（计算机软件与理论专业论文）无线传感器网络低能耗任务调度机制研究.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络是当前的一个研究热点，它以体积小、成本低、能够自组织 通信等优点得到了快速的发展，并已经开始试投入到环境监测、医疗保健、家庭 办公自动化、工业制造控制、军事等领域。无线传感器网络操作系统的开发为加 快这种新型网络在更多领域的应用提供了方便、硬件透明的开发平台。 但是由于采用电池供电的大量节点一旦投入使用，就很难再更换电池。在目 前电池技术还没有获得更大的突破性进展的前提下，降低节点的工作能耗成为延 长电池寿命的一个重要途径。 无线传感器网络的节能研究涉及到从物理层到应用层的各个层次，例如低功 耗传感器节点芯片、i e e e 8 0 2 1 5 4 协议、分层的路由算法、节点睡眠控制等技术。 但是，通过改善操作系统的任务调度机制来实现节能的研究目前还比较少。 本文在总结项目组前期的研究成果t a 瑚x 系统的基础上，展开对t a 阳x o s 的低 能耗任务调度机制的研究。在研究思路上，本文突破传统限制，从理解电池本身 的放电原理入手，根据电池高级分析模型，推导出几个有用的推理，使之成为本 文研究的重要依据和出发点。 本文的创新点主要是： 1 ) 建立任务模型，提出了超周期和帧的概念。 2 ) 利用电池的恢复效应和非线性特性，提出了两种低能耗任务调度算法。一 种是对周期任务在帧内按照最大电流优先并适当插入空闲的f r 锄em a x c fi d l e 调 度算法。另一种是对非周期任务的m a 】【c f 调度算法。 3 ) 利用t a r a x n o d e 中c c 2 4 2 0 发送电流分级可调的特点，提出改进的变电流 低能耗任务调度策略f r 锄ev cm a x c fi d l e 和v cm a x c f 。 4 ) 针对满足优先级较高的任务应该得到快速响应的需要，提出了基于优先级 的r 锄em a x c fi d l e 算法。 5 ) 设计并实现了具有t a 舱x n o d e 能量模型和电池模型的任务能量仿真平台 协kp o 惯t o s s 订。该平台可以直接运行t a r 觚应用代码，使调度算法的节能性 能得到更真实可靠的评估。 本文通过两组仿真试验，验证了提出的调度算法能够将电池寿命延长约 4 5 1 0 左右。实验还发现调度算法的节能作用会随着任务平均电流的增加而显 i 摘要 著。 文章最后对调度算法和仿真手段存在的问题进行了讨论，总结了这次研究的 成果，并对今后的工作做了展望。 关键词：电池模型，帧，最大电流优先，插入空闲，佻k _ _ p o w e r t o s s i m a b s t 随c t a b s t r a c t w i r e l e s ss 饥s o rn 咖o r ki so n eh o ts t l l d ya tp r e s e n t w s n sd “e l o p m e n ti sv e 叮 q l l i c kb e c a u s eo f i t sa d v 蛆t a g eo f b e i n gv e 哆s m a l la n dl o w 砸c e ，锄dc 0 舢舭a t i n g t h r o u 曲a d h o cn e t p p l eh a v et r i e dt oa p p l yw s ni n t 0 铋v 衲n m e n t 黜) n i t i d r m e d i c a l 饥勉衄e l l t 细n i l y 0 伍c ea u t o m a t 讫a t i o i l i n d u s 时c o n 仃d l ，觚dm i l i t a 巧a 腼晒，e t c w s n o s sd c v e l o 呷饥tp r 0 啊d cac o n v 铋i 饥t 锄di 啪d w a r e 吣p 赳- 铋tp i a t f b n i lf o r q u i c k 断sr 坝r k sb r o a d e ra p p l i c a t i o l l b u to n c en l ew s ns y s t 锄i sd 印l o y e d 觚dl a u n c h c di 1 1 t 0 、o d 【i t sh a r dt oc h 锄g e t l l en o d e s b a 钍e r i e s i nt h ec 0 n d i t i o nm a tp e o p l en o wh a 、，en o ty e tm a d eg r e a t e r b r e a l ( m r o u g hi nb a t t e 巧t e c t u l o l o g mr e d u c i n gt 量l ew o 出i i l gp o w e ro f t l l en o d 鼯i s 觚 i m p ( 斌a n ta p p r o a c ht oe x t e n d 龇h f eo f w s n 埘讯e s r c s e a r c