（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络的研究.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 无线传感器网络的研究 专业：计算机应用技术 硕士生：张琼 指导老师：武雏善 摘要 无线传感器网络是由大量的微小节点通过无线通信技术组成的自组织网络。传 感器网络集数据的采集、传输、融合分析于一体，是信息技术的一个新领域。 本文以智能无线传感器网络关键技术研究为背景。根据无线传感器网络的能源 与资源的有限和实时性的特点，以延长网络的生命周期为目标，进行了操作系统 与路由协议的研究与实现。 首先，介绍了无线传感器网络的应用前景和研究现状、体系结构和特点。 其次，为了高效地组织和管理硬件资源，满足不同传感器网络应用在功能和性 能方面的特殊需求，分析了现有单任务t i n y o s 操作系统，针对t i n y o s 的局限性， 设计并实现了应用于无线传感器网络的多任务操作系统m i n i o s ； 最后，分析并对比了现有网络的路由协议，以无线传感器网络是一种以应用为 导向的网络为依据，从无线传感器网络的业务数据特征的角度，而不是从传统网络 的路由协议设计的角度，实现了基于内容的无线传感器网络的路由协议c b p 。 关键词：无线传感器网络；a d h o c ；m i n i o s ；基于内容的路由协议( c b p ) r e s e a r c ho fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n & t e c h n o l o g y n a m e ： z h a n gq i o n g i n s t r u c t o r ：w uw e i s h a n 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 ki sak i n do fs e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k ，w h i c hi sc o m p o s e d o fm a n ys m a l ln o d e sw i r e db yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s t h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kc a np i c ku pd a t a ，t r a n s f o r md a t aa n dp r o c e s sd a t a i ti san e wf i e l do f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h i st h e s i si sb a s e do ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fs m a r tw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , w h i c ha r es c a r c ee n e r g y s o u r c e ，l i m i t e dr e s o u r c e sa n dr e a lt i m ep r o c e s s i n g ，t h eg o a lo fo u rw o r ki st op r o l o n g l i f e c y c l eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k w ed i s c u s sa n di m p l e m e n to sa n dr o u t ep r o t o c o l f o rw i r e l e s ss e b $ o rn e t w o r k f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ef o r e g r o u n do fa p p l i c a t i o n sa n dt h i n g so ft h e r e s e a r c h ，s y s t e ma r c h i t e c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so f w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s e c o n d l y ，t h ea i n l sa r et oo r g a n i z ea n dm a n a g ee f f e c t i v e l yh a r d w a r er e s o u r c e s ，a n d t om e e td i f f e r e n tf u n c t i o n sa n da p p l i c a t i o n so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k i ta n a l y z e s s i n g l e - t a s ko p e r a t i n