（计算机系统结构专业论文）无线传感器网络的在线升级研究与实现.pdf

摘要 无线传感器网络由大量的微型网络传感节点构成，这些节点被用于测试、传 感、收集、处理被观测对象，节点收集的信息被发送到远端用户。对这样大量长 时间部署的节点的应用很可能会变化，因此，需要节点有能力对已部署的无线传 感器网络节点进行升级。本文依托国家发改委“i p v 6 无线传感器网络节点”项目 和电子科技大学青年基金“无线传感器网络的远程配置和在线升级”项目设计了 支持在线升级无线传感器网络系统结构和运行机制，并实现了该机制的功能。 多数嵌入式环境的操作系统、系统库和在系统之上运行的应用程序等软件环 境由一个映像构成。对这样的系统进行升级就需要对整个系统进行升级，因此升 级的能量消耗很高，这样的系统不适合目前无线传感器网络的应用。本文通过设 计并实现了支持操作系统程序动态升级的系统结构，该系统结构由内核、可动态 加载的模块、消息和功能注册的结构和机制实现。 本文首先介绍了w s n 操作系统，并对w s n 在线升级技术进行了分析，包括 操作系统层面、代码发布协议层面和中间件技术。最后提出可升级的操作系统框 架和相关机制、给出相关实现细节并通过模拟平台对该机制进行验证。 该机制提供运行时加载、卸载和升级应用的能力。由于只需要对应用模块进 行操作而不是修改整个系统，因此在能耗和传输开销将比一般的操作系统更换减 少很多。本文设计了支持操作系统和应用程序升级的系统模块结构。建立了应用 程序模块之间通信的消息结构和通信机制，并根据支持模块升级的需要，设计的 模块功能注册机制，并通过实验验证了这样的系统结构。 关键词：无线传感器网络，在线升级，操作系统，模块 a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s ss e l l s o r n e t w o r k sa l ec o m p o s e do f l a r g en u m b e r so f t i n yn e t w o r k e ds e r l q o r d e v i c e s t h e yc 趾b eu s e df o rt e s t i n g , s e n s i n g , c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o no f m o n i t o r e do b j e c t sa n dt r a n s f e r r i n gt h ep r o c e s s e di n f o r m a t i o nt on s 廿 sr e m o t e l y f o ra n u m b e ro fr e a s o n s ，t h e r ei sl i k e l yt ob eas i g n i f i c a n tn e e dt ob ea b l et or e m o t e l yu p d a t e t h ea p p l i c a t i o n si n 船1 1 s o rn o d e sa r e rl o n gt e r m so fd e p l o y m e n t c o n s i d e r i n gt h en e e d s f o ru p d a t ew i r e l e s s r l s o rn e t w o r k , t h i st h e s i sd e s i g n saw i r e l e s ss e r s o rn e t w o r k o p e r a t i n gs y s t e ms t r u c t u r ec a ns u p o r tu p d a t ep r o c e s sa n da c c o m p l i s h e dt h em e c h a n i s m f u n c t i o mt h i st h e s i sr e l yo nn a t i o n sn a t i o n a lc o m m i t t e eo fd e v e l o p m e n ta n d r e v o l u t i o np r o j e c t ”i p v 6w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e ”t a r a x o sa n du n i v e r s i t yo f e l e c t r o n i cs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n ay o u t hf u n do f r e a a a o t ec o n f i g u r a t i o na n d o n l i n eu p d a t eo f w s n m o s to p e r a t i n gs y s t e m sf o re r n b e d d e ds y s t e m sr e q u i r e dac o m p l e t eb i n a r yi m a g e o ft