（计算机应用技术专业论文）无线传感器网络微型嵌入式操作系统的研究与应用.pdf

摘要 微机电系统( m e m s ，m i c r o e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e m ) 、片上系统( s o c ， s y s t e mo nc h i p ) 和无线通信技术的进步孕育了无线传感器网络( w s n ，w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k ) 。它能够实时监测、感知、采集和处理各种监测对象的信息，具 有十分广阔的应用前景，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的硬件能力是非常有限的，节点上的嵌入式 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，因此适用于无线 传感器网络节点的微型嵌入式操作系统就成为关注的热点。 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。 对现有的嵌入式操作系统进行分类总结，跟踪了国内外浚领域的研究进展，重点 研究无线传感器网络中经典的嵌入式操作系统t i n y o s ，包括组件模型、通信模型、 能量管理机制、事件驱动机制、调度策略以及编程语言；并且与应用广泛的实时 嵌入式操作系统a c o s i i 进行了分析对比。同时为了增强t i n y o s 的适用性，指 出了t i n y o s 在调度策略与能量管理机制的改进方向。 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。在深入研究基于组件架构的t i n y 0 s 的基础上。设计了将t i n y 0 s 应用到其 它微控制器的移植方案，提出了硬件描述层组件的设计基本原则。在对t i n y o s 的编程语言n e s c 研究后，实现了t i n y 0 s 在m s p 4 3 0 f 1 4 9 芯片上的移植，并且设 计了一种新的电源管理方式。在对现有工作进行总结的基础上对下一步的发展提 出自己的想法和建议，最后展望了无线传感器网络的广泛应用。 关键字：无线传感器网络，嵌入式操作系统，t i n y o s ，操作系统移植，m s p 4 3 0 f 1 4 9 a b s t r a c t s e n s o r n e t w o r k ， w h i c hi s m a d e b y t h e c o n v e r g e n c e o f s e n s o r , m i c r o - e l e c t r o m e c h a n i s ms y s t e ma n dn e t w o r k st e c h n o l o g i e s ，i san o v e lt e c h n o l o g y a b o u ta c q u i r i n ga n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n i th a sb e c o m eo n eo ft h ef r o n tf i e l d st o r e s e a r c h t h ec a p a b i l i t yo ft h eh a r d w a r ei ss ol i m i t e dt h a tt h ee m b e d d e do p e r m i n g s y s t e mh a st or e a l i z ee f f i c i e n tm a n a g e m e n to ft h eh a r d w a r ei nal i m i t e ds p a c e a sf l r e s u l t ，c h o o s i n ga p p r o p r i a t eo p e r a t i n gs y s t e mf o rt h en o d e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s i sv e r yi m p o r t a n t 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 sa d e e pr e s e a r c hi nt h ea r e ao ft h es o f t w a r ed e s i g n s u m m a r i z i n gt h ee x i s t i n ge m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m sb yc l a s s i f i c a t i o n ，t r a c k i n gt h ep r o g r e s sa td o m e s t i ca n df o r e i g n ， c o n c e n t r a t i n go nt h et y p i c a le m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mt i n y o ss t u d y , i n c l u d i n gt h e m o d e l so fc o m p o n e n ta n dc o m m u n i c a t i o n ，t h em e c h a n i c so fp o w e rm a n a g e m e n t ，e v e n t d r i v e nm e c h a n i c s ，s c h e d u l es t r a t e g ya n dt h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，a n dc o m p a r ei t w i t ha n o t h e rp o p u l a re m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi _ t c o s i i a tt h es a r r l