gs y s t e mt i n y o si np a p e r a i m i n ga td e f e c t so ft i n y o s ，m u l t i t a s k o p e r a t i n gs y s t e mm i m o sf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di n p a p e r t h i r d l y , i ta n a l y z e sa n dc o n t r a s t sc u r r e n te x i s t i n gn e t w o r kr o u t ep r o t o c o l s t r a d i t i o n a lr o u t ep r o t o c o l sa r ed e s i g n e df o rg e n e r a ld a t at r a n s m i s s i o n b e c a u s ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r ki san e t w o r kf o rs p e c i a lp u r p o s e ，f r o mt h ev i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i co f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kd a t af l o w , ac o n t e n t b a s e dp r o t o c o l ( c b p ) o fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ki sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ； a dh o c ； m i n i o s c o n t e n t - b a s e dp r o t o c o l ( c b p ) i i 声明 本人郑重声明我所里交的论文是我个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，也不包含本人或其他人在其它单位 已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的 所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 瓷文作者虢弗寺、导师躲约娩嘲俨”， 注：请将此页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 研究背景和目的 第一章绪论 传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别完 成对被测量对象的信息提取、信息传输及信息处理。目前，信息传输与处理技术已 取得突破性进展，随着微电子技术的高速发展和工艺的日益成熟，传感器也朝着集 成化、微型化、智能化的方向发展。在实际应用中，很多数据采集系统具有采集 范围大、采集点众多、布线困难等特点，传统的传感器通过总线方式组成网络， 很难满足这种应用要求。于是，融合了以上三大技术的无线传感器网络( w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k ) 应用而生。无线传感器网络是由大量传感器节点通过无线通信技 术组成的自组织网络。传感器网络集数据的采集、传输、融合分析于一体，是信 息技术的一个新领域，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。 最早的传感器网络出现在上世纪七十年代，将传统传感器采用点对点传输、连 接传感控制器而构成传感器网络，我们称之为第一代传感器网络。随着传感器技 术以及计算机技术的发展，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处 理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网 络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感 器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无 线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。 无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络，最早的代表性论述出现在1 9 9 9 年，题为“传感器走向无线时代”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提 出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2 0 0 3 年，美国技术评论 杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同 年，美国商业周刊未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列 入其中。