h e sa b o u t e r g ys a v i n go fw s ni n c i u d ee v e 巧l a y 盯o ft h en e t 、釉r k f o r e x 锄p l e ，t l l el o w p o w c r 渤s o fn o d ec h i p ，i e e e 8 0 2 1 5 4 p r o t o c o l l a y e r e dm u t e p r o t o c 0 l ，c o n 旬r o l l i i 培o ft 1 1 en o d e ss 1 e e p ，a n ds 00 1 1 b u tf e ww o r k sm r o u 曲o p t i m i z i n g m et a s k s c h o d u l i n gm e c 心s mt 0s a v ee l l e 喀yi sd o n e 1 1 l i sp a p e rs m d i e s l el o w - p o w e rt a s ks c h e ( 1 u l i n gm e c h a 面s mo f1 k a x o so n 坨 b a s eo fo l l rp r o j e c tt 锄si l e 、a c h i 舢e n t ，m 阪l 】【s y s t 锄w r eb r e a l 【m r o u g h 触d i t i o l l a l m e t h o 也s t a r tw i mm eb a t t e 巧sc h 硇gm e o r x 锄dd e ( 1 u i s e v e r a l 璐e 缸ld e d u c t i o 璐 a c c o r d 崦m eb a 钍c 巧sl l i 出l e v e ia 砌y z m gm o d d n c s e 批商o i l sb e c o m em e p 娜i e r ，si m p o r t a n tb 焱cp o i n t n e 幽v a t i o 邯o f t 量l ep a p e r 孤e ： 1 ) b u i l d i n gm et a s k 删e l ，觚dd e f i i l i n g l es u p * p 嘶o d 锄d 丘锄e 2 ) p r o p o s i n gm ep 丽o d i ct a s k s f 础e 压a ) 【c fs c h e d u l i l l ga l g o r i 吐姐a n da p e d o d i c t a s l 【s m a x c fs c h c d u l i n ga l g o r i t t mb ym a k i n gl l s eo fb 甜e 矿sr e c o v e 巧雒融a n d n o i l ：i i n rc h a r a c t e r i s t i c s 3 ) b a s e d0 nm ec c 2 4 2 0m d i oc h i p sm u l m e v e ls e n dm o d e ，、eb r i n gf o 刑o r dm e i i n p f o v e dt a s k - s c h e d u l i n ga l 鲥吐i m ，f 麟n e ：v c - m a x c u d l ea n dv c m a x c f w l l i c h s 髓dt a s k s 吼盯e n ti s 岫u s 劬l e 4 ) a i i i l i n ga ts a t i s f 弭i 玛m en e o do fq u i c _ kr e s p o n t 0l l i g hp r i o r i t yt a s l ( s ，w e m a b s t r a c t d e v e l o pt h ep r i o r i t y j a s e df “l r n e ：m a x c f - i d i e 5 ) d 商鲥n g 锄di m p l e m e l l t i n gm et a s kp o w e re r i l u l a t o r 风k - j o w 矾o s s i m ， w i l i c hp r o v i i i 酷m et 畋n o d e se n e r g ym o d e l 锄db a t t e 巧m o d e l t a r a xa p p l i c a t i o n s 伽b en md i r c c t l yi n l ep l a t f o 咖协l ( j o w e r t o s s i mc 锄e v a l u a t et l l er c a l p e r f 0 n n 锄c eo fs a v i n ge n 哩yo f t l l ed i f l 确l tt a s ks c h e d u l i n g 撕n 聃e t i c t h r o u g ht 、) i ，og r o u pe x p e r i m e i 】临，w