准封装成构件 ( c o m p o n 铋t ) ，软件的生产就变成了组装这些预先建造好的、标准化的构件的过 程。由于可重用的对象是标准化的，所以构件化的软件开发方式比起其它软件重 用方式来能够最大限度提高重用性，降低重用代价。目前，c b s d 技术作为一种解 决软件危机的现实途径，得到了学术界和产业界的高度重视，有关c b s d 的研究 国内外正呈如火如茶之势。 无线传感器网络由于节点硬件的特点，资源环境及其有限，在上开发系统和 应用软件具有一定挑战性。如何更好地将代码进行重用，提高开发效率，是很值 得研究的问题。n e s c 语言正是将软件构件技术引入到无线传感器网络的软件系统 开发中。从实际的应用和t i n y o s 系统和应用软件的开发中可以得知，n e s c 的构件 化的软件开发技术，很好地降低了无线传感器网络平台软件的开发难度并提高了 其软件的开发效率。本论文研究了n e s c 的构件化的软件开发方法，着重于研究将 t i n y o s 系统、应用及工具软件的在实际开发中的应用。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 3 无线传感器网络及其操作系统 美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了无线传感器网络研究计划，在加州大 学洛杉矾分校成立了传感器网络研究中心，联合周边的加州大学伯克利分校、南 加州大学等，展开“嵌入式智能传感器”的研究项目，以求利用传感器网络对人 们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，支持相关基础理论的研究，这也是 美国国情咨文中有关h l t 锄e t 2 最主要的远景规划之一【1 4 】。 传感器网络涉及传感器技术、网络通讯技术、无线传输技术、嵌入式计算技 术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等多学科交叉的研究 领域，具有鲜明的跨学科研究特点【l 卯。美国所有著名院校几乎都有研究小组在从 事传感器网络相关技术的研究，加拿大、英国、德国、芬兰、日本和意大利等国 家的研究机构也加入了传感器网络的研究。 无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避 免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。在农业应用领域是精作农业。成 千上万个带传感器的低功耗无线网络设备组成网状网络，使用自动化远程控制网 络的智能设备实现农场经营的信息化和软件化。传感器收集有关田地的信息，比 如土地湿度、氮浓缩量和土壤的p h 值等，并通过网络将其返回到一个中央数据 采集设备。在农作物监测方面，还可以使用传感器网络收集土地信息和气象信息， 帮助农民获取较高的农作物产量。英特尔研究实验室研究人员曾经将3 2 个小型传 感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条 件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影 响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用在精细农业中，来监 测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。无线传感器网络在医疗研究、 护理领域也可以大展身手。罗彻斯特大学的科学家使用无线传感器创建了一个智 能医疗房间，使用微尘【1 6 】来测量居住者的重要征兆( 血压、脉搏和呼吸) 、睡觉 姿势以及每天2 4 小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护 理技术。该技术是做为探讨应对老龄化社会的技术项目c 盟t 铭向ra 西n gs e r v i c e s t e c h n o l o 西e s ( c a s t ) 的一个环节开发的。该系统通过在鞋、家具以家用电器等 家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及 残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而 方便接受护理，而且还可以减轻护理人员的负担。在工业自动化生产线等诸多领 域，英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由4 台机器上的2 l o 4 第一章绪论 个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大 幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间， 提高效率，并延长设备的使用时间。尽管无线传感器技术目前仍处于初步应用阶 段，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会 得到更大的应用。 传感器节点是一个微型的嵌入式系统，携带非常有限的硬件资源，需要操作 系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通讯模块，且能够对各种特定 应用提供最大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可 以并发地使用系统的有限资源。现在主要研究的无线传感器操作系统有：t i n v o s ， 其由伯克利大学开发的传感器网络专用操作系统，该系统采用基于构件的体系结 构，代码量小、耗能少，并且支持并发密集型操作是其主要特点和目标；m a 鼬e t o s ， 其由康奈尔大学开发的分布式操作系统，其目标主要是系统能够适应资源的限制 以及潜在的网络拓扑变化，减少能源使用，延长网络寿命，提供一个通用和可扩 展的操作系统；m a n t i s ，其由科罗拉多大学开发的传感器网络嵌入式操作系统。 易于使用和灵活性是其关键目标，以便程序员通过简单的学习就能够快速进行全 新的应用开发，而专业研究人员则可以调整和扩展系统来进行高级的研究。 