et i m e i no r d e rt o i m p r o v et h ea v a i l a b i l i t yo ft i n y o s ，t h ei m p r o v e m e n td i r e c t i o no ft h e d i s p a t c hs t r a t e g ya n dt h em e c h a n i c so f p o w e rm a n a g e m e n to f t i n y o sa r ep o i n t e do u t n e t w o r k e ds e n s o rd e v i c e sw i l lt e n dt ob ea 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 l p u r p o s e ，a n dc a r r yo n l yt 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 e a 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 ni np h y s i c a l d e v i c e si sl i k e l yt ob el a r g e s og o o dp o r t i n gi sak e ye l e m e n tf o rt h eo p e r a t i n gs y s t e m o ft h en o d e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s b a s e do nt h ep r o f o u n dr e s e a r c ho f t i n y o s ， t h ep o r t i n gs c h e m aa n dt h ed e s i g np r i n c i p l eo f t h el a y e ro f h a r d w a r ed e s c r i p t i o na r ep u t f o r w a r d m o r e o v e r , a f t e rs t u d y i n gt h ep r o g r 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 om s p 4 3 0 f 1 4 9c h i pa n dan e ww a yp o w e rm a n a g e m e n ti sd e s i g n e d f i n a l l y , t h i s p 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 i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，t i n y o s ，p o r t i n g o f o p e r a t i n gs y s t e m ，m s p 4 3 0 f 1 4 9 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 i i 研究背景 第一章引言 微电子技术、计算技术和无线通信技术的进步，推动了低功耗多功能传感器 的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种 功能。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 ，w s n ) 就是由部署在监测 区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自 组织的网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息， 并发送给观察者。其典型工作方式如下：将大量传感器节点抛撤到感兴趣区域， 节点通过自组织快速形成一个无线网络。随机分布的集成有传感器、数据处理单 元和通信模块的微小节点借助于内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的 热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、 压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多部署者感兴趣的物质现象。 在网络中节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通 过多跳路由到达网关。网关( 一些文献也称为s i n k n o d e ) 是一个特殊的节点，可 通过i n t e m e t 、移动通信网络、卫星等与监控中心通信，也可利用无人机飞越网 络上空，通过网关采集数据。 无线传感器网络在环境、健康、家庭和其他商业领域有广阔的应用前景，在 军事、空间探索和灾难拯救等特殊领域有其得天独厚的技术优势。以军事应用 为例，传感器网络将会成为c 4 1 s r t ( c o m m a n d ，c o n t r o l ， c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t i n g ，i n t e l l i g e n c e ，s u r v e i l l a n c e ，r e c o n n a i s s a n c ea n dt a r g e t i n g ) 系 统不可或缺的一部分。c 4 1 s r t 系统的目标是利用先进的高科技技术，为未来的 现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一 体的战场指挥系统受到了军事发达国家的普遍重视。因为传感器网络是由密集 型、低成本、随机分布的节点组成的，自组织性和容错能力使其不会因为某些节 点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术所无 法比拟的，也正是这一点，使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包 括监控我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目 西北工业大学硕士学位论文第一章引言 标，评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击。