美国今日防务杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起一 场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。2 0 0 4 年( ( i e e es p e c t r u m ) ) 杂志发表 西安建筑科技大学硕士学位论文 一期专集传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以 预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来 极大的影响和产生巨大的推动。 目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域： 1 环境的监测和保护 随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越 多，无线传感器网络的出现为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。无线传感器网络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。 在美国，拥有两百多个节点的无线传感器网络已被部署在旧金山的金门大桥。 这些传感器节点用于确定大桥从一边到另一边的摆动距离，精度在几英尺之内。 当传感器节点检测出移动距离时，它将把该位移数据通过传感器网络中的网关传 递到i n t e m e t ，位移数据最后到达一台数据处理机进行分析。任何与当前天气情况 不吻合的异常数据都可能预示着大桥存在隐患。系统将根据这一信息通知工程师 对其进行修缮，以确保桥梁始终处于安全状态。 2 医疗护理 无线传感器网络也可以应用在医疗研究、护理领域。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，使用无线传感器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。该技术是作为探讨应对老龄化社会的技 术项目c e n t e rf o r a g i n gs e r v i c e st e c h n o l o g i 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。英特尔主管预防性 健康保险研究的董事e r i cd i s h r n a n 称：“在开发家庭用护理技术方面，无线传感器 网络是非常有前途的领域”。 3 军事领域 由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣 的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 方面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能 尘埃”传感器技术的研发。 4 工业控制及监测 现代化的生产车间以及厂房、仓库都需要对温度、压力、以及其他跟设备有关 的数据进行监洲，利用无线传感器网络可以有效降低成本，提高系统的可靠性。 在一些特殊的工业场合如矿井、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。 英特尔正在对工厂中的个无线网络进行测试，该网络由4 0 个传感器节点上的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。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。 很多国外科研机构以及企业都在研究无线传感器网络，其研究的热点、难点 包括：设计小型化的节点设各；开发适合传感器节点的嵌入式实时操作系统；无 线传感器网络体系结构及各层协议；时问同步机制与算法；网络节点的自身定位 算法和以其为基础的外部目标定位算法等。 本文参考目前国内外关于无线传感器网络的最新的资料，较全面地阐述了无线 传感器网络的体系结构，无线传感器各层网络协议，以及传感器节点的软硬件结 构；在现有成熟传感器节点上实现了多任务操作系统，以及一种基于内容的网络 协议c b p 。为进一步研究无线传感器网络安全技术，节点定位技术等应用层提供 基础平台。 1 2 国内外的研究和应用现状 1 9 9 8 年，u c l a 和r o c k w e l l 研究中心在d a r p a 支持下进行的w i n s ( w i r e l e s s i n t e g r a t e ds e n s o rn e t w o r k ) 是传感器网络研究的开端，其主要目的是为嵌入仪器、 设备和环境中的传感器、执行机构和处理器构建一个分布式网络环境，提供i n t e r n e t 的访问能力a 之后，叉相继出现了一些新的演示系统，比如s m a r td u s t ，它主要强 调利用m e m s 技术设计微型化的传感器节点，总体积约1 0 0 立方毫米的节点完全有 可能像尘埃一样悬浮在空气中。u cb e r k e l e y 的m a c r om o t e s 在形如硬币大小的节 点中配置了温度、湿度、压力、磁场等多种传感器，在车辆跟踪、动物学家关丁二 水鸟活动的研究中都非产成功。目前研究者正在此基础e 进行项称为“人造智 水鸟活动的研究中都非产成功。