h ee n t i r es y s t e m t h eb i n a r yi n c l u d e st h eo p e r a t i n gs y s t e m , s y s t e ml i b r a r i e s ，a n dt h e a c t u a la p p l i c a t i o n sr u n n i n go nt o po ft h es y s t e m u p d a t et h o s eo p e r a t i n gs y s t e m s r e q u i r ec h a n g i n gm o s to ft h es y s t e mc o d e ，w h i c he n e r g yc o s t y t h et e x tp r e s e n t sa m e c h a n i s mf o ro p e r a t i n gs y s t e ms u p p o r tf o ro n l i n ed y n a m i cl o a d i n ga n dr e p l a c e m e n to f i n d i v i d u a lp r o g r a m sa n ds e r v i c e s t h em e c h a n i s mi sb u i l tb yae o n m a o nk e r n e l ， p r o v i d e sd y n a m i c a l l yl o a d e dm o d u l e s ，m e s s a g i n ga n df u n c t i o nr e g i s t r a f i o m f i r s t l y , ac o m p r e h e n s i v es u r v e yo fw i r e l e s ss e r l q o rn e t w o r ko p e r a t i n gs y s t e ma n d r e l a t i v ew o r ka b o u tt h en o d ec o d eu p d a t i n gt e c h n o l o g yi n c l u d eo p e r a t i n gs y s t e m ，c o d e d i s t r i b u t i o np r o t o c o l sa n dm i d d l e w a r ei ss t u d i e d t h e n , t h ef a c t o r sh a v ee f f e c t e do n u p d a t i n go p e r a t i n gs y s t e mw e r ee x p l o r e d t h em e c h a n i s mi nt h i st h e s i so ft h eo p e r a t i n gs y s t e mh a st h ea b i l i t yt ol o a da n d u n l o a di n d i v i d u a la p p l i c a t i o n so rs e r v i c e sa tr u n - t i m e i nm o s tc a s e s ，a ni n d i v i d u a l a p p l i c a t i o no ram o d u l eo fi n d i v i d u a la p p l i c a t i o ni sm u c hs m a l l e rt h a nt h ee n t i r es y s t e m b i n a r ya n dt h e r e f o r er e q u i r e sl e s se n e r g ya n dt i m ew h e nt r a m m i t t a dt h r o u g han e t w o r k t h i st h e s i sd e s i g n e dam o d u l es t r u c t u r et os u p p o r tu p d a t eo p e r a t i n gs y s t e ma n d a b s t r a c t a p p l i c a t i o ns o f t w a r e am a s s a g es t r u c t u r ea n dm e c h a n i s md e s i g n e df o rc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nm o d u l e sa n db e t w e e nm o d u l e sa n dc o r ei sp r o p o s e d a n dt h ef u n c t i o nr e g i s t e r m e c h a n i s mf o rm o d u l e su p d a t ei sa l s op r o p o s e d u p d a t