在战场，指挥员往往需要及时 准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况，铺设的传感器将采集相应的 信息，并通过网关将数据送至指挥所，再转发到指挥部，最后融合来自各战场的 数据形成我军完备的战区态势图。在战争中，对冲突区和军事要地的监视也是至 关重要的，通过铺设传感器网络，以更隐蔽的方式近距离地观察敌方的布防；当 然，也可以直接将传感器节点撤向敌方阵地，在敌方还未来得及反应时迅速收集 利于作战的信息，传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息。 在生物和化学战中，利用传感器网络及时、准确地探侧爆炸中心将会为我军提供 宝贵的反应时间，从而最大可能地减小伤亡。传感器网络也可避免核反应部队直 接暴露在核辐射的环境中。在军事应用中，与独立的卫星和地面雷达系统相比， 传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面： ( 1 ) 分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比，这一直是卫 星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一。 ( 2 ) 传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能 力。 f 3 ) 传感器节点与探侧目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的 影响。 ( 4 ) 节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标。 ( 5 ) 多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域。 ( 6 ) 借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力，可以有效地 消除探测区域内的阴影和盲点。 由于无线传感器网络巨大的科学意义和应用价值，已经引起了世界发达国家 学术界、军事部门和工业界的极大关注。从2 0 0 1 年开始，d a r p a ( 美国国防部 高级研究计划署) 已把智能传感器网络作为一项优先发展的研究计划，出资近7 亿美元，在众多大学和研究机构展开传感器网络的基础研究，以求获得五角大楼 想要的所谓战区“超视觉”数据1 2 】。2 0 0 2 年8 月，n s f ( 美国国家科学基金会) 一期资 助4 0 0 0 万美元在u c l a 成立了传感器网络研究中心，联合周边大学( 包括u c b 、 u s c 和u s r 等) 展开“嵌入式智能传感器”的研究项目【3 ，以求利用传感器网络对 我们生活的物理世界实现全方位的测试与控制，这也是美国国情咨文中有关n g i 最主要的远景规划之一。美国英特尔公司、微软公司等信息工业界巨头也开始了 传感器网络方面的工作，纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、 巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。 无线传感器网络与传统的无线网络( 如w l a n 和蜂窝移动电话网络) 有藿不 话北工业大学硕士学位论文第一章引言 同的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带 宽的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。而无线传感器网络中除少数 节点需要移动外，大部分节点都是静止的 4 1 。因为它们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，设计有效的策略延长网络的生命 周期成了无线传感器网络的核心问题。在研究初期，人们曾经一度认为成熟的 i n t e m e t 技术加上a dh o e 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【5 j ：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，前 者以数据为中心，后者以传输数据为目的。一些为自组织的a d h o c 网络设计的协 议和算法并不适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识( 如地址等) 的作 用在传感器网络中就显得不是十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信 息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存倒显得非常必要。在密 集性的无线传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节 省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了长距离的无线通信易受外界噪声干 扰的影响。这些独特的要求和制约因素为无线传感器网络的研究提出了新的技术 问题。 1 2 无线传感器网络节点操作系统 w s n 作为一个全新的研究领域，向科技工作者提出了大量的挑战性研究课 题，微型化的嵌入式操作系统就是其中之一。无线传感器网络是大量由集成有传 感器和无线通讯模块的网络节点组成。网络节点除了从外界环境采集数据外，还 要接收邻近节点的数据，对数据进行处理融合转发。为了维护这个网络的拓扑结 构，节点间需要定期交互更新路由信息。而网络节点的硬件能力是非常有限的， 因此节点上的嵌入式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。 