ev a l i d a t en l a tm ep r o p o s e dt a s ks c h e d u l i n g a 1 9 0 r i t h mc 锄e x t e n dm eb a t t e 巧sl i 触i m eu pt oa b o u t4 5 一1 1 w es t i l l6 n dm a tt h c l a r g 盯廿l ea v e r a 雩r c 勰n ti s ，吐l em o r e 豫n a d 【a b l et 量l es c i 旧“l i n ga j 9 0 r i m m se 行e c ti s h l l ee r i d w ed i s c u s st i l es e v e r a lp f o b l 锄sa b o u tt a s ks c h e d u l i i l g 锄de m u l a t 0 l t h e nw ec 0 i l c l u i 心血ew h o l e 嘲c ha n d 即p o s eo u rp r 0 s p e c t 1 ( e y w o r d ：b a t t a yi n o d e l ，缸i n e ， m a x i n l u mc i m a n t f i 】r 鸭 i i l s e r t i d l e ， t 瓠kp o w e r l s s i m 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，论文中不包含其他入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： 盔! 兰：整 日期：溯年r 月谣日 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：纽导师签名：逊 日期：卿b 年r 月蜷日 第一章引言 1 1 论文的研究背景与意义 第一章引言 近几年随着人们对无线传感器网络( w s n ， w i r e l e s ss e i l s o rn e 咐o r k ) 1 】这一 交叉学科各个方面的不断深入研究，人们越来越认识到无线传感器网络在军事、 环境监测、防灾消防、医疗监护、定位跟踪、机场监控、家庭自动化、自动化生 产、飞机船舶监测等领域均有很高的应用价值【3 h 5 胴。但人们同时也发现无线传感 器网络的一个致命弱点，即能量受限【6 】【8 】【9 】。这一问题将极大地影响这种新型网络 未来的实际应用前景。 无线传感器网络一般部署在恶劣环境中工作，网络中的节点只能采用电池供 电，系统一旦投入使用就很难再更换电池。电池有限的麓量要支撑节点完成a d h o c 自组织网络的组网，以及环境数据的采集、融合、计算、处理、传输等操作，以 全面反映出被探测区域的实时状态信息，供决策机构参考。网络中的节点电能很 快就会被耗尽，而我们希望节点工作的时间能够尽可能的长久。在目前电池技术 还没有获得更大的突破性进展的前提下，降低节点工作的能量消耗成为延长无线 传感器网络节点寿命的重要途径。因此，能量问题已成为无线传感器网络研究领 域中的核心，低能耗成为传感器节点设计的最重要指标。 无线传感器网络的各种节能机制【9 1 0 】涉及了网络协议栈的各个层次，包括物理 层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。每一层都可以根据自身特点和功能 设计不同的节能策略。已经开展的研究有关于低功耗的传感器节点芯片、低功耗 的m a c 层i e e e 8 0 2 1 5 4 通信协议、低能耗的分层路由算法、低能耗节点睡眠控 制等方面。 其中，操作系统为应用层软件的开发提供了组件式、硬件透明的平台。但是由 于受到处理器资源、存储器空间以及能源等方面的严格限制，操作系统所占用的 存储器空间很小，导致其功麓并不够强大。操作系统中最为关键的任务调度部分 的设计就极大地受到这些因素的限制。因此，通常只能采用简单的f i f o 调度策略， 难以兼顾到低能耗的节点设计要求。 目前对无线传感器网络任务调度机制的研究主要集中在任务调度管理的高效 性、灵活性、实时性、吞吐量等传统嵌入式操作系统任务调度研究问题。而通过 电子科技大学硕士学位论文 改善任务调度机制来实现节点节能的研究还相对比较少。 节点的能量消耗如果完全通过实际仪器仪表来长期测量，过程既费时又费事， 并且也不容易做到对网络内每个节点的能量消耗情况都进行跟踪。为了解决这个 难题，学术界和工业界越来越广泛重视无线传感器网络的仿真。通过仿真来完成 各种设计指标的性能评估。 1 2 国内外研究现状 由于无线传感器网络是一门新兴的学科，世界上关于它的研究还处在初级阶 段，特别是在国内这方面的研究才刚刚兴起，很多研究都有待进一步深入，其中 新兴的研究热点方向也非常多，特别是在节能方面还有很大的发展空间。 嵌入式系统应用的发展推动了便携式设备的广泛使用，而与之相关的节能技 术也在不断研究发展中。有研究者【1 2 】【b 】提出了利用调节电压来增加电池寿命的技 术。虽然这种方法能够明显的提高电池效率，但是并不适用于实际的无线传感器 网络。