目前研究名正在此基础上进行项称为“人造智 1 西安建筑科技大学硕士学位论文 能昆虫”的研究计划，目的是为节点增加在空中自由移动的能力【l 】。 n a s a 的j p l ( j e tp r o p u l s i o nl a b ) 实验室研制的s e n s o rw e b s 是为将来的火星 探测进行技术准备的，目前正在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测 试和完善。2 0 0 0 年，美国国防部把s m a r ts e n s o rw e b 定为国防部科学技术五个尖 端领域之一。s m a r ts e n s o rw e b 的基本思想是在整个作战空间中放置大量的传感器 节点，来收集、传递信息，并且将信息汇集到融合点，在那里综合成一张图片， 并分发到需要该信息的作战者。 美国陆军近几年来连续启动了一系列研究计划，探索传感器网络在未来战争中 的应用。d a p a r 资助的s e n s l t ( s e n s o ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 项目，通过部署 在战场的不同种类的传感器组成的传感器网络，使士兵可迅速全面地获得战场实 况信息。该网络无需任何基础设计，具有自组织、自配置特点，能动态适应设各 的失效和老化，可管理传感器节点的移动，并对任务和网络需求做出反应。 美国海军研究局还资助了由国家航空航天局实施的d a d s ( d e p l o y a b l e a u t o n o m o u sd i s t r i b u t e ds y s t e m ) 项目，旨在开发可在近海水域部署的水下无线传 感器网络，利用多传感器数据融合技术，监测水下的敌军潜艇活动情况，并引导 攻击敌军目标。 此外，2 0 0 2 年5 月，美国s a n d i a 国家实验室与美国能源部合作，共同研究能 够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策的 系统。该研究属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环。该系统融检测有毒气体 的化学传感器和网络技术于一体。当安装在车站的传感器一旦检测到某种有害物 质，就会自动向管理中心通报，自动进行引导旅客避难的广播，并封锁有关入口 等。 在民用方面，i n t e l 和m i c r o s o f t 等大公司也开始关注传感器网络方面的研究工 作，纷纷设立或启动相应的行动计划。比如，2 0 0 2 年l o 月2 4 日，i n t e l 公司发布 了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。今后，i n t e l 将致力于微型传感 器网络在预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域的 应用。实现该计划需要三个阶段，即“物理阶段”，“实现阶段”和“应用阶段”。 物理阶段主要开发集成了感知、计算和通信功能的超微型传感器。实现阶段将在 实际商务中使用来自传感器网络的信息。应用阶段将会应用传感器网络于预防医 西安建筑科技大学硕士学位论文 一一一 学、环境监测及灾害对策等领域。i n t d 研究中心伯克利实验室的研究人员计划已 经开始部署和使用无线传感器网络来研究岛上环境，使用这些设备，科学家们可 以在不干扰野生动植物正常生活的情况下监视他们以及其周围的生存环境。 在国内，一些大学和科研机构的研究人员已开始关注这一全新的网络技术，但 还没相关的正式研究计划启动。 近年来，无线传感器网络的研究进展十分迅速，取得了较为丰富的研究成果。 特别是进入2 l 世纪后，对无线传感器网络的核心问题有了许多新颖的解决方案和 思想。但是，这个领域的研究从总体上说尚处于一个起步的阶段，已有的研究工 作正在为该领域提出越来越多需要解决的问题。 尽管无线传感器网络目前仍处于初步应用阶段，但在未来l o 年内随着各个关 键问题的解决以及传感器节点价格的逐步下降，无线传感器网络将得到广泛应用。 c r o s s b o w t e c h n o l o g i e s 是首家提供商用无线传感器网络的公司。他们的最新一代设 备具备微处理器、内存、存储以及一个内部模数变转换器，均集成于一个只有原 设备四分之一大小的设备中。这些传感器节点可用于探测加速度、磁力、光、温 度、以及其他因素。 本论文以_ =“智能传感器网络基础平台”专 题为背景，研究符合传感器节点要求的操作系统及其实现；研究低功耗无线传感 器网络协议。本人主要负责操作系统的设计及其部分操作系统以及网络协议的编 码。 1 3 论文的研究工作 本论文的研究和工作主要集中在以下四个方面： 1 无线传感器网络的整体结构。 2 现有无线传感器网络协议。 3 依据无线传感器网络的特点，分析现有的t i n y o s 系统，针对t i n y o s 的缺点 设计并实现出适用于无线传感器节点的多任务操作系统m i n i o s ，操作系 统受到内存以及其他硬件资源的限制；同时要考虑到节点的节能。 西安建筑科技大学硕士学位论文 4 以延长网络生命周期为核心，探讨资源受限条件下，适应无线传感器网络 特点和部署要求的高效微型网络协议，实现了一种简单、节能的网络协议 基于内容的路由协议c b p 。 