根据实现机制，可以把现有的嵌入式操作分为两类：通用的多任务操作系统 ( g e n e r a l p u r p o s em u l t i t a s k i n go s ) 和事件驱动的操作系统( e v e n t - d r i v e no s ) 。 前者多用于便携式智能设备中( 如手机、p d a 等) 和工业控制中。对于支撑几个 独立的应用运行在一个虚拟机上的并行操作是高效的。在处理过程中任务的运行 和挂起很好地支撑多任务或者多线程。但是，随着内部任务切换频率的增加将产 生非常大的开销。典型代表如u c o s i i 【6 】、嵌入式l i n u x 、w i n c e 、m a n t i s l 7 1 ；而后 者支持数据流的高效并发，并且考虑了系统的低功耗要求，从功耗、运行开销等 方面具有优势，因此倍受关注。典型的代表女l l t i n y o s 【8 j ，c o n t i k i 【9 j 。 西北= 业大学硕士学位论文第一章引言 目- = = # t e = e = = e = ! 黜i r 1 1 ii , = = 曩 w s n 节点的微型化和有限的电池供电能力使其在节点硬件的选择上受到很大限 制，低功耗是其最主要的设计目标。而现有的嵌入式操作系统没有考虑内核小、 低功耗等目标，因此必须针对无线传感器网络的特征，如节点的计算、存储和通 信等能力都有限的特点研究适应于无线传感器网络的微型嵌入式操作系统。 1 3 研究内容与论文组织 普遍网络化孕育的无线传感器网络是一种新的信息获取和处理技术。在特殊 领域，它有着传统技术不可比拟的优势，同时也必将开辟出不少新颖而有价值的商 业应用。作为重要的共性支撑技术之，无线传感器网络节点的嵌入式操作系统 问题研究极具研究价值。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 了无线传感器网络中经典的操作系统t i n y o s ，并提出了t i n y o s 在应用过程中一 些局限性，指出了改进的方向。并在其基础上，提出了t i n y o s 的移植方案、硬 件插述层组件的设计原则，实现了t i n y o s 在m s p f 4 3 0 1 4 9 芯片上的移植。 本论文的工作是围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，对嵌入式操作系统进行分类总结。 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。 第三章以无线传感器网络的特征以及节点操作系统的需求为依据分析研究了 无线传感器网络中经典的操作系统t i n y o s 的组件模型、通信模型、能量管理制、 事件驱动机制、调度策略和编程语言，与应用广泛的实时嵌入式操作系统l a c o s i i 进行了分析对比。并提出了t i n y o s 在应用过程中一些局限性，指出了改进的方 向。 第四章在对t i n y o s 进行深入的研究的基础上，提出了t i n y o s 的移植方案、 硬件描述层组件的设计原则。实现了t i n y o s 在m p s f 4 3 0 1 4 9 芯片上的移植，包 括a d c 模块、t i m e r 模块、电源管理模块、u s a r t 模块。 第五章总结全文，并展望未来的研究工作。 西北工业大学硬士学位论文第二章无线传感器网络节点及操作系统设计目标 第二章无线传感器网络节点及操作系统设计目标 2 1 无线传感器网络体系结构 2 1 1 无线传感器网络结构 无线传感器网络结构u , l o 】如图2 1 所示，无线传感器网络系统通常包括传感器 节点( s e n s o rn o d e ) 、s i n k 网关节点( s i n kn o d e ) 和管理节点。大量传感器节点 随机部署在监测区域( s e n s o rf i e l d ) 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。 传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中监测数 据可能被多个节点处理，经过多跳路由到s i n k 网关节点，最后通过互联网或卫星 到达管理节点。用户通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测 任务以及收集监测数据。 传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统它的处理能力、存储能力和通信 能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节 点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处 理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他 节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是无线传感器网络研 5 西北工业大学硕士学位论文第二章无线传感器网络节点及操作系统设计目标 究的重点。 s i n k 网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接无线传感器 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，同时发布管 理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。s i n k 网关节点既可以是 一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和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。 2 1 2 无线传感器网络节点结构 在不同应用中，传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集单元、数 据处理单元、数据存储单元、数据传输单元、电源和嵌入式操作系统等部分组成1 0 1 ， 如图2 2 所示。作为一个完整的微型计算机系统，要求其组成部分的性能必须是协 调和高效的，各个模块实现技术的选择需要根据实际的应用系统要求而进行权衡 和取舍。 