因为在实际网络中使用的微处理器绝大多数是不支持电压分级的。 动态电压调节技术是近年来微处理器低功耗电路设计技术的突破。它允许微 处理器在保持系统的正常工作状态下，动态地调节其工作电压。无线传感器网络 的动态电压调度算法主要是针对无线传感器网络的节点的在运行状态，提出了动 态电压调度( d v s ，d y i l a m i cv o l t a g es c a l i n g ) 的调度算法。d v s 通过改变处理器 的工作电压和工作频率，来减少处理器的消耗能量。假设在时间周期t 内有一个 任务w ，如果它在时钟频率为1 f l ( 比较大) 下的处理时间需要t 0 ( t d 玎) 时间， 那么，在t - t o 这个时间段内，处理器就处于空闲状态。但是，他的频率仍然是1 f l 。 如果在这个时间周期t 内把时钟频率调节到f ( f f 1 ) ，那么，要完成任务w 就需 要t 个时间，即在周期t 内没有空闲时间。如果根据c m o s 的能量消耗关系 p 芘y 2 厂可以知道，降低操作频率可以减少能量消耗，其中，p 表示功率；v 表示 c m o s 的供给电压；f 表示操作频率。 在以往对无线传感器网络任务调度的研究中，主要考虑的是数据包吞吐量指 标。于是，出现了基于优先级的可抢占式任务调度、基于时限的任务调度以及基 于时限的优先级调度等任务调度方式。其中，抢占式多线程任务调度也对低能耗 有一定的支持，但是多线程的引入给资源受限的节点芯片在程序执行过程带来了 更加复杂性，难以做到像在x 8 6 系列芯片那样完善。 2 第一章引言 例如经典的无线传感器网络操作系统t i n 旧s 1 x 【2 】提供的是轻量级、抢占式单 线程的f i f o 调度，使传感器节点的任务调度比较简单。t i n v o s 2 x 同样提供了任 务和事件驱动相结合的两级并发模式。 有人在t i n y o s 2 x 的基础上实现了软实时任务调度。利用实时调度构件，当应 用需要实施调度时，采用实时调度构件替换t i n y o s 自带的队列调度构件，来形成 系统的任务调度器。这种实时性能改造的原则主要是低开销原则、兼容性原则、 可靠性原则和实用性原则。基于这些原则的面向t i n y o s 系统的软实时任务调度策 略是：1 ) 调度其在任务队列取任务时，选择执行优先权较高的等待任务。在系统 静态编译确定各个任务的任务号时，按照任务权限越高，任务号越小的原则进行 任务号分配；调度器在取任务时，遍历当前等待队列中的任务，选择任务号最小 即执行优先权最高的任务执行。2 ) 每个任务都有一个执行时间限制，以防止正在 执行的任务阻塞或者进入死循环而造成系统瘫痪。设计一个负责任务超时管理的 时钟中断触发的事件处理，每隔一定时间间隔来检查当前运行任务是否超时。 有研究者【2 4 】则实现了一个轻量级、支持低功耗的抢占式多线程的无线传感器， 网络操作系统。其优点是提供了可抢占式的多线程调度，使传感器节点能够交叉 执行多个队时间敏感的复杂任务，减轻因节点内存大小的限制所导致的生产者消 费者问题，从而避免了一个长时间需求的任务会阻塞某些时间敏感型任务的执行。 多个应用可以并发地使用有限的系统资源，很好的支持了当前正在快速增长的复 杂应用。 无线传感器网络在可穿戴式的应用也带来了关于可穿戴测试系统启发式任务 调度的研究。针对基于可穿戴计算机构建现场设备数据采集等测试系统时常遇到 的任务规则和调度问题，提出了一种基于a 幸算法的启发式任务调度方法。采用该 算法可以根据一定的启发函数产生必要的局部可达图，并在这一局部可达图所代 表的路径中选择最优或次优的路径，能有效缩短计算时间，简化搜索过程，避免 死锁或资源冲突等情况的发生，从而提高系统在场景自适应、高效的用户指导和 辅助等方面的实用性能。 e d f 调度策略是一种基于动态优先级的调度策略，在动态优先级调度算法中 是较优的可行性调度算法，可以调度随机到达系统的动态任务。 在e d f 调度基础上，出现了一种基于优先级的抢占式无线传感器网络操作系 统调度策略i s 一既) f 。该调度策略通过动态调整执行任务的优先级，可以有效的保 证重要任务的实时性，改善无线传感器节点在任务负担较重的情况下的系统响应 性能。而在节点处于轻负载或者空闲状态的情况下，通过将节点带入睡眠状态， 3 电子科技火学硕士学位论文 保证了无线传感器节点的节能。这种调度策略需要将原来的共享堆栈空间改成为 每个任务独占一个堆栈空间。利用节点硬件平台上剩余空间划分出8 个2 5 6 b 的独 立堆栈空间，作为任务运行时对应的任务堆栈。任务在提交时，优先级高、运行 时间短的任务被提交到任务队列的最前面。当任务队列初始化时，在任务队列的 末尾额外添加一个执行时限为无穷大，优先级最低的空闲睡眠任务。该任务的功 能是将无线传感器节点设置为睡眠状态，直到通过无线网络通信中断或者时钟中 断等事件将节点唤醒。由于该任务占用内存和堆栈很小，在实际程序实现上，将 其作为一个额外的任务，不占用系统设定的8 个用户堆栈空间。该策略能有效提 高无线传感器节点在较重任务负载下的系统响应性能，并且在使用任务调度策略 时，不会带来明显的能量消耗的增加。 