1 4 论文的组织结构 论文第一章为绪论，第二章讨论无线传感器网络的整体结构；第三章设计并实 现了基于成熟传感器节点的嵌入式操作系统m i n i o s ：第四章对比了现有的几种无 线传感器网络协议，着重讨论一种全新的基于内容的路由协议c b p 协议及其实现。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络结构 2 1 无线传感器网络的概念 无线传感器网络的定义如下：无线传感器网络是由众多传感器节点以a dh o c ( 移动自组网、多跳网络) 方式构成的无线网络。其目的是感知、采集和转发网 络覆盖的地理区域中感知对象的各种信息，并发送给观测者。根据以上定义，传感 器节点、感知对象和观测者是无线传感器网络的3 个组成部分；无线网络是传感 器之间、传感器节点与观测者之间的通信基础，用于在传感器与观测者之间建立通 信路径；协作地感知、采集、处理、发送感知信息是传感器网络的基本功能。一 组功能有限的传感器节点协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。传 感器网络中的部分或全部节点可以移动。传感器网络的拓扑结构也会随着节点的 移动而不断地动态变化。节点间以a dh o e 方式进行通信，每个节点都可以充当路 由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。下面，我们 详细地来讨论传感器节点、感知对象和观测者( 2 】。 传感器节点由电源、传感器元器件、处理器c p u 、存储器、通信部件和软件 这几部分构成。电源为传感器提供正常工作所必需的能源。传感器元器件用于感 知、获取外界的信息，并通过a d 转换器将其转换为数字信号。处理部件负责协 调节点各部分的工作，如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存，控制传感 器元器件和电源的工作模式等。通信部件负责与其他传感器或观测者的通信。软 件则为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、网络协议栈等。 观测者是传感器网络的用户，是感知信息的接受和应用者。观测者可以是人， 也可以是计算机或其他设备。例如，军队指挥官可以是传感器网络的观测者；一个 由飞机携带的移动计算机也可以是传感器网络的观测者。一个传感器网络可以有 多个观测者。一个观测者也可以是多个传感器网络的用户。观测者可以主动地查 询或收集传感器网络的感知信息，也可以被动地接收传感器网络发布的信息。观测 者将对感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策，或对感知对象采取相应的行动。 西安建筑科技大学硕士学位论文 对象是观测者感兴趣的监测目标，也是传感器网络的感知对象，如坦克、军队、动 物、有害气体等。感知对象一般通过表示物理现象、化学现象或其他现象的数字 量来表征，如温度、湿度等。一个传感器网络可以感知网络分布区域内的多个对象， 一个对象也可以被多个传感器网络所感知。 2 2 无线传感器网络整体构成 无线传感器节点是任意分布在被检测区域的，一般环境中采用人工埋置的方 法，这样可以保证节点的大体均匀分布；在危险区域或者不方便人工埋置的情况 下，可以采用飞机投放，炮弹弹射等方法。 当传感器节点部署完成后，所有传感器节点以自组织形式构成网络，在每个节 点构建路由信息，以使每个节点都可以与网络中的其他节点通讯。在这些节点中， 有少数几个节点被称为基站( b a s es t a t i o n ) 或者s i n k 节点，s i n k 节点起网关的作 用，它将传感器节点发送来的采集数据发送给观测者，发送的方式可以采用 i n t e r n e t 、卫星通信等；同时将观测者的控制命令发送给各个传感器节点。s i n k 节 点必须在传感器网络的覆盖范围之内，用户的控制终端可以在任何地域范围内。 监控【美域传感器节点 图2 1 无线传感器网络构成1 3 1 根据节点规模的大小，传感器网络结构可分成两种：平面结构和聚类分层结构。 当网络的规模较小时，可以采用简单的平面式结构，“智能尘埃”目前就是使用的 平面式结构：而当网络的规模增大时，就必须使用聚类分层结构。 平面结构的网络中所有节点的地位是平等的，也称作对等式结构。在这种结构 中，每个节点可以和无线通信半径范围内的所有节点通信，因而容错性比较高， r 西安建筑科技大学硕士学位论文 少数节点的失效不会影响网络的正常工作。但是这种结构的缺点是每个节点必须 维护庞大的路由记录，以保证数据可以发送到网络中的每个节点，同时，维护这 些路由信息也要占用有限的网络带宽。 如果网络规模太大，可以采用聚类分层的管理模式，如下图所示【4 】： 图2 2 以簇为单位的无线传感器网络 聚类分层结构中，网络由若干簇( c l u s t e r ) 组成，每个簇包括一个簇头( c l u s t e r h e a d ) 和多个簇成员( c l u s t e rm e m b e r ) ，这些簇头相互通信构成高一级的网络， 簇头结点负责簇问数据的转发，它可以预先指定，也可以由结点使用分簇算法自 动选举产生。在分级结构的网络中，簇成员的功能比较简单，不需要维护复杂的 路由信息，这大大减少了网络中路由控制信息的数量，因此具有很好的可扩充性。 由于簇头结点可以随时选举产生，分级结构也具有很强的容错性。