圈2 - 2 节点的基本构成 ( 1 ) 数据处理单元 数据处理单元是无线传感器网络节点的计算核心。通常选用嵌入式c p u ，负 责协调节点各部分的工作，如对数据采集单元获取的信息进行必要的处理、保存，控 制数据采集单元和电源的工作模式等。 目前使用较多的有a t m e l 公司的a v r 1 1 】系列单片机。t i 公司的m s p 4 3 0 超低功 耗系列处理器，不仅功能完整、集成度高，而且根据存储容量的多少提供多种引 脚兼容的处理器，使开发者很容易根据应用对象平滑升级系统。 作为2 0 0 0 年以来3 2 位嵌入式处理器市场中红极一时的嵌入式a r m 处理器，也 可能成为下一代传感器节点设计的考虑对象。a r m 处理器的性能跨度比较大，低 端系统价格便宜，可以代替单片机的应用，高端处理器可以达至1 p e m i u m 处理器和 其他专业多媒体处理器的水平，甚至可以在很多并行系统中实现阵列处理。a r m 处理器功耗低，处理速度快，集成度也相当高，而且地址空间非常大，可以扩展 6 西北工业大学硕士学位论文第二章无线传赙器网络节点及操作系统设计目标 大容量的处理器。但在普通无线传感器网络节点中使用，其价格、功耗以及外围 电路的复杂度还不十分理想。随着技术的进步，a r m 处理器将在这些方面有更加 出色的表现。另外，对于需要大量内存、外存以及高数据吞吐率和处理能力的传 感器网络汇聚点( 也称为基站节点) ，a r m 处理器是非常理想的选择。 ( 2 ) 数据传输单元 数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成【“。通信模块消耗的 能量在无线传感器网络节点中占主要部分，所以考虑通信模块的工作模式和收发 能耗很关键。无线传感器网络节点的通信模块必须是能量可控的，并且收发收据 的功耗要非常低，对于支持低功耗待机监听模式的技术要优先考虑。目前使用较 多的有r f m 公司t r l 0 0 0 、c h i p c o n 公司的c c l 0 0 0 1 2 】、c c 2 4 2 0 等。 ( 3 ) 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统为网络节点提供必要的软件支持，负责管理节点的硬件资源， 对不同应用的任务进行调度与管理。 ( 4 ) 数据采集单元 被监测物理信号的形式决定了数据采集单元的类型。网络化的传感器系统可 以减少单点测量可能造成的瞬态误差和单点环境激变可能造成的系统测量误差。 由于在一个区域内存在很多个测量点，对于单个节点的测量错误，可以通过另外 一些节点的测量结果发现，通过投票机制摒弃无效的数据，获得该区域内相对精 确的测量结果。 ( 5 ) 电源 电源为网络节点提供正常工作所必需的能源。无线传感器网络一般都是布置 在人烟稀少或危险的区域，所以其能源不可能来自现在普通使用的工业电能，而 只能求助予自身的存储和自然界的给予。一般来说，目前使用的大部分都是自身 存储一定能量的化学电池。在实际的应用系统中，可以根据目标环境选择特殊的 能源供给方式，例如在沙漠这种光照比较充足的地方可以采用太阳能电池。在地 质活动频繁的地方可以通过地热资源或者震动资源来积蓄工作电能，再空旷多风 的地方可以采用风力获得能量支持。不过从体积和应用的简易性来说，化学电池 还是无线传感器网络中重点使用的能量载体。 2 2 无线传感器网络的基本特征 无线自组网( m o b i l ea d h o cn e t w o r k ) 是一个由几十个到上百个节点组成的、 采用无线通信方式的、动态组网的多跳的移动性对等网络。其目的是通过动态路 7 两北工业大学硕士学位论文第二章无线传感器网络节点及操作系统设计目标 由和移动管理技术传输具有服务质量要求的多媒体信息流。通常节点具有持续的 能量供给。 无线传感器网络虽然与无线自组网有相似之处，但同时也存在很大的差别。 无线传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞 大( 上千个甚至上万个) ，节点分布更为密集；由于环境的影响和能量耗尽，节 点更容易出现故障；环境干扰和节点故障易于造成网络拓扑结构的变化；通常情 况下，大多数无线传感器网络节点是固定不动的。另外，无线传感器网络节点能 量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。传统的无线网络的首要目标 是提高服务质量和高效带宽利用，其次才考虑节约能源；而无线传感器网络的首 要设计目标是能源的高效利用。无线传感器网络的特征归纳如下： ( 1 ) 大规模网络 无线传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更 多。无线传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是无线传感器网络节 点分布在很大的地理区域内，比如在军事应用方面，可以将无线传感器网络部署 在战场上跟踪敌人的军事行动，智能化的节点可以被大量地装在子弹或炮弹壳中， 在目标地点撒落下去，形成大面积的监视网络：另一方面，无线传感器网络节点 部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的无线传感器网络 节点。 无线传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具 有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低 对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错 性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少盲区。 ， ( 2 ) 无线的连通方式 无线连接具有很强的灵活性，电磁波可以进行“无介质传输”，它不需要有固定 的事先建立好的节点之间的连接，而且即便网络节点的位置发生了变化，也不会 太大的影响网络的连通，适合于动态的网络环境。最重要的一点是在很多的环境 里，我们根本无法事先建立节点之间的连接。比如说某些恶劣的自然环境里，人 类不能亲自深入到这些地方，只能通过飞机将大量的传感器节点随机的投放到监 控区。