在实现低功耗任务调度方面的研究【i8 】【2 5 1 ，也有研究者提出了一个结合设备能 耗管理的低功耗调度模型，可以实现自动配置的节能模式。一旦当前系统没有新 的任务继续执行，调度程序就能够根据系统中各个线程使用设备的情况，自动地 选择合适的节能休眠模式，从而使系统能够安全、方便的进入到适合当前节点工 作状态的最小节能模式。 无线传感器网络的典型操作系统t i n y o s 中，设计了电源管理接口，用来调节 组件的电源状态，包括命令a d j 呶p o w 呱) 、朗a b l e ( ) 和d i s a b l c ( ) 。其任务调度机制采 用的是任务加事件两级调度机制和简单的f i f o 服务方式，只具有在任务队列为空 时让节点进入睡眠，等新的任务到来时再唤醒工作的简单节能措施。 在本项目组前期研究的t a 做o s 协议栈中，节能技术已经在节点硬件组件、 眦通信组件、网络路由组件以及应用组件中得到发展。但是操作系统的任务调 度机制仍然沿用了f o 简单调度、初级节能的方法。 在w s n 仿真方面，目前存在的仿真方法主要分为两类。一类是基于w s n 节 点的嵌入式操作系统的仿真方法，例如1 o s s i m 2 6 2 7 1 、p o w e r l d s s i m 和1 o s s f 等。这类仿真充分利用w s n 操作系统，一般不需要再进行二次编程，原来的应用 程序可以直接在仿真中运行。另一类是基于通用网络仿真环境的仿真方法，包括 对n s - 2 【3 2 】和o p n e t 进行扩展的仿真方法，例如璐2 的无线传感器扩展模块 s 朗s o r s i m 。这类仿真具有更高的抽象功能，建模方便，可以从理论对w s n 的行 为进行有效仿真及性能评估，缺点是需要进行二次编程，并且这种仿真设计出的 算法在实际应用中往往存在一定的偏差。 4 第一章引言 1 3 课题背景，内容及意义 本课题以国家发改委下一代互联网示范性工程项目“基于口v 6 无线传感器网 络节点 为背景，在总结项目组前期的研究成果t a m ) 【系统原型的基础上，展开对 1 k a ) 【o s 的低能耗任务调度机制的研究。t a r a x 系统原型由大量t a r a x n 0 d e 节点构 成的前端网络、i p v 6 网关和后端监控中心组成。 在研究思路上，本文突破传统限制，从理解电池本身的放电原理入手，根据 电池高级分析模型，推导出几个有用的推理，使之成为本文研究的重要依据和出 发点。 研究方法上，首先进行低能耗任务调度机制的理论研究分析，包括对周期任 务和非周期任务的研究，并将提出的调度算法使用在t a 翔x 系统的两个典型应用 里，分析可能出现的实际问题和解决问题的方法。然后，借鉴y o s 优秀的仿真 器1 o s s 订、p o 袱：r 1 o s s 订和仿真可视化工具弛y z ，自主设计和实现用于观察 任务能量情况的仿真平台。最后，通过两个场景的t a 阳x 应用的仿真实验，运行得 到在使用低能耗任务调度算法前后的电池寿命时间，评估算法的性能，并做出最 后的总结和问题讨论。 论文以实现节点任务调度低能耗指标为目的，重点对低能耗周期任务调度算 法做了较为深入的研究。低能耗非周期任务调度算法也是研究的重要部分。完成 的主要工作如下： 分析电池放电原理和电池恢复效应，理解电池非线性特性，推导出重要结 论。 建立任务模型，提出了超周期和帧的概念。 利用电池的恢复效应和非线性特性，提出了两种低能耗任务调度算法。一 种是对周期任务在帧内按照最大电流优先并适当插入空闲的 f r a m em a x c fi d l e 调度算法。另一种是对非周期任务按满足时限的最大电流 优先的e d fm a 】【c f 调度算法。 利用1 缸瓢n o d e 中c c 2 4 2 0 芯片发送电流可调节的特点，提出改进的变电 流低能耗任务调度策略f r a m ev cm a ) 【c fi d l e 和e d fv cm a ) 【c f 。 针对t a r a x 系统应用到医疗监护时对紧急情况需要快速响应的要求，提出 了基于优先级的f r a m em a x c fi d l e 算法。 设计并实现了具有t a 鞠x n o d e 能量模型和电池模型的任务能量仿真平台 仇kp o 州灯o s s i m 。该平台可以直接使用t a r a x 应用代码，使调度算法的节 5 电子科技火学硕士学位论文 能性能得到真实可靠的评估。 进行两组不同应用场景的仿真试验。验证提出的调度算法对电池寿命的提 高效果。总结调度算法节能作用与任务平均电流之间的关系。 对调度算法和仿真手段存在的问题进行了讨论，总结了这次研究的成果， 并提出展望。 本文对t a 伯x o s 的任务调度机制进行以实现低能耗、延长电池寿命为目的的 研究，是对无线传感器网络节能技术的一个重要方面。 1 4 论文结构 本文分析电池模型及代价函数，建立周期任务模型，并在此基础上提出低能耗 的任务调度算法，有效降低了任务消耗的电池能量。 本论文的工作是围绕无线传感器网络操作系统t a r a x o s 的低能耗任务调度机 制及其仿真实验这一崭新课题进行的，论文组织如下： 第一章主要介绍研究背景和研究意义，国内外研究现状，课题的背景和研究内 容，以及论文的结构。 