分级结构的缺 点是：维护分级结构需要结点执行分簇算法，簇头结点可能会成为网络的瓶颈。 具体的分簇算法有最小节点i d 分簇算法、考虑能量耗费和稳定度的分簇算法、自 适应按需加权的分簇算法( a o w ) 、限制簇尺寸的分簇算法等等，必须按照系统本 身具体的需要进行选取与设计。 2 3 无线传感器节点的硬件结构 根据不同的应用，无线传感器节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据 处理、数据发送和电源这4 部分组成。数据采集单元包括各种传感器，根据实际 需要采集物理量的形式，采用不同类型的传感器；传感器的选择标准基于精度与 西安建筑科技大学硕士学位论文 功耗的折中。根据不同的应用，有些传感器是暂时不用的，为了达到节能的目的， 系统硬件采用多路数字开关阵列控制各个传感器的电源，这样在应用软件中可以 灵活控制不同传感器的开关。处理器可以采用通用嵌入式c p u ，比如a r m 公司的 a r m 7 等，但是随着单片机运算速度的提高以及功能的扩充，以及出于降低功耗和 节约成本的考虑，现有节点的硬件一般都采用一些高性能的单片机，比如a t m e l 公司的a v r 单片机。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成， 比如c h i p c o n 公司的c c l 0 0 0 等i ”。 在实际应用中，传感器的体积越小越好，功能越强大越好，然而这两者是互相 制约的。很明显，为了实现一定的功能而缩小体积是硬件设计的最大挑战。“智能 尘埃”的最终目标是将传感器集成到与尘埃大小相同的体积上，甚至可以利用传 感器所处环境提供能量。然而在目前阶段，处于原型开发与试验阶段的传感器体 积都还有火柴盒的大小。 2 4 无线传感器网络的软件结构 很多因素影响传感器网络节点的软件结构。软件结构跟系统的硬件资源有关， 如果节点m c u 采用低端单片机，其内存可能在5 1 2 字节以内，这样很难实现一种 操作系统来管理硬件资源，其软件结构可能就是单层结构。软件结构跟系统的应 用有关，如果每个节点始终执行单一的任务，为了节省系统有限的内存空间供用 户使用，可以去掉操作系统的任务调度器。 图2 3 所示是从通用意义上对传感器节点软件结构的描述： 匿委夔受耍圈! 主至夔夏蜜蔓叠 匿主。：二：。一塞璧篁蔓翌篓蔓窒：兰二： ：，； ；j + j 茉统砸释i； 图2 3 传感器节点软件结构 操作系统层基于传感器节点硬件环境，以多任务调度为核心，合理管理系统的 软、硬件资源，如传感器元器件、处理器输入输出、存储器、无线收发器等。操 西安建筑科技大学硕士学位论文 作系统层完成的功能包括检测感知对象、采集对象的信息、多跳传输感知信息以 及初步的信息处理。在传感器节点软件结构中，操作系统是对系统硬件的封装， 向网络层、数据管理层、以及应用层提供程序接口。 网络层以通信网络为核心，实现传感器与传感器、传感器与观测者之间的通信， 支持多传感器协作完成大型感知任务。网络层包括通信网络、支持网络通信的各 种协议和软、硬件资源。 数据管理与处理层以传感器数据管理与处理软件为核心，包括支持感知数据的 采集、标定、存储、查询、分析、挖掘等各种数据管理和分析处理软件系统，有 效地支持感知数据的存储、查询、分析和挖掘，为用户决策提供有效的支持。由于 受到节点硬件存储容量的限制，现有的传感器节点软件系统没有实现本层，而是 将本层的功能在s i n k 节点上或者远程主机上实现。一般s i n k 节点比其他节点有更 强的处理能力，或者拥有更多的能源，所以在s i n k 节点上实现数据处理是目前采 用的方法之一。 应用开发环境层为用户能够在操作系统层、网络层和数据管理与处理层的基础 上开发各种传感器网络应用软件提供有效的软件开发环境和软件工具。传感器网 络节点的开发都是在宿主机如p c 上进行，应用开发环境提供软件编译、连接、和 代码下载的功能。 应用层由各种传感器网络应用软件系统构成。 2 5 无线传摩器网络的节能 无线传感器网络通常运行在人无法接近的恶劣，甚至危险的远程环境中，能源 无法替代。网络中的节点一般采用电池供电，- i 口a 使用的电量非常有限，但是无 线传感器网络的生存时间却要求长达数月甚至数年，设计有效的策略延长网络的 生命周期成了传感器网络的核心问题。 2 5 1 节点能耗分析 根据传感器节点的硬件结构，传感器节点硬件由数据处理单元、数据采集单元、 数据收发单元构成，以下分别分析各部分的功耗。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 数据处理单元( 6 】 m c u 的选择会对节点的电池消耗带来很大的影响，比如，i n t e l 的s t r o n ga r m 常用于高端领域，在执行指令时功耗达到4 0 0 m w ，而a t m e g a l 2 8 la v r 的功耗就 只有2 4 r o w ，不过提供的性能也要弱的多。出于电源管理的目的，m c u 通常有活 跃、节能、空闲和睡眠等多种运行模式，每种模式有不同的电源消耗。比如， a t m e g a l 2 8 l 在活跃是功耗为2 4 m w ，在休眠时功耗为0 5 m w 。因此，不同的操 作模式、模式之间的切换和m c u 在每种模式的时长对整个节点的能量消耗有很大 的影响。 2 数据收发单元 影响无线收发电路功耗的因素很多，包括节点采用的调制模式、数据率、发射 功率和操作周期等。