无线传感器节点有两个突出的特点：一个特点是并发性密集，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发生频率、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度方面地对硬件进行控制，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组合。这些特点 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 操作系统，在科研机构的研究中得到比较广 泛的使用，但仍然存在不足地方，需要进一步研究、解决。 我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首 次正式出现于1 9 9 9 年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与 自动化领域研究报告 中，作为该领域提出的五大重大项目之一( 当时的项目名 称： 重点地区灾害实时监测、预警和决策支持示范系统) 。随着知识创新试 点工作的深入，2 0 0 1 年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心， 皆在引领中国科学院内部的相关工作。微系统研究与发展中心在无线传感器网络 方向上陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、 声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件所以及中国科技大学等1 0 余个研究 5 电子科技大学硕士学位论文 所和高效。经过几年的努力，初步建立了传感器网络系统的研究平台，在无线只 能传感器通讯技术、微型传感器、传感器端机、移动机站和应用系统等方面取得 了很大进展。2 0 0 4 年9 月相关成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果已在 实际工程系统中使用。 我国针对w s n 的研究还较为薄弱。2 0 0 4 年中国国家自然科学基金委员会将 无线传感器网络列为重点研究项目。清华大学、哈尔滨工业大学和黑龙江大学从 2 0 0 2 年开始分别在时钟同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。 重庆大学也在同一时间开始研究了嵌入式无线传感器网络节点、可重构技术、无 线传感器中的定位等。国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 2 0 2 0 ) 在 支持的重点领域及其优先主题“信息产业及现代服务业 中列入了“传感器网络 及智能信息处理”并在前沿技术中重点支持“自组织传感器网络技术。我国国 家自然科学基金2 0 0 5 年将网络传感器中的基础理论和关键技术列入计划，2 0 0 6 年 国家自然科学基金将水下移动传感器网络的关键技术列为重点研究。2 0 0 7 年的 “8 6 3 ”计划农业专题中，将传感网络作为草蓄业信息化建设的重点之一 如今，有关无线传感器网络的研究主要集中于如何将先进的构件化开发方法 引入到其软件开发中，以增强无线传感器网络的系统和应用软件开发效率。现存 的无线传感器网络软件开发技术在实际应用中还存在着不足，需要在具体系统和 应用软件开发中进行改进。本论文重点研究以t i n y o s 为主的无线传感器网络软件 技术在具体项目应用中的解决方案，并对其的深入分析、改造。此将是本文的重 点研究内容之一。 1 4 课题来源及研究内容 本课题来源于中国地区开发促进会科学技术委员会的科技扶贫示范项目中 药材种植环境自动监控系统的示范应用( 项目编号：2 0 0 7 a 6 1 0 0 一5 2 ) 和禽类养 殖数字化管理系统的示范应用( 项目编号：2 0 0 7 a 6 1 0 0 5 3 ) ，该项目围绕基于对 t i n y o s 构件化操作系统的深入分析，并进行正对具体应用的系统和应用开发和改 造工作进行了研究，为本论文的研究工作提供了有力的技术和经济支持。 本论文的研究和工作内容包括： 1 ) 无线传感器网络热点技术的跟踪研究 分析了无线传感器网络的特点，介绍了无线传感器网络节点操作系统的研究 现状，指出了有限的内存以及对能量的严格要求是无线传感器网络操作系统设计 6 第一章绪论 的最大挑战。其也是无线传感器网络操作系统与p c 机上通用操作系统的主要设计 区别之一。 2 ) t i n y o s 操作系统技术和构件开发技术的深入研究 通过对无线传感器网络操作系统关键技术的研究，指出了无线传感器网络操 作系统的主要设计目标就是在非常受限的资源约束条件下，实现低能耗、高可信、 具有一定实时性的操作系统功能，以满足无线传感器网络的独特性所带来的技术 要求。着重研究了开源构件化的无线传感器网络操作系统t i n v 0 s ，主要针对其 t i n y o s 的实现体系架构、构件化特征、及其构件化实现的n e s c 语言。 3 ) t i n 妒s 的移植 在研究了无线传感器网络硬件平台特征的基础上，进行了t i n y o s 操作系统的 硬件平台级移植工作。 4 ) t i n y o s 实时调度构件的设计与实现 在研究了t i n y o s 2 x 的任务调度机制的基础上，针对其在实时应用领域的调 度缺陷，设计并实现了一种实时任务调度构件，以有效增强t i n v o s 的实时性能和 拓宽t i n ) ，o s 在无线传感器网络实时领域方面的应用。 5 ) t i n y o s 集成开发环境的设计与实现 研究了构件化描述语言n e s c 和t i n y o s 的开发过程。在省院省校科技合作项 目基于删的嵌入式应用开发平台的研究( 项目编号：2 0 0 4 ( 2 1 ) 的集成开 发环境的项目成果基础上，针对t i n y o s 上的构件开发设计并实现了一种构件化集 成开发环境以及其中的构件管理器工具。以达到有效的简化开发流程并提高开发 效率的目的。 1 5 相关概念的澄清 、本论文中需要澄清的相关概念包括： 1 ) c o m p o n e n t ：翻译为构件，相关文献中将其翻译为组件，在本文中，如果 没有特别指出，构件与组件具有相同的意义。 2 ) r e u s e ：翻译为重用，相关文献中将其翻译为复用，在本文中，如果没有 特别指出，重用与复用具有相同的意义。