第二章介绍t a 瑚x 系统，包括系统的总体结构、t a 阳x n o d e 节点、1 缸a ) 【o s 操 作系统、m v 6 网关、t a r a x d b 数据库、监控中心以及t a 珀x 系统的应用。 第三章介绍电池放电原理，引入电池高级分析模型和任务代价函数，分析电池 的非线性特性和恢复效应，给出计算电池寿命的方法，并用实例直观的理解电池 的特殊性。 第四章研究周期任务的低能耗调度算法，提出超周期与帧的概念，详细阐述帧 内最大电流优先并适当插入空闲的f r 锄em a x c fi d l e 算法、变电流调度 f 跚n ev cm a x c fi d l e 算法和基于优先级的f r a i n em a x c fi d i e 算法，并分析了 算法在应用中有可能出现的退化问题和解决方法，以及算法适用的对象。 第五章研究非周期任务的低能耗调度算法，提出满足时限的最大电流优先调度 算法e d fm a x c f 、变电流的e d fv cm a x c f 策略，并分析了算法适用的对象。 第六章介绍自主设计的任务能量仿真平台亿kp o w e r l o s s i m ，以及其四大部 分的具体实现方法，给出平台的使用方法，并归纳该平台的特征。 第七章进行两组不同应用场景的仿真实验，分析实验结果，对调度算法进行节 能性能评估和总结，讨论算法和仿真存在的问题。 第八章总结全文，展望未来的研究工作。 6 第二章t a r a ) 【系统 2 1t a 凇系统总体结构 第二章t a r a x 系统 t a r a x 系统是项目组开发的基于口v 6 的无线传感器网络的原型系统，如图2 1 。 整个系统由三大部分组成：1 ) t a 阳x 前端网络，2 ) 口v 6 网关，3 ) 监控中心。 2 0 0 l ：d a 8 ：6 0 0 0 ：2 ：a ：l 2 0 0 l ：d a 8 ：6 0 0 0 ：2 ：22 0 0 l ：d a 8 ：6 0 0 0 ：2 ：8 8 8 图2 1 融系统总体结构图 t a f a x 前端网络与p v 6 网关之间通过串口线缆进行通信，m v 6 网关与监控中 心之间通过纯口v 6 网络进行通信。而t a r a x 前端网络内部的大量节点则采用a d h o c 自组织方式进行相互之间的通信。 t a r a x 系统中，每个节点都分配了唯一的一个i p v 6 地址，用于对外部网的通信。 但是，在弧前端网络内部，节点使用的是其内部简单地址。两种的地址的转换 由口v 6 网关进行处理。 t a 瑚x 前端网络负责采集检测环境的各种数据，由大量t a r a x d e 节点，包括 一个s i i l l 【汇集节点组成。图2 一l 中s i i l l ( 节点的i p v 6 地址为2 0 0 i ：d a 8 ：6 0 0 0 ：2 ：越l ， 而它的t a r a x 前端网内地址可以设置为o 。 i p v 6 网关是连接前端网络和后端监控中心以及其他外部网络的枢纽，由 一台p c 机和相关的网关软件及数据库软件组成。图2 1 中网关的i p v 6 地址为 2 0 0 l ：d a 8 ：6 0 0 0 ：2 ：2 。 监控中心负责监视整个检测环境的各种数据，以及控制t a r a x 前端网络内节点 的操作状态，由p c 机和相关的通信软件、数据显示软件、控制台软件以及数据库 软件组成。图2 1 中监控中心的i p v 6 地址为2 0 0 l ：d a 8 ：6 0 0 0 ：2 ：8 8 8 。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 2t a r a x n o d e 节点 弧n o d e 节点是t 缸系统最基本的组成部分。n 0 d e 节点的结构图如 图2 ，2 所示 软件 一一一 磋件 图2 0 1 h n o d e 结构图 劬n 0 d e 节点的硬件由t a 脚o c o 微处理器芯片、c c 2 4 2 0 无线射频茜片 a d c 模数转换芯片、即插即用的传感嚣接口和电池组成，如图2 3 。 冈 囤2 0t a r 删o d c 样机 弧c a m 芯片是具有自主知识产权的8 位r j s c 徽处理器，具有低功耗、低 电压的优点，并且片上集成有较大的存储空间。 c c 2 4 2 0 芯片用于支持融系统所采用的也e e 8 0 2 i s 通信协议。它具有低 能耗、低工作电压、低工作电流的优点。工作频率为24 5 g ，数据传输率为2 5 0 k b p s 。 它广泛应用于无线通信领域。 此外，t a 删o d e 还具有即插即用传感器接口。使用者可以根据需要为节点配 置不同类型的传感器，使用方便。 砸n 0 d e 节点的两项基本任务是：1 ) 采集环境数据2 ) 响应监控命令。 1 ) 采集环境数据 第二章t a r a x 系统 当t a r a x 前端网络拓扑稳定后，节点上的一种或者多种传感器开始采集周围的 各种数据，例如温度、湿度、空气中氧气的浓度、光强度，等等。