eo ss t r u c t u r ea r em a d ea n d s o m es o l u t i o n sa r ea l s op r o v i d e d k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , o n l i n eu p d a t e ，o p e r a t i n gs y s t e m ，m o d u l e i l l 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：二邂日期：7 年尹月可日 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：兰鑫丛导师签名：乒 日期：幻罗年肇月谬日 第一章引言 1 1 论文的研究背景 第一章引言 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 kw s n ) 由大量无线传感器网络节点通 过无线通信技术自组织构成，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术。 除了从外界环境采集数据外，还要接收邻近节点的数据并进行处理融合和转发并 通过无线通信协作完成分布式的传感任务。w s n 是信息技术中的一个新的领域， 在军事和民用领域均有着非常广阔的应用前景。如军事侦察、环境监测、医疗监 护、空间探索、城市交通管理、仓储管理、抢险救灾、防恐反恐和危险区域远程 控制等领域，其中最具代表性的如大鸭岛的环境检测【l 】，智能大厦等应用。 w s n 集成了微电子技术、计算技术、传感技术和无线通信技术等技术。由于 w s n 独有的特性，如节点数目多，配置后无人管理：节点受电池限制，同时受制 于监测的环境，网络的拓扑结构变化频繁，与物理环境联系紧密，网络的任务也 可能动态的变化等等，这些特性深入的研究表明无线传感器网络与传统无线网络 和a dh o c 网络有着明显不同的技术要求。 无线传感器网络的应用程序以数据为中心或以数据为驱动的。节点需要有相 应的机制支持选择性地睡o g 激活。激活后的节点支持协作完成分布式任务，支持 适当的数据融合处理。节点需要时刻监视环境信息的变化，并把发生的事件发送 给用户。这些应用的支持基础就是无线传感网络的操作系统。 w s n 操作系统的主要目的就是支持基于传感器的应用程序的开发、维护、配 置和运行，为高层任务提供服务基础。无线传感器网络节点的硬件能力是非常有 限的，因此节点上的操作系统必须满足在有限的物理空间内实现对硬件的高效管 理。同时由于无线传感器网络应用的多样性，节点的操作系统必须能够根据内存、 处理器以及能量等限制满足应用的严格需求，也必须能够灵活地允许多种应用同 时使用系统资源，如通信，计算和存储【2 】。w s n 需要有主动计算的能力，同时有 与环境很好交互的能力，而这是传统的面向实时控制的嵌入式操作系统所缺乏的 能力。虽然传统台式电脑或者手持式设备上，操作系统从功能和体系方面都己近 于完善，而对于传感器网络操作系统，其研究才刚刚开始。由于其基础结构和应 用的独特性，使传统嵌入式操作系统难以适应新的要求，操作系统的设计依然存 电子科技大学硕士学位论文 在很多挑战性的问题，w s n 的操作系统的体系结构也一直是探索的内容【3 1 。 w s n 操作系统需要充分有效地利用有限的能量、计算能力、存储空间和通 信能力。目前w s n 传感器系统的操作系统的研究主要向低能耗、超微小内核、实 时并发、专用特制、支持多种无线网络互联的方向发展。但对w s n 操作系统的灵 活性研究较少。因此，本文将通过研究w s n 在线升级为w s n 提供灵活的可升级 的操作系统架构。 1 2 论文的研究目的和意义 传感器网络可以被认为是拥有大量的嵌入式，无线设备和有限资源的大型分 布式网络。传感器网络的主要的目的在与收集信息，执行计算，报告有用信息到 终端用户。现在，研究人员在发现大量可能出现的应用，包括环境监控，野生动 物追踪，汽车轨迹追踪和放射性监控等应用。现在，很多应用趋向于使用放置数 十到数百节点进行检测，而且众多研究人员相信未来的应用可能需要在且的地区 放置上千，上万的节点。 虽然目前更多的关于传感器网络系统的研究集中在如何建立更小的系统，并 能够提供各种应用，如轮廓发现等，尽管这些应用在部署和度量上比较困难，但 这些应用不能真正的代表长期用户的兴趣。真正的大规模，长期运行的应用应该 同时包括多种的应用不只是如轮廓发现或报警等单个应用。研究w s n 的 一个目标就是用户能够在一个范围内有拥有各种灵活的应用w s n 资源的能力。这 也就意味着w s n 操作系统必须有能力区别传感器网络的不同状态和该状态所涉 及的功能。也同样意味着w s n 操作在部署后需要有足够的灵活度以接收新的程序 和新的任务。 现有的w s n 应用一般只考虑某个特定的场景，其软硬件的选取和开发都紧紧 围绕确定的监测目的展开。但是，在实际应用中环境状况不断的发生变化，而监 测的目的也可能改变，因此，赋予无线传感器网络更大的灵活性无疑可以让它更 好地发挥作用、更多地利用自身资源、更好地满足实际需要。