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 6 论文组织 本文在第一章首先介绍了无线传感器网络的国内外发展现状及其应用前景概 况，嵌入式构件化的开发技术优点。然后结合国内外现状，分析了将构件化的可 重用开发技术引入到无线传感器网络软件开发中的意义，给出本论文的研究内容 及意义。 第二章简要地研究了无线传感器网络及其操作系统。并对现有的无线传感器 网络操作系统进行了简要介绍和性能上的分析对比，着重分析了t i n y o s 操作系统。 第三章在项目开发板上进行了弛y o s 的硬件平台级的配置性移植工作。 第四章针对t i n y o s 在实时调度性能上的缺陷，进行相应的改进。本章在对 t i n y o s 原有任务调度机制和并发模型的深入研究的基础上，设计了适合于t i n y o s 系统的实时任务调度算法，并使用n e s c 语言进行了编程实现。最后，在t o s s i m 【4 9 】 仿真器中对实时性能进行了仿真分析比较。 第五章设计和实现了有利于提高t i n y o s 软件开发效率的集成开发平台及构件 管理工具。 第六章总结全文工作，并对下一步工作进行了展望。 8 第二章无线传感器网络及其操作系统 2 1 引言 第二章无线传感器网络及其操作系统 无线传感器网络是一门综合性学科，其综合了传感器技术、嵌入式计算机技 术、分布式信息处理技术和无线通信技术，相互交叉渗透。其具有十分广阔的应 用前景。低功耗、半导体通信装置以及传感器领域的技术进步，给无线传感器网 络的实现提供了新的思路。小体积、低功耗的无线传感节点可以嵌入到物理世界 里，像尘埃一样分布在周围的环境中，进行多种参数的监测。高性能的软件操作 系统是实现无线传感器网络功能的关键技术之一【2 9 1 。 为此，本章简要分析了无线传感器网络的结构和特点。根据其结构和特点， 进行了无线传感器网络操作系统相关问题的研究，得出无线传感器网络操作系统 的一般性设计原则。对典型的无线传感器网络操作系统t i n y o s 进行了必要分析工 作，为以后的设计工作打下理论基础。 2 2 无线传感器网络的结构及特点 无线传感器网络系统通常由传感器节点( s e l l s o rn o d e ) 、汇聚节点( s i r i l ( n o d e ) 和管理节点( t a s km a l l a g e rn o d e ) 组成【1 7 18 1 ，如图2 一l 所示。通过随机部署在监测 区域的大量传感器节点，采用自组织的方式构成网络，传感器节点间可以协作地 实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。传感器节 点所采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，经过多跳( m u l t i - h o p ) 路由后采集数据被传送到汇聚节点进行处理，最后通过传统网络或卫星传输到管 理节剧1 9 】。数据的观察者可以通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布 监测任务以及采集监测数据。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三 个基本要素【2 0 】。 传感器节点通常是一个集成有传感器、数据处理单元和无线通信模块的微型 的嵌入式系统。它可以借助节点中内置的形式多样的传感器感知监控环境中诸如 热、湿度、红外、声音、磁场、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、 距离、噪声、压力以及移动物体的大小、速度、方向等众多人们感兴趣的物理现 9 电子科技大学硕士学位论文 象，将现实世界中的物理量映射到一个定量的测量值，使人们对现实世界形成量 化的认识。相对传统网络节点而一言，无线传感器网络节点的处理能力、存储能 力和通信能力都比较弱，而且一般使用电池供电，能量有限。与传统网络节点不 同的是，每个传感器节点兼顾了传统网络节点的终端和路由器双重功能，既进行 本地数据信息的采集，同时也要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和转发 与其他节点协作完成特定任务。 相对而言，汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力一般要比普通无线传 感器节点强。它负责连接无线传感器网络与传统网络( 如i n t e n l e t ) ，实现两种网 络协议栈中通信协议的转换，并把汇聚到的来自传感器节点采集数据发送到外部 网络【2 l 】【2 2 】。另外，汇聚节点也会将来自管理节点的网络配置信息、采集监测任务 等发布给传感器节点。汇聚节点比一般的传感器节点要求有更多的内存与计算资 源，以及能量供给，可以是由一个具有增强功能的传感器节点来担当，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。 管理节点则可以是普通p c 或是p d a 等硬件资源较丰富的便携设备。 用户 图2 1 无线传感器网络体系架构图 从无线传感器网络的应用和结构分析，得出无线传感器网络的以下特点： 1 ) 传感器节点的通信能力有限。传感器网的传感器的传输速度低，通信距离 近，一般只有几十到几百米。由于传感器往往工作到环境恶劣地区，更多地受到 高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电、潮湿、水浸等自然环境的影 响，一方面造成传感器之间的通信不可靠，另一方面可能使传感器出现长时间故 障、甚至损坏。 2 ) 电源能量有限。网络中的传感器一般都由电池供电，传感器网又往往要求 长时间工作( 某些场合下要求1 0 年以上的工作寿命) ，而往往传感器节点的电池又 不能更换，这样就造成了能源方面突出的矛盾 2 3 】【2 4 1 。 1 0 e 一 第二章无线传感器网络及其操作系统 3 ) 计算能力有限。传感器网中的传感器一般采用嵌入式处理器和存储器。这 些传感器都具有计算能力，可以完成一些信息处理工作。但是，由于嵌入式处理 器和存储器的能力容量有限，传感器的处理能力十分有限。 4 ) 网络规模大，拓扑结构复杂。传感器网中传感器节点密集，数量巨大，可 能达到几百甚至几千万个。