节点采集到的 数据经a d c 模数转换、1 黝【c o r e 处理封装，最后以数据包形式通过c c 2 4 2 0 芯片 无线发送出去，由若干路由节点中继转发，一直到达与外界连接的汇聚节点。汇 聚节点再通过串口线将数据包发送给i p v 6 网关。 2 ) 响应监控命令 t a r a x n 0 d e 节点除了能够自发采集各种数据并发送到汇聚节点，还能够响应监 控中心对节点下达的不同命令。例如，调整节点采集数据的速率、使节点进入睡 眠节能状态、唤醒节点、查询数据，等等。 2 3t 删【o s 操作系统 t a r a x n 0 d e 节点的软件包括t a 船x o s 操作系统、m a c 协议软件、路由软件、 以及应用软件。 t a 阳x o s 是在t i n y o s 的基础上，自主研发的t a 阳x 操作系统，专门应用在 t a 内x c o r e 为微处理芯片的传感器节点上。t a r a x o s 集成了t a 栩x n o d e 节点的各层 软件，是节点的灵魂。 t a 瑚x o s 使用n e s c 语言编写，采用基于组件的编程模型，应用程序由一个或 多个组件构成。组件分为两类：模块( m o d u l e ) 和配置( c 0 血g u r a t i o n ) 。组件间通 过配置文件连接在一起，形成一个完整的应用。组件的功能模块包括一组命令处 理函数、一组事件处理函数、一组任务集合和一个描述状态信息和固定数据结构 的框架。除了t a 鞠x 0 s 提供的处理器初始化、系统调度和c 运行时库( cr 硼t i m e ) 三个组件是必需的以外，每个应用程序可以非常灵活地选择和使用t a 船x o s 组件。 组件 调 ij 度 i 7 l ：命令 策 - i 略 i ，i ：硬件口 i 一一t - 一一一 口 图2 4t a r a x o s 总体框架图 图2 4 是伢a ) 【o s 的总体框架。物理层硬件( 包括传感器、无线收发器、时钟 9 电子科技大学硕士学位论文 等) 为框架的最底层。物理层之上包括m a c 层、路由层、传输层、应用层。事件 可以由物理层的硬件触发，也可由相对较下层的组件触发，交由其上层组件来处 理。命令则是由上层组件下层组件下发，由下层组件来负责完成。为了使各个组 件的任务合理有序的执行，需要制定相关的任务调度机制来协调任务间执行的顺 序。 2 4i p v 6 网关 t a r a x 系统中的网关基于i p v 6 协议，连接t a r a x 前端网络和后端监控中心以及 其他外部网络，由一台p c 机和相关的网关软件及数据库软件组成，如图2 5 。 t a 馏x o s u 一t a x d b i m 幽粥固 1 a 翰x d b u a r ts t 矗i s o r ( 1 a l au 撇s c i l d 峙ws e n s o f c kl t r e c e i v e - 鬟m d r 髓l v e c l i c ms e n ，e r u 从1u 盯i 叩6 u a r t ) 订n a r i dd a c 烈 r o i v e r e c e i v e c o m m 柚d o s e n dd i e m r o l v e s 髓 广s e n ，口 图2 5 口、r 6 网关 网关负责两个方向的数据传输：1 ) 上行方向上传节点传感器数据，2 ) 下行方向下发监控中心命令。 1 ) 上行方向 网关p c 通过串口，接收到来自汇聚节点的传感数据包后，首先分解该数据包， 将各数据段保存到网关机上的t a r a x d b 数据库的不同数据表里。之后，对数据进 行必要的处理，例如，将源节点的前端网内地址转换为p v 6 地址、重新封装传感 数据包等。最后，建立m v 6s o c k e t 套接字，通过纯口v 6 网络发送到后端监控中心。 2 ) 下行方向 监控中心下发的命令数据包通过纯口v 6 网络到达网关后，该命令包在网关上 首先被分解并保存到a 】【d b 数据库的不同数据表里。之后，网关完成必要的处 理，例如，将目的节点的m v 6 地址转换前端网内地址、将命令语句转换为命令号、 查找到达目的节点的路由、重新封装命令数据包等。最后，由串口发送到前端网 络的汇聚节点，并按返回路由发送到目的节点。 l o 第二章t a 阳x 系统 2 5t a r a x d b 数据库 t a 阳x d b 数据库是在t i n v d b 基础上开发的t a r a x 系统数据库系统。目前还未 在t a r a x d e 节点上开发小型的嵌入式数据库，仅在网关p c 机上搭建t a r a x d b 数 据库，用以完成数据的存储、管理和处理。图2 6 为t a r a x d b 的体系结构。 s e l e c tn o d e ，t 锄p r 一，一、 黑麓嚣h 咖l 翊 e x a m p l ee p o c hlo o o 、j 垂i 女矽 、。卜_ 1 缸d b 前特i 图2 6 t a 均x d b 体系结构 t a r a x d b 包括两部分： 1 ) 类似于s q l 语言的t a 髓x s q l 查询语言，提供终端用户的使用。 