这里的灵活性，主 要是指传感器节点在检测过程中能够根据环境状况或是人为指令改变检测任务。 这样的无线传感器网络应用，要求网络能在无人照顾的情况下长时间的自主运行。 因此需要解决几个问题。 首先，不确定的环境下能预测所有的传感器节点动作集是不可能的。例如， 在环境检测中，预先部署的传感器节点能对环境进行周期性检测，但如果遇到不 2 第一章引言 可能预先的应用时，如遇难人员搜索等突发性事件而需要临时根据需要进行配置 或软件更换。随着对被测环境的理解的增加或有新的科技进步，配置或软件可能 需要做相应的修改。例如，在高原湿地的环境研究中，目前还不确定以什么频率 或存储什么样的数据能更好的感知环境变化。因此，为了适应变化，在传感器节 点布置后，节点不可避免地要对已有的应用程序修改或增加新的应用程序或配置 新的参数。无线传感器网络在线升级技术的研究是必要的，也是有重要意义的。 其次，我们发现传感器网络的发展趋势如同摩尔定律一样，在不断的持续的 向更小、更廉价的方向发展。在不久的未来，非常小的设备将同时拥有传感，存 储，计算和通讯能力。在能力不断加强的同时，这些设备将变得更小也更加的便 宜，而计算能力和能源的限制将不断削弱。这样拥有数目众多、能力多样的无线 传感器节点将够构成各种应用的复杂网络。而这样的网络将有更多的结构和层次， 对编程人员来说意味着随着传感器阿络应用的增加，编程将更加的困难。所以， 研究无线传感器网络操作系统时，还需要在传感器网络和编程人员之间提供屏蔽 解决复杂编程的问题。 最后，嵌入式程序代码一般在具有丰富资源的主机上开发，然后装载到传感 器节点。程序代码通常通过并口或串口被装载到直接连到主机上的传感器节点， 这种方式被称为系统内更新。系统内更新是更新传感器节点最一般的方式，其特 点是一对一方式的，即一次只能更新一个传感器节点的代码。然而，随着网络规 模的扩大，直接收集传感器节点并使用手工进行代码更新不切实际并需要极大的 工作量，这样的升级方式不可行。因此，需要研究适合无线传感器网络的在线升 级技术。目前，无线传感器网络在线升级技术研究越来越受到关注，如加州伯克 力分校已在其设计的无线传感器网络操作系统t i n y o s 中增加了对代码更新服务的 支持。同时，传感器网络将有能力在缺乏照看的环境当中部署和运行长达数年的 时间，而在这期间，新的功能节点或应用很可能会增加到传感器网络中，因此， 编程人员就可能需要远程配置传感器网络节点、更改节点应用或对节点进行升级。 本论文的任务就是研究支持在线升级的w s n 节点操作系统结构，使节点能够 不断适应环境和应用变化。 1 3 论文的主要内容与章节安排 本文通过对无线传感器的背景、意义和现状的研究，完成了无线传感器网络 操作系统的远程配置和在线升级结构设计与实现。本文对结构的模块构成、消息 电子科技大学硕士学位论文 构成、调度和通信模式进行深入的研究，提出能够实现在线升级的操作系统结构， 满足未来无线传感器网络不断扩展的应用需求。 本文的第一章概述了课题的研究背景，提出了课题研究方向和需要解决的问 题；第二章首先对无线传感器网络的概念，应用领域和技术发展的进行概述。并 对其未来应用提出了一些设想。然后介绍了目前主流的w s n 操作系统的并分析这 些操作系统的特点，为设计可在线升级的无线传感器网络操作系统提供参考。第 三章归纳了目前的无线传感系统升级的研究成果，提出将w s n 的在线升级问题分 为三个层次进行解决，分别探讨了在操作系统层面、协议层面和中间件技术在在 线升级中的已有的解决方法；第四章提出了操作系统层面的在线升级的系统设计， 对包括内核架构、模块构成、通信模式和功能注册的设计与实现方法进行阐述； 第五章对全文进行总结并给出了需要进一步研究的问题。 4 第二章无线传感器网络概述 第二章无线传感器网络概述 2 1 无线传感器网络概述 随着无线传感器技术和计算机网络技术的进步，研究和开发具有网络接口的 传感器节点，并把网络用于分布式测量与控制已成为可能。无线传感器网络完备 的监控能力使其广泛应用于军事、工业过程控制、卫生保健、环境监测等领域。 如图2 1 所示，传感器网络是由一定数量的传感器节点通过某种有线或无线通 信协议联结而成的测控系统。这些节点由传感、数据处理和通信等功能模块构成， 安放在被测对象内部或附近。通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特 点。每个节点包含一个或多个传感器执行器以及接口模块，节点间的通信方式可 以是对等的( p e e r t o p e e r ) 或主从的( m a s t e r - s l a v e ) 。传感器网络节点由它的空间位 置和传感器类型来共同确定。传感器网络具有更好的容错性，实时性和对环境变 化的自适应能力。 图2 1w s n 体系结构 与传统传感器和传统测控系统相比，无线传感器网络具有明显的优势。它采 用点对点或点对多点的无线连接，大大减少了电缆连线，在传感器节点端合并了模 拟信号数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能。节点具有自检功能，组网 5 电子科技大学硕士学位论文 灵活性、系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。 