通常，无线收发电路可以工作在四种状态，即发送、接收、 空闲和睡眠状态。例如c c l 0 0 0 收发模块在接收状态时功耗为2 1r n w ，当处于1 0 分贝的发送状态时功耗为7 m w 。 3 数据采集单元 传感器节点上一般带有很多不同类型的传感器，根据不同的应用，一般情况下 只关心其中几个传感器的数据，其他的传感器是闲置的，但是它们也消耗能量。 所以在硬件设计阶段需要考虑采用硬件方式使闲置的传感器处于断电状态。 2 5 2 节点的节能方法 1 单个节点的节能优化 除了在节点设计中采用低功耗硬件之外，通过动态电源管理( d y n a m i cp o w e r m a n a g e m e n t ，d p m ) 等技术使系统各个部分都运行在节能模式下也可以节约大量的 能量。最常用的电源管理策略是关闭空闲模块，在这种状态下，无线传感器节点 或其一部分将被关闭或者处于低功耗状态，直到有感兴趣的事件发生。d p m 技术 的核心问题是状态调度策略，因为不同的状态有不同的功耗特征。 在操作系统中进行动态电源管理是最合适的，因为操作系统可以获取所有应用 程序的性能需求并能直接控制底层硬件资源，从而在性能和能耗控制之间进行必 要的折衷。操作系统的核心是任务调度器，负责调度给定的任务集合使其满足各 自的时间和性能需求，通过在任务调度中考虑节能闯题可，系统生存时间可得到 1 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 明显的延长。 传感器节点除了发送自身感知的数据之外，每个无线传感器节点又都是路由 器，需要为其它节点转发报文。在典型的无线传感器网络环境下，无线传感器节 点接收的大部分报文需要转发给其它节点。通常情况下，无线传感器节点将协议 处理功能交由m c u 执行。这样，不管其最终目的地是哪里，每个接收到的报文都 会经过相同的处理步骤到达计算子系统并得到处理，导致不必要的能耗开销。利 用智能无线收发系统，需要转发的报文可以直接在通信子系统标识和转发，甚至 在计算子系统处于睡眠状态时也能正常工作。 2 网络层的节能 对整个无线传感器网络而言，需要从全局上考虑如何将流量从数据源传递到目 的地，这里的重要问题是如何在源和目的地之间找到一条节能的多跳路由。节能 路由是在普通的路由协议基础上，考虑相关的能耗因素，引入新的与电源消耗有 关的衡量指标，实现能耗的节约，这方面已经有很多研究成果。 比如，最简单的节能路由协议是最少能量路由，即寻找一条能耗最低的路由， 通过它传送数据。但这样未必能延长网络的生存时间，因为某些处于关键位置的 节点可能被过度使用而导致电源过早耗尽。为避免这种情况，最大最小路由使得 节点的剩余电量尽可能多，即最大化节点的最小剩余电量。最大最小路由更多的 考虑了电池的剩余电量，而最少能量路由考虑的是某次通信需要消耗的电量，一 个很自然的改进思路是可以将两种方法结合起来，定义一个电源开销函数，综合 考虑两种策略啊【8 】 9 】。 在无线传感器网络的研究初期，人们曾经认为成熟的i n t e r n e t 技术加上a d h o c 路由机制对无线传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明，无线传感 器网络与传统无线网络有着明显不同的技术要求。i n t e m e t 可能出现节点的失效以 及链路的阻塞，但是不需要考虑无线的情况：a dh o e 网络偏重于节点移动性的相 关处理。 2 6 无线传感器网络的特点 无线传感器网络的基本特点包括以下几个方面： 1 节点数量众多，随机撒布，稠密布置。 1 3 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 节点能源受限。一般节点采用电池供电，能源非常有限，必须采用节能计 算和节能通信。 3 4 5 节点通信能力和计算能力有限，存储器容量有限。节点的计算能力非常有 限，所以不可能实现复杂的网络协议；节点之间的带宽也是非常珍贵的资 源。 节点状态不稳定，要求网络有很强的容错和恢复能力。 节点间通信主要采用广播方式，节点具备初步的数据处理和数据融合能 力。 节点不存在全局的节点标识。 节点数量众多，随机撒布，稠密布置。 节点能源受限。一般节点采用电池供电，能源非常有限，必须采用节能计 算和节能通信。 9 节点通信能力和计算能力有限，存储器容量有限。节点的计算能力非常有 限，所以不可能实现复杂的网络协议；节点之间的带宽也是非常珍贵的资 源。 1 0 节点状态不稳定，要求网络有很强的容错和恢复能力。 1 1 节点间通信主要采用广播方式，节点具备初步的数据处理和数据融合能 力。 从以上特点可以看出，无线传感器网络协议设计的侧重点不同于a dh o c 网络 协议，资源受限是传感器网络的主要特征，这样现有的i n t e r n e t 协议也不适合无线 传感器网络。 小结 无线传感器网络是一种全新的网络，其网络结构完全不同于现有i n t e r n e t 网 络结构。无线传感器网络是以大范围多种信息采集为目的，以节能为研究核心的 网络体系结构。从网络协议的算法，到硬件元器件的选择，直到操作系统软件的 算法，都体现了节能的思想。 作为极具潜力的一种技术，无线传感器网络在未来几年必将得到广泛的应用， 而由于节能在无线传感器网络设计中所处的核心地位，节能技术水平将伴随着无 1 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 线传感器网络的发展而不断提高。