这时，无线通信方式是唯一可用的方式。 ( 3 ) 电源能量有限 无线传感器网络节点体积微小，通常网络中每个节点的电源是有限的。由于 无线传感器网络节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且大多部署区域环 境复杂，有些甚至人员不能至哒区域，所以更换电源几乎是不可能的事，这势必 西北工业大学硕士学位论文 第：章无线传感器网络节点及操作系统设计目标 要求网络功耗要小，以延长网络的寿命，而且要尽最大可能的节省电源消耗。 ( 4 ) 计算和存储能力有限 无线传感器网络节点是一种微型嵌入式设备，要求价格低功耗小，这些限制 必然导致其携带的处理器能力比较弱，存储容量比较小。为了完成各种任务，无 线传感器网络节点需要完成检测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇 聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储资源完成 诸多协同任务成为无线传感器网络设计的挑战。 ( 5 ) 网络动态性强 传感器网络具有很强的动态性【1 0 】。网络经常有新节点加入或已有节点失效， 因此，网络的拓扑结构动态变化。因此，传感器网络必须具有可重构和自调整性， 让每个节点都能够感知到网络结构的变化，通过相互协调，适应网络的这种动态 性，维护应用的正常运行。另外，在复杂的动态变化环境中，我们无法对网络进 行人工配置，这就需要各个节点可以相互协调建立连接，完成网络的初始化，启 动监测任务。因此，传感器网络也应该具有自我配置的能力。 ( 6 ) 网络是以数据为中心【1 3 a 4 不同于传统的具有中央控制节点的网络系统，以数据为中心的无线传感器网 络的基本思想是，把传感器视为感知数据流或感知数据源，把传感器网络视为感 知数据空间或感知数据库，把数据管理和处理作为网络的应用目标。无线传感器 网络中的每个节点都有数据处理的能力，它们会根据需要，尽早的对数据进行处 理，这样可以减少网络的流量，提高有限带宽的利用率。不仅如此，由于进行无 线通信时耗费的能量占总的能量消耗的很大比重。减少数据的通信量，也是节约 能量，提高系统利用率的重要手段。目前对于无线传感器网络的研究，很大一部 分都集中在对数据的分布式处理上。 ( 7 ) 通信能力有限 传感器网络的通信带宽窄而且经常变化，通信覆盖范围只有几十到几百米， 并且由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电 等自然环境的影响，传感器之间的通信断接频繁，经常导致通信失败，传感器也 可能会长时间脱离网络离线工作。因此如何在有限通信能力的条件下高质量地 完成感知信息的处理与传输是我们面临的一个挑战。 ( 8 ) 无中心 无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个对等式 网络。结点可以随时加入或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络的运行， 具有很强的抗毁性。 西北丁= 业大学硕士学位论文第二章无线传感器网络节点及操作系统设计目标 ( 9 ) 自组织 在无线传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的 地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不 知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到 人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动 进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无 线网络系统。 在无线传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造 成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样 在无线传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随 之动态地变化。无线传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态 变化。 2 3 无线传感器网络节点设计目标 无线传感器网络具有很强的应用相关性，在不同的应用要求下需要配套不同 的网络模型、软件系统以及硬件平台。可以说无线传感器网络是在特定的应用背 景下，以一定的网络模型规划的一组传感器节点的集合，而传感器节点是为无线 传感器网络设计的微型计算系统。 ( 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 ) 扩展性和灵活性 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，组件之间通过标准接口自由组合。在不同的应用环境下， 选择不同的组件配置系统，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。 疆北工业大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络节点及操作系统设计目标 软件的扩展性体现在节点上的软件不需要额外的设餐就可以自动升级，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，一方面系统在 各种恶劣的气候下不会损坏，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 界因素造成的数据修改。 ( 4 ) 低本 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，能源有 限的限制又要求所有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 无线传感器网络节点操作系统及设计目标 2 4 1 无线传感器网络节点对操作系统的需求 由于无线传感器网络的特殊操作性，导致无线传感器网络对操作系统的需求 相对于传统操作系统有较大的差异。 