无线传感器网络具有以下特点： 1 节点硬件资源有限。其计算能力、存储能力比普通的计算机要弱很多。这 决定了在节点操作系统设计中，协议层次和有关算法要尽量精简。 2 能量效率要求高。无线传感器节点一般由电池供电，而生存时间一般要求 很长，能耗是其中核心的问题之一。因此传感器网络中的任何技术和协议 设计都应以节能为前提。 3 无中心。所有节点地位平等，是一个对等式网络，具有很强的抗毁性，但 是组网和路由算法必须精心设计。 4 自组织。节点通过分级协议和分布式算法协调各自的行为，开机后节点之 间快速、自动地组成一个独立的网络。 5 多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几十到几百米范围内，需要 通过中间节点进行路由。这样每个节点既可以是信息的发起者，也可以是 信息的转发者。 6 动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，因此应具有动态拓扑组织 功能。 2 2 无线传感器网络操作系统 目前，国际上一些著名大学和研究机构都在积极开展各自带有研究性质的无 线网络传感器项目，如r o c k w e l l 的w i n s 、m i t 的a m p s 、u c l a 的 m e d u s a m k - 2 ，以及u cb e r k e l e y 的t i n y o s 等等。这些w s n 操作系统的结构大致 可以分为组件结构、虚拟机、层次结构、状态机、函数库等几种。 从规模上看，w s n 操作系统构建平台可以分为小型化、中型化和大型化三个 方向。如u c l a 的m e d u s am k - 2 和u c b c r k e l e y 的t i n y o s 构建在a v r 微控制器 架构上，r o c k w e l lw i n s 、m i t 的c a m p s 构建在s t r o n g a r l v l ( 现为x s c a l c 架构) 微处理器架构上【5 1 。基于a v r 架构的研究倾向于普适计算的小型化方向，重点是 支持无线网络传感器的具有多跳网络通信功能的微型操作系统及其整体解决方案 的研究。而基于s t r o n g a r m 架构的研究则倾向于酱适计算的中型实用化方向，因 为该平台更接近于现有的p c 架构，能够得到当前一些流行的操作系统( 如l i n u x 、 w i n d o w sc e 等) 和应用软件的支持，其研究重点是完善软件功能。 w s n 的操作系统按内核调度策略可分为两类：一类是面向强实时应用的抢占 6 第二章无线传感器网络概述 式操作系统，如m a n t i so s 、c o n t i k i 等；另一类是面向弱实时应用的非抢占操 作系统，典型的有i ”m y o s 、e y e so s 等。为了有效利用节点上的能量，延长电池 的使用寿命，其中大多数w s n o s 采用基于事件的编程模型，如t i n y o s 、e y e s o s 、c o n t i k i 等。日本t s u k u b a 大学研究的用于农田观测节点【3 l 】体积较大，如图2 - 2 所示，几乎没有硬件资源限制问题因此可以直接使用l i n u x 系统作为其操作系统。 图2 2 日本t s u k u b a 大学f i e l d s e r v 口 2 2 1m a g n e t o s m a g n e t o s 2 2 由c o n e l l 大学研制，该操作系统是一种分布式操作系统，将整个 网络视作一个虚拟机，在异构节点应用服务之上采用了类似于j a v a 虚拟机，能被 通过s i n k 节点的程序分割服务将应用程序分成多个对象分布到网络中，使每个对 象完成特定功能。静态分割服务将整体j a v e 应用程序转换为分布式应用在网络 中运行，并透明的由事件触发通信( 图2 3 ) 。m a g n e t o s 同时突出了动态重编程的 特性，能对每个对象进行重写和插人，并能将对象采用节能方式放置或迁移。其 设计目标主要是适应有限的资源，拓扑变化，和节能的传感器网络节点和a d - h o c 节点。应用程序开发较为简单。 7 电子科技大学硕士学位论文 9 国 整体应用 分布式应用 图2 3a 割腻的静态分割服务 n e t p u u 和n e t c e n t e r 构成了m a 鲫o s 系统内核，它们可以根据本地信息和应 用的通信模式决定应用对象的移动位置。n e t p m l 描述物理链路层的通信，在一跳 内进行组件的移动。 m a g n e t o s 使用j a v a 虚拟机在网络上发布应用程序，进行代码升级。 2 2 2s e n o s s e o l i ln a t i o n mu n i v e r s i 够的s e n o s 4 】是一个基于有限状态机模型的操作系统， 基于状态驱动的操作系统结构，易于扩展。能为资源机器受限的传感器节点提供 一定的并发性、响应能力和重配置能力。操作系统采用状态机的主要考虑到系统 允许设计者很容易的获取一个设计模型，并可以通过使用代码产生工具与运行代 码自动同步。允许对输入事件的连续性和响应进行控制。允许运行系统有效率的 停止和恢复运行。