未来，节能技术的研究将迸一步与无线传感器 网络的特定应用联系起来，针对不同应用进行专门的优化。同时，软硬件整合设 计、跨层网络协议设计等一体化节能设计思路将得到广泛应用。 西安建筑科技大学硕士学位论文 第三章嵌入式操作系统设计 任何操作系统的功能都是对系统硬件进行抽象，隐藏底层硬件的特性和操作规 程，为上层应用提供方便的硬件操作接口；为相互竞争的程序提供有序的设备分 配。 在一个系统上是否采用操作系统取决于以下方面： 1 系统的存储容量与运算能力是否允许采用操作系统。操作系统在运行过程 中需要占用一定的r a m 和外部存储器，如果系统的存储容量太小，采用 操作系统将占用绝大部分的存储空间；如果操作系统的运行本身就占用了 处理器大部分运算时间，同样不宜采用操作系统。 2 硬件的控制是否足够复杂。非常简单的控制没有必要添加操作系统；如果 系统存在并发的操作，最好采用操作系统管理各个任务。 3 权衡应用与操作系统的工作量。操作系统为应用提供一种通用的平台，如 果系统只有少数几种应用，开发操作系统的工作量远远大于开发应用的工 作量，应该直接在硬件基础上开发应用。 分析传感器节点的硬件结构，以及在节点上的主要任务，能够得到研究开发操 作系统的必要性和可行性【1 0 1 1 1 1 。 3 1 传感器节点硬件组成 无线传感器节点由4 部分组成： 1 数据处理单元 数据处理单元用于数据的运算，存储。其核心任务包括：从数据采集单元中获 取各种数据，对数据进行标定；对数据收发单元进行初始化及其参数设置，以及 收发数据流程的控制。 2 电源及其数字电源开关 电源一般采用普通电池作为系统供电电源；数字电源开关的目的是能够在c p u 的控制下动态地关闭某些暂时不用的传感器，从而在数据采集单元中达到最优的 西安建筑科技大学硕士学位论文 节能效果。 3 数据采集单元 包括各种传感器，当用户需要得到某个传感器数据时，应用程序通过操作系统 打开相应传感器的电源开关，使传感器处于工作状态：传感器采集的模拟数据通 过a d 转换，到达数据处理单元。 4 数据收发单元 以无线收发器为核心，受数据处理单元的控制。在发送数据时，将数据寄存器 中的数据进行调制之后发送；其他时间处于监听状态，准备接受传入数据。 图3 1 无线传感器节点硬件结构 3 2 传感器节点的任务 传感器网络中，节点的任务主要包括两个方面：数据采集和数据转发。 数据采集指传感器网络的用户指定需要采集数据的类型以及采样频率，数据采 集单元在数据处理单元的控制下采集环境中的数据。数据的采集过程，用户对每 种数据的采集可能是独立进行的，采用不同的频率，具有异步特性。数据的转发 是指节点接收到网络中l 临近节点的数据，这些数据需要通过本节点的转发最终到 达目的节点。 数据的采集与数据的转发是并发进行的。有研究表明，在大型传感器网络中， 节点发送的数据中有6 5 是转发其他节点的，3 5 9 是节a 本身产生的。网络协议 决定数据的转发策略。 传感器网络节点c p u 的选择受到功耗和成本的制约，般采用低功耗高端微 17 西安建筑科技大学硕士学位论文 控制器，微控制器的内存空间比p c 的内存空间小若干数量级，目前微控制器r a m 的大小在5 0 k 以内，但是随着微控制器的发展，r a m 空间会不断增大。就目前而 言，在5 0 k 的r a m 空间实现简单的多任务管理是可行的。 微控制器的发展要求软件系统对日益丰富的硬件资源提供有效、合理的管理； 传感器的多样化决定了节点的采集单元需要处理多种数据。传感器节点需要处理 的任务具有并发、异步的特点。无论是在节点硬件管理方面，还是在传感器的任 务管理方面，研究开发一种通用的多任务操作系统都是必要的，同时也是可行的。 3 3 传感器节点操作系统特点 在能源没有解决之前，节能一直是无线传感器网络研究的核心问题，不论是硬 件设计、网络协议、直到软件算法都以降低功耗为目的。适合传感器节点的操作 系统也必须在节能上达到最佳优化，具体通过两个途径实现：硬件节能支持和软 件节能计算。 1 硬件节能支持 低功耗c p u 可以支持多种节能模式。在节能模式下，c p u 可以关闭内部模块 达到节能目的；数据采集部件可以通过采用模拟开关矩阵方法节能，适合传感器 节点的操作系统应该能够根据运行任务的情况动态控制c p u 的节能模式，动态控 制各个传感器的开关。无线收发器的收发模块也可以有休眠模式。 2 软件节能计算 在节点任务调度中，操作系统能够根据运行任务的状况，使c p u 处于不同的 节能模式；在路由过程中，节点能够根据自身的能量储备动态改变网络的路由策 略a 例如，在聚类分层结构中，簇头相对于其他节点，其功耗比较大，如果某节 点是簇头，当电源能量所剩不多时应该通知其它节点选举新的簇头。 3 4t i n y o s 操作系统分析 通过裁减现有公开源码的操作系统是构造操作系统的一种方法。但是现有操作 系统大部分针对p c ，从传感器节点的硬件构成可以看出，传感器节点的结构完全 不同于p c ；现有操作系统的内核运行是占用的内存都在几百k 字节以上，不适合 西安建筑科技大学硕士学位论文 传感器节点；而且通用操作系统都不支持c p u 的节能模式，所以裁减现有嵌入式 操作系统的方法无法构造适合传感器节点的操作系统，必须构造新的操作系统。 目前国内外很多研究机构在研制开发针对无线传感器网络节点硬件环境的操 作系统。美国加州大学伯克利分校开发的t i r o s 是专门针对他们研发的传感器节 点硬件m i c a 系列的操作系统【l 2 1 。 在进程管理方面，t i r o s