有些研究人员认为无线传感器网络节点的硬件很简单，没有必要设计一个专 门的操作系统，可以直接在硬件上设计应用程序。这种观点在实际中会碰到很多 西北工业大学硕士学位论文第二章无线传感器网络节点及操作系统设计目标 问题：首先就是面向无线传感器网络的应用难度会加大，应用开发人员不得不直 接面对硬件进行编程，无法得到像传统操作系统那样提供的丰富服务；其次是软 件的重用性差，程序员无法继承已有的软件成果，降低了开发效率，增加了开发 成本。 另外一些研究人员认为，可以直接使用现有的嵌入式操作系统，如v x w o r k s ， w i n c e ，嵌入式l i n u x ，q n x 等。这些系统中有基于微内核架构的嵌入式操作系 统，如v x w o r k s ，q n x 等，也有基于单体内核架构的嵌入式操作系统，如嵌入式 l i n u x 等。由于这些操作系统主要面向嵌入式领域相对复杂的应用，从而其功能 也比较复杂，如它们可提供内存动态分配、虚拟支持、实时性支持、文件系统支 持等，系统代码尺寸相对较大，部分嵌入式操作系统还提供了对p o s i x 的支持。 而无线传感器网络的硬件资源极其有限，上述的操作系统目前很难在这样的硬件 资源上正常运行。 由于无线传感器网络应用的多样性，节点上的操作系统必须能够根据内存、 处理器以及能量满足应用严格的需求，也必须能够灵活地允许多种应用同时使用 系统资源，如通讯、计算和存储【”】。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性很密集，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 短的逻辑控制流程；另一个特点是无线传感器网络节点的模块性高，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1 1 “。 2 4 2 无线传感器网络节点操作系统设计目标 由于无线传感器网络所具备的特征以及网络中节点的特点，就决定了网络节 点的操作系统设计应满足如下要求； ( 1 ) 小代码量：由于节点的内存有限，因此操作系统核心代码量必须比较小， 使其可以在有限的空间中，具备高效管理硬件的能力“。 ( 2 ) 模块化：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。在特定的硬件平台上，根据不同的应用快速便利 地结合软件模块实现应用是非常重要的“。 ( 3 ) 低功耗：w s n 的大多数节点采用电池供电。由于节点数量众多，以及节 点被撒布的环境使更换节点的电池是不可行的甚至是不可能的。因此低功耗的操 西北工业大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络节点及操作系统设计目标 作将延长整个网络的生命周期，是操橼系统设计必须满足的条件。 ( 4 ) 并发蝇性：在传感器网络的节点上存在着大量的并发操作，如数据采样、 数据处理、数据转发可能在同时进行。操作系统需要具备支持严格并发操作的能 力“”。 ( 5 ) 健壮性：w s n 节点数量的众多以及运行特殊的环境，要求运行在单个节 点上的操作系统不但健壮，而且应该便利地适应于可靠的分布式应用的发展0 1 。 ( 6 ) 容错性【1 0 j ：传感器网络中的传感器经常会由于周围环境或电源耗尽等 原因而失效。由于环境或其他原因，物理地维护或替换失效传感器常常是十分困难 或不可能的。这样，传感器网络操作系统必须具有很强的容错性，以保证系统具有 高强壮性。当网络的软、硬件出现故障时，系统能够通过自动调整或自动重构纠正 错误，保证网络正常工作。 西北工业大学硕士学位论文 第三章t i n y o s 操作系统的研究 第三章t in y o s 操作系统的研究 3 1t i n y o s 与n e s c 语言 t i n y o s 是一种面向无线传感器网络的新型操作系统，它最初是用汇编和c 语言编写的。但科研人员的进步的研究发现，c 语言不能有效、方便地支持面 向无线传感器网络的应用和操作系统开发。为此，他们经过仔细研究和设计，对 c 语言进行了定扩展，提出了支持组件化编程的n e s c 1 ”语言。把组件化模块 化思想和基于事件驱动的执行模型结合起来。t i n y o s 和基于t i n y o s 的应用基本 上用n e s c 语言编写，与以前相比，提高了应用开发的方便性和应用执行的可靠性。 我们可以把t i n y o s 和在其上运行的应用程序堪称是一个大的“执行程 序”，它是由许多功能独立且相互联系的软件组件( c o m p o n e n t ) 构成的，如图3 1 所示。一个组件( 假定组件名为c o m a ) 一般会提供一些接口( i n t e r f a c e ) 。接口 可以看作是这个软件组件实现的组函数声明。接口即可以使命令和事件，也可 以是单独定义的一组命令事件，如s t d c o n t r o l 接口是一个拥有三个命令“i n i t ，s t a r t ， s t o p ”的组合接1 ：3 。其他组件通过应用相同接口声明，就可以使用这个组件( c o m a ) 的函数，从而实现组件间的功能相互调用。 应用a 的顶层配置 模块m a i n 与b 、c 、d 接口之间的关系 一1 i 要百 配置c配置d 模块b m 的接1 3 1 b 与其i 模块c m 的接i z l i b 与其l 模块d m 的接c t l b 与其 他组件接口的关系ff 他组件接口的关系f _ 他组件蟹粤笪羞丕 接口i b 中的函数实现接e i i b q b 的函数实现if 接口i b o 艘豳塑窭塑 接口i b 函数的定义 搓口i b 函数的定义 图3 - 1 基于n e s c 语言的一般应用程序框架 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第三章t i n y o s 操作系统的研究 n e s c 是专门为网络| 扶入式系统设计的编程语苦。通过实现一- 个包含_ 1 4 州：驱幼 执行、弹性并发型年面向组件程序设计等特征的编程模式，术满址这个领域的程 序设计的特定要求。n e s c 的编译器进行数据竞争检测( 捉商川靠性) 、积檄的晒数 内联( 降低资源消耗) 等整体程序分析简化了应用程序的j l ：发缩小了代码大小， 并且减少了许多渐在诱发错