因此，基于状态机的程序紧凑，有效率，很适合w s n 的应用。 该系统提出的结构能够满足苛刻的硬件环境，其内核结构是基于有限状态机模型， 其运行组成如下： 1 ) 可以接收事件队列输入的状态序列器( s m t es e q u 跖c e r ) 。 2 ) 按f i f o 存储的事件队列。 3 ) 回调函数库( c m l - b a c kl i b r a ) 负责输出功能。 4 ) 用来定义每个可用状态传输和关联回调功能的状态转换表。 内核不停地检查事件队列是否有事件到来，如果队列不空，内核从中取出一 个事件，根据状态转换表触发一个状态转换，将“机器”从当前状态转换到另一 个状态，并调用与状态转换相关的输出函数。这些函数存放在回调函数库中，它 和内核一起固化到f l 勰hr o m 中，而状态转换表定义了正确的转换和相关的回调 第二章无线传感器网络概述 函数，是和应用相关的，因此它可以通过系统提供的动态程序装人器装人新的状 态转换表。通过这种方式开发应用程序比较简单，但是不够灵活。这个操作系统 目前还处于开发中。 2 2 3p e e r o s 欧洲研究项目e y e s 的p e e r o s 3 7 l 是一个采用了基于e d f 实时调度算法的轻 量级版本e d f i 调度算法，这种做法在w s n 操作系统中是一个尝试。实现了以数 据为中心的结构，采用实时调度，运行时的重配置，并提供一个简单的命令解释 程序，系统结构如图2 4 所示。 2 2 4t i n y o s 图2 4p e e r o s 系统结构 加州大学的伯利克分校开发的t m y o s e 4 1 】( t i n ym i c r ot h r c 舢l i n go p e r a t i n g s y s t e m ) 是一个开放源代码的嵌入式操作系统。目前在世界范围内。有超过5 0 0 个 研究小组或者公司使用该系统。t i n y o s 采用了很多从以前的具有支持轻量级线程 和高效的网络接口的体系结构。t i n y o s 采用基于组件的架构方式，由n e s t 语言 实现。n c s c 是一种编写模块化结构应用的新型语言。主要用于嵌入式系统如传感 器网络。 在t i n y o $ 中一个完整的系统配置是由一个微型的调度程序和一些组件组成。 其中，m a i n 组件，用来初始化硬件及调度并且开始执行调度程序。应用组件，这 一层的组件是应用所定义的，用于实现具体应用的功能。系统组件，提供给应用层 9 电子科技大学硕士学位论文 组件的服务，是底层硬件的包装因为系统组件对平台的依赖性强，因此必须存 在扮演硬件包装的系统组件去管理硬件( 如时钟组件) 。t m y o s 采用两级调度策略： 高优先级的硬件事件句柄( h a r d w a r ee v e n th a n d l 铘) 和低优先级的使用f i f o 调度 的任务【9 】。t i n y o s 的任务队列如果为空，则让处理器进入极低功耗的s le e p 模 式。但是保留外围设备的运行。以至于他们中的任何一个可以唤醒系统。 设计无线传感器网络操作系统时首先要考虑的因素应是o s 结构的灵活性和 高效性。为了实现灵活性，应尽量避免把内核设计成具有固定的功能，应该使用 抽象机制，向服务层提供统一并且易于扩展的接口。为了实现高效率，内核应采 用比较简单的单地址空间技术，即不使用虚拟地址，所有的任务都使用相同的地 址空间。这样在任务切换时不需进行地址空间的切换，加快了任务切换的速度。同 时，不同的任务相互阃通信时也就不必在不同的地址空间中拷贝数据，这也同时 提高了任务间通信的效率。 2 2 5s o s u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a , l o sa n g e l e s 的s o s l 6 j 也采用了动态重编程的思想，可 是实现在单个节点动态装卸代码模块。s o s 与t i n y o s 相比，虽然不能更换内核， 但因为可以通过使用模块升级，因为不需要节点重起和从额外的f l a s hm e m o r y 装 数据，所以实际上升级的能耗比t i n y o s 的x n p 要少。 s o s 有一个很小的内核，被静态的安置在w s n 节点中，其它系统部分和应用 组件作为模块被安置在节点中。模块是二进制代码，可以在运行时被动态的安装 到节点中。s o s 内核提供在运行时装载和移除模块的能力。同时提供大量的服务， 如动态存储定位，软件时钟，传感器管理和高层i o 接口等服务。 2 2 6c o n t i k i c o n t i k i 2 2 】曾经在家用电脑中上运行网络服务器和网络浏览器，目前在做基 于w s n 操作系统的开发。c o n t i k i 支持程序模块动态调入和替换，包括核心和可 装载程序两部分，前者包括操作系统内核、基础服务、编程语言运行时环境和支 持库，后者在运行时可以被动态装载或卸载。此外，该操作系统采用事件驱动的 内核，并以库的方式实现了抢先式多线程，支持运行在内核之上的基于线程的应 用在运行时重定位的方法实现升级和装入二进制代码，与s o s 的依赖位置的代码 完全相反，这样导致在s o s 与c o n t i k i 在低层设计就不相同。 