t a 均x d b 的数据模型采用关系数据模型。每个t a 鞠x n o d c 对应一个或多个元 组。例如，一个湿度传感器的元组表示为： ，n o d e i d 表示产生数据的节点号，h u n l i d 毋表示湿度数据，t i m e s t 锄p 表示一个执行时戳。 相同类型的元组构成一个集合，即关系表。 2 ) 基于i a v a 的应用程序界面，支持用户使用t a 瑚x d b 编写应用程序。 t a 伯x d b 基于j a v a 的应用程序界面由一组j a v a 类和一些应用程序构成，主要 包括以下内容： 发出查询和监听结果类 构造和传输查询类 接受和解析查询结果类 提取设备属性和性能信息类 查询界面的图形用户接口( g u i ) 显示单独的传感器结果g u i 图和表 可视化动态网络拓扑结构的g u i d b 与传统数据库最大的不同之处在于：融d b 可以通过优化查询来降 低能耗，延长w s n 生存周期。而这种能量相关的功能是传统数据库系统所不关心 电子科技_ 大学硕士学位论文 26 监控中心 监控中心负责监视整个检测环境的各种数据，以及控制t 妇前端网络节点的 操作，由p c 机和相关的通信软件、数据监视软件、控制台软件以及数据库软件组 成。 一方面t 监控中心建立s o c k d 6 套接字通过脚6 网络接收由网关转发的所 有数据，由图像显示软件进行实时数据监视，如图2 _ 7 是室内温度、湿度、氧气浓 度数据的实时演示图。 图2 - 7 监控中心数据检测演示 另一方面，监控中心发送对节点的相关命令，操纵前端网络内节点开启、关 闭、睡眠、修改参数、查询数据等等。这些下达的命令经由网关转发到汇聚节点， 再按照返回路由发送到指定的某个节点或者所有的节点上。 例如要使地址为2 0 0 l ：d a 8 ：6 0 0 0 ：2 ：1 0 0 5 的节点进入睡眠，在命令行键入控制 命令： 5 l e e p2 0 0 l ：d a 8 ：6 0 0 0 ：2 ：1 0 0 5 口v 6 网关接收到该条命令后通过查询t a r a ) 【d b 数据表，将节点口v 6 地址 2 0 0 l ：d a 8 ：6 0 0 0 ：2 ：l 舯5 转换为内部地址5 ，将命令语句s l p 转换为命令号l ，再从 t a 瑚x d b 节点路由表中得到到达5 号节点的下行路径 。然后将这些数据 重新封装，就可以通过s i 口k 节点向1 缸前端网内发送了。 第二章1 h 日系统 2 71 j r “系统的应用 目前在系统原型的基础上，已经开始了在办公自动化和医疗监护h h 卅 的应用上进一步的产品研发。下面简要介绍下这两方面的应用。 应用一：大楼中央空调温度调控系统，如图2 - 8 所示。 图柚大楼中央空调控镧系统 该系统设计的目的是实时控制大楼中央空调，使其满足人们的基本室温需要， 但又不致于造成室内外环境差距过大给人体带来的负面影响，同时，还能尽量做 到节能省电。 该系统由大量t a n 】【n o d c 节点、网关和监控中心组成。系统部署时需要在大 楼内外都放置n 疆心节点其中大楼内每个房阃里的不同可以位置放置一个或 多个t a m x n o d e 节点，负责采集房间内的温度、湿度和氧气浓度等数据。监控中心 根据接收到的室内外各项环境数据，并结合人体最佳舒适度指标，对各个房间的 空调参数进行实时调节。从而创造出一个健康和谐、节能环保的办公环境。 应用二：体域网( b a n ，b o d y a 咐t w o 血) 健康监护系统，如图2 - 9 所示。 该系统包括t a r a x n o d e 节点、p d a 、本地网关和监控中心四部分其中，t a r a x n o d e 与p d a 构成体域网。 t a r a x n o d e 节点负责收集生理体征数据，例如某些类型慢性非传染性疾病患 者、出院病人、老年人和行动障碍人士的生理体征数据。 p d a 用于完成数据的初步分析、存储，并通过w i n 向本地同关发送数据， 同时还眙够对紧急情况( 如心脏骤停) 启动报警。 本地同关实现互联网的接入，将数据实时发往位于社区医疗机构或医院的监 控中心。此外，本地两关还有能力在紧急情况时通过远端的监护中心的信息进行 有针对性的救护指导。 电子科技太学硕十学位论文 监护中心借助连续实时的监测手段，通过与诈常体征模型数据的对比，及时 发现和预测人体的异常状况并启动报警和急救帮助。 毽j 学鞠 冁山 图2 4 体域网健康监护系统 该系统提供了数据采集、传输及处理功能。病人通过可穿戴式传感器网络， 在基本不影响日常生活的情况下，实现生理体征数据的长期连续和实时监铡，有 效捕捉到体征异常表现，为诊断和治疗提供直接证据，突破现有家庭监测设备在 观测时问上的局限性充分发挥家庭环境对患者身心康复方面的积极作用。 2 8 本章小结 本章简要介绍了项目组自主研发的口v 6 无线传感嚣网络系统1 弧的基本原 型，包括1 h 系统的总体结构和通信连接方式、t a 捌【n 0 d e 节点、t m x o s 操作 系统、皿 6 网关，t 锄x d b 数据库及监控中心，并在最后给出了1 弧系统的两 个具体