1 0 第二章无线传感器网络概述 2 3 无线传感器网络应用领域 基于无线传感器网络的特点，无线传感器网络的应用领域应用领域与普通通 信网络有着显著的区别，主要包括以下几类： 军事应用。由于无线传感器网络特有的无需架设网络设施、快速展开、抗 毁性强等特点，是数字战场无线数据通信的首选技术，是军队在敌对区域 中获取情报的重要技术手段。能够监控我军兵力、装备和物资，监视冲突 区；侦察敌方地形和布防；定位攻击目标，评估损失；侦察和探测核、生 物和化学攻击。 环境监测。无线自组传感器网络可实现对森林火灾的监测。随机密布在森 林之中的传感器会协同合作在很短的时间内将火源的具体地点、火势的大 小等信息传给终端用户。传感器网络在环境方面的应用还包括：水土保持、 监视农作物灌溉情况、土壤空气情况、牲畜、家禽的环境状况、大面积的 地表监测和行星探测、气象和地理研究、洪水监测以及跟踪鸟类、小型动 物和昆虫对种群复杂度的研究等。石化、冶金行业对易燃、易爆、有毒物 质监测的成本直居高不下，w s n 在把部分操作人员从高危环境中解脱 出来的同时，提高险隋的反应精度和速度。 紧急和临时场合。在遭受地震、水灾、强热带风暴或遭受其他灾难打击的 地区，固定的通信网络设施可能被全部摧毁或无法正常工作，这时就需要 无线传感器网络这种不依赖任何固定网络设施、能快速布设的自组织网络 技术。边远或偏僻野外地区、植被不能破坏的自然保护区，无法采用固定 或预设的网络设施进行通信，也可以采用无线传感器网络来进行信号采集 与处理。无线传感器网络的快速展开和自组织特点，是这些场合通信的最 佳选择。 大型设备的监控。在一些大型设备中，需要对一些关键部件的技术参数进 行监控，以掌握设备的运行情况。在不便于安装有线传感器的情况下，均 可考虑无线传感器网络。如，目前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 0 台机器上的2 1 0 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。 卫生保健。可以在病人身上安装用于检测身体机能的传感器节点，如无线 心电图和脑电图等，这些信息汇总后，传送给医生，进行及时处理，为远 程医疗创造条件。还可以用于药品管理等。罗彻斯特大学的科学家使用无 电子科技大学硕士学位论文 线传感器创建了一个智能医疗房间，使用微尘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。如英特尔 公司推出的c e n t e rf o ra g i n gs e r v i c e st e c h n o l o g i 韶( c a s t ) ，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。并利用无线通信将 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 护理人员的负担洲。 空间探测。借助于无线传感器网络实现对星球表面大范围的、长时期、近 距离的监测和探索，包括对未知区域进行探测和对已知区域进行更加详细 的探测。避免由于单个探测器失效而带来整个探测任务的失败，是一种经 济可行的方案。 可以认为，上述介绍的应用中，大部分无线传感器节点部署在人员很难到达 和需要长时间守候的地方，对这样的应用环境，特别是面对需要对大量节点进行 配置或升级将很困难，以我国青藏高原铁道线路为例，由于铁路在高原环境，同 时铁路对冻土环境的影响到目前还没有完全认识，因此需要持续不断地对铁道沿 线进行长时间的检测，而这些地方大部分属于大片荒无人烟且高原缺氧环境，人 力检测非常困难，有关资料显示，青藏公路在5 4 6 公里的铁路上安装了7 8 个检测 站，可以随时监控各个地区冻土层的温度变化，这些检测站每天都会通过无线传 输系统将数据传到实验室，但环境信息均由人工检测，如果利用无线传感网络将 解决大量的人力物力，但对这样大的区域部署的节点通过传统的人力巡查和升级 将是几乎是不可能的事情，因此，支持可升级功能的节点就显得十分的必要了。 2 4 无线传感器网络技术的发展 传感器网络经历了连续四代的发展历程。第一代传感器网络出现在2 0 世纪7 0 年代，采用点对点传输将具有简单信息获取能力的传统传感器连接到传感控制器 构成传感器网络；第二代传感器网络具有获取多种信息的综合能力。采用串并接 口与传感控制器相联，构成具有综合多种信息能力的传感器网络；第三代传感器 网络出现在2 0 世纪9 0 年代后期和本世纪初，将可获取多种信息的智能传感器， 采用现场总线连接传感控制器以构成局域网络，成为智能化传感器网络。 目前以无线传感器网络为标志的第四代传感器网络正处于研究和开发阶段， 是一个受到广泛关注的热点研究领域。新的研究动向，主要体现在面向服务的无 1 2 第二章无线传感器网络概述 线传感器网络应用、无线传感器网格计算、无线传感器操作系统和面向无线传感 器网络的软件工程几方面。其中，在无线传感器操作系统研究的主要方向有资源 管理、体系结构、网络协议和路由算法以及新的软件参考结构、开发工具、测试 工具和开发方法和无线传感器网络中传感器软件、节点软件及网络应用的部署、 动态运行环境的适应能力研究和维护支持工具的开发等方向。 2 5 本章小结 本章简单地描述了无线传感器网络的概况，分别对多种无线传感器网络操作 系统和应用领域进行了描述。这些操作系统设计思路各有特色，有基于有限状态 机设计的s c a o $ ，有将模块化设计的s o s ，有经典的t i n y o s 等各种操作系统。由 于操作系统的结构决定了节点是否支持在线升级的功能。因此，本章通过对多种 操作系统进行分析，为在线升级的系统设计提供设计依据。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 在线升级概述 第三章w s n 在线升级研究 在线升级的主要目标就是允许节点能够被引入和移出无线传感网络而不影响 现有的运行。w s n 的在线升级指：由s i n k 节点发起的，通过无线收发装置，以 多跳的方式，向网络中的传感器节点注入程序代码( 应用程序或系统模块) 或配 置参数，节点用新代码替换旧代码并运行新代码( 即执行新的任务) 的过程。其 中，程序代码和配置参数既可以是代码映像( 即可执行的二进制代码) 、虚拟机代 码、也可是脚本语言代码等形式，这主要由代码分发协议和传感器网络操作系统 支持的代码更新模式决定。根据在线升级的范围，可分为完整代码的更新和基于 差异的更新。前者是将可执行的新代码分发给节点，后者是将描述新旧代码差异 的脚本分发给节点。两者的主要区别在于：前者数据量较大，后者的数据量小； 前者更新模式较简单，但模式较复杂。 支持w s n 的远程配置和在线升级的机制目前有很多种类，可以分为三个层次 进行研究：一、在操作系统层次，既从操作系统本身的结构和运行模式上研究w s n 的远程配置和在线升级。t m y o s 由于支持将完整的代码映像进行升级，因此其灵 活性也是最大的。二、中间件，既在操作系统和应用层之间提供远程配置和在线 升级的操作实施、虚拟机代码或协议实现等功能。如虚拟机提供更有效率的方式 实现在应用层功能的升级，但虚拟机的脚本功能的有限性，限制了升级的灵活性。 三、协议，既更新代码在w s n 中的发布协议的研究，主要解决升级代码如何在网 络节点中传送的问题。本文主要研究节点如何在运行期间执行新的节点程序代码 替换和操作系统模块，并实现运行时进行新代码( 即执行新的任务) 切换机制的 研究。 在w s n 资源受限的情况下，需要尽可能的减少能量消耗就是需要研究的内 容。节约能量可以从几个方面进行研究，如减少运行时间，如计算量、减少重起、 部分升级和数据量压缩等。而这些方面和操作系统的结构是密切相关的。 而w s n 的动态配置和升级要求系统在运行中，既可以通过外部传输新的功能 模块，又可以或自动的进行配置的更新，或根据应用需要获取新的配置。虽然静 态配置在运行时效率比较高，结构耦合度高，但在没有动态配置灵活。静态配置 1 4 第三章w s n 在线升级研究 也可能会限制对运行时的状态了解。比如，支持动态配置的系统可以方便内存管 理系统在运行时获取页的使用率，从而改变页面置换策略，减少页面置换开销。 由于嵌入式操作系统的局限性，如内存限制和实时性的需要，妨碍了很多动态可 配置的操作系统在嵌入式系统中使用。因此，考虑w s n 的动态配置和升级的需求 需要考虑以下几个方面： 1 ) 由于采用动态配置的操作系统可以更灵活的管理系统资源，因此系统应该 允许底层资源管理的配置。提高系统的灵活性。 2 ) 由于w s n 的资源受到很多方面的限制，因此w s n 操作系统必须考虑系 统运行开销最少化。 3 1 一般w s n 系统使用的芯片没有内存管理单元m m u ，没有虚拟内存的时 候，内存占用( m e m o r yf o o t p r i n t ) 必须很小，特别是动态配置不应该占用 太多的空间。甚至可以考虑系统不需要m m u 的设计。 4 1 远程配置过程应该足够的快，减少w s n 节点的能量开销。 5 ) 引入的动态配置机制将对系统的实时性不造成太大影响。 从目前支持升级的方式有两类，一类采用虚拟机、脚本语言，另一类采用 3 2 操作系统层面支持的在线升级技术 传统的在线升级的解决方法一般基于资源较多的设备，如l i n u x 的可载模块虽 然可以在运行时支持复杂的符号连接，虽然效率高，但开销比较大。动态配置有 以下几个方面的限制：由于复杂的代码结构导致的执行时间限制，或者灵活性受 限。 在操作系统层次实现在线升级的方式要有三种模式： 1 、静态升级：通过编译或链接时完成，操作系统由组件构成，最后被组装成 新的版本的操作系统。 2 、动态升级：在运行时完成升级或配置，或通过外部输入，如用户端的输入， 或根据应用自动进行，但配置完成后，需要系统重新启动完成应用程序的加载。 3 、运行时升级：在运行时完成升级，并立即完成应用程序加载，且不需要系 统的重新启动。 静态升级在运行时系统效率比较高，但不利于w s n 节点进行升级。动态升级 显然更加灵活，能够在进行远程配置和升级，但因为需要重新启动或全部映像文 件进行升级，因此在能耗较大。支持运行时升级的操作系统在节能上很有优势， 电子科技大学硕士学位论文 同时便于远程控制，因此本文设计的体系将支持操作系统在运行时进行升级。 动态和运行时的在线升级，有三种解决方式，第一、进行全映像文件