（模式识别与智能系统专业论文）基于无线传感器网络操作系统底层平台及内存管理的研究.pdf

摘要 摘要 随着集成智能传感器技术、微机电系统技术和网络通讯技术的快速发展，一 种全新的信息获取处理技术，无线传感器网络应运而生，它的诞生就在国际上备 受关注，并且它被认为是2 1 世纪最重要的技术之一。无线传感网络操作系统技 术是无线传感网络的支撑技术之一，是无线传感网络的基本环境和平台，是开发 应用程序的基础。无线传感网络操作系统底层平台又是操作系统的技术关键，它 是操作系统及其应用软件同操作系统的硬件的重要连接，针对无线传感网络操作 系统底层平台的研究又有着重要的意义；其次，无线传感网络操作系统的内存管 理是保护系统资源合理分配，保证系统的可靠性有着重要的意义。 目前，对w s n 的研究主要集中在通信协议、能耗管理、定位算法以及体系 结构设计上，它们占无线传感网络研究的绝大部分，而针对无线传感网络操作系 统的研究却相对较少，尤其是对其底层平台的研究就更少了，所以针对无线传感 网络操作系统底层平台的研究就有了更广阔的空间；其次，在内存管理方面，嵌 入式操作系统不像在传统的w i n d o w s 和l i n u x 桌面操作系统，有自己完善的内 存管理机制，它的有限资源和低成本，对其内存管理的研究又有了更多难点和挑 战。 本论文研究内容源于本实验室承担的国家自然科学基金重点项目“月球探测 系统的建模、传感、导航和控制基础理论及关键技术研究( 6 0 5 3 5 0 1 0 ) ”。本论文 主要是针对无线传感网络操作系统的底层平台和内存管理进行研究。首先介绍了 无线传感网络及无线传感网络操作系统的发展现状和基本理论，文中着重研究无 线传感网络底层平台，对其无线通讯模块、无线通讯的过程以及d m a 通道的配 置进行研究，并实现了数据传输的两大硬件通讯模块的驱动程序。其次，操作系 统内存管理模块结合肛c o s i i 内存管理的实现方法，提出新的数据结构，并根 据新的数据结构，实现更好的内存分配和回收机制。在文章的最后，实现了人机 交互的控制平台，并针对操作系统实现了系统测试，检验操作系统实现的功能。 关键字：无线传感网络无线传感网络操作系统底层平台内存管理 “c o s l l 人机交互 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo ft h ei n t e g r a t e da n di n t e l l i g e n ts e n s o r , m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e ma n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r kc o m e si n t ob e i n g ，w h i c hi san e wt e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n g i t h a sg o tal o to fa t t e n t i o ni nt h ei n t e r n a t i o n a la r e n as i n c e i ti sb e i n g ，a n di ti s c o n s i d e r e do n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n o l o g i e sd u r i n gt h e21 虬c e n t u r y w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r ko p e r a t i n gs y s t e m ( w s n o s ) i so n eo ft h es u p p o r t i v et e c h n o l o g i e so f t h es y s t e m t h eu n d e r l y i n gp l a t f o r mo fw s n o si sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g y , w h i c h c o m b i n e st h eo p e r a t i n gs y s t e ma n da p p l i c a t i o ns o f t w a r ew i t ht h eh a r d w a r eo ft h e o p e r a t i n gs y s t e m a n dm e m o r ym a n a g e m e n to fw s n o s c a np r o t e c tt h er e a s o n a b l e a l l o c a t i o no ft h es y s t e mr e s o u r c e s ，w h i c he n s u r e st h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m a tp r e s e n t t h ew s nr e s e a r c hf o c u s e so nt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ，p o w e r m a n a g e m e n t ，p o s i t i o n i n ga l g o r i t h m a n da r c h i t e c t u r ed e s i g n b u ti ti sar e l a t i v e l ys m a l l t os t u d yt h ew i r e l e s ss e n o rn e t w o r ko p e r a t i n gs y s t e m ，a n ds a y sn o t h i n go ft h e u n d e r l y i n gp l a t f o r m s ot h e r ew i l lb ea b r o a d e rs p a c et os t u d yt h eu n d e r l y i n gp l a t f o r m o fw s n o s s e c o n d l y , i nm e m o r ym a n a g e m e n t ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e md o e sn o t l i k et h et r a d i t i o n a lo p e r a t i n gs y s t e m ，w i n d o w sa n dl i n u x ，w h i c hh a v et h ep e r f e c t m e m o r ym a n a g e m e n tm e c h a r f i s m b e c a u s eo f i t sl i m i t e dr e s o u r c e sa n dl o w c o s t ，t h e r e 、析ub e1 0 t so fd i m c u l t i e sa n dc h a l l e n g e st os t u d yt h em e m o r ym a n a g e m e n t t h ec o n t e n to ft h i sp a p e rm a i n l yr o o t si nt h ep r o j e c to ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n a n dt h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h eu n d e r l y i n gp l a t f o r ma n dm e m o r y m a n a g e m e n to ft h ew s n o s f i r s t l y ，i ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n m la c t u a l i t ya n d b a s i ct h e o r yo fw s na n dw s n o s i nt h i sp a p e rw ee x p a t i a t eo nt h eu n d e r l y i n g p l a t f o r mo fw s n o s a n dt h ec o n f i g u r a t i o no fd m ac h a n n e l s m o r e o v e rw ea c h i e v e t h ed r i v e r so ft h et w od a t at r a n s f e rm o d u l e s s e c o n d l y , w eb r i n gf o r w a r dt h en e w d a t a s t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h em e t h o do ft h em e m o r ym a n a g e m e n to fr t c o s i i a n d a c c o r d i n gt o t h en e wd a t as t r u c t u r e ，w ea c h i e v eab e t t e rm e c h a n i s mo fm e m o r y a l l o c a t i o na n dr e c o v e r y f i n a l l y , w ea c h i e v et h ec o n t r o lp l a t f o r mo fh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o n a n dw et e s tt h ef u n c t i o n so ft h eo p e r a t i n gs y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h es y s t e m t e s t i n go ft h eo p e r a t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ，w s n o s ，u n d e r l y i n gp l a t f o r m ，m e m o r y m a n a g e m e n t ，p c o s i i ，h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名：燧 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 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。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 日公开口保密( 年) 作者签名：塞杰蔓耆 导师签名：勿么膨 签字胁毕 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究背景和研究意义 随着通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和传感器技术的飞速 发展和日益成熟，以及计算机运算速度的突飞猛进，数据处理和计算能力的迅速 提高，融合了2 1 世纪信息产业三大支柱( 传感器技术、信息处理技术和网络通信 技术) 的无线传感器网络( w s n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 应运而生( 赵健华， 2 0 0 7 ) 。它一诞生就在国际上备受关注，并被认为是2 1 世纪最重要的技术之一。 美国商业周刊和m i t 技术曾评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感 器网络列为2 l 世纪最有影响的2 1 项技术和改变世界的1 0 大技术之一( 梁华为，陈 万明，李帅，等，2 0 0 7 ) 。传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全 球未来的三大高科技产业。无线传感网络是信息感知和采集技术的一场革命，是 2 l 世纪最重要的技术之一。它利用被称为传感器节点的微型自动装置，在没有任 何已确定的架构帮助下构建网络。由此可见，无线传感网络无穷的潜力和发展前 景，它的应用非常广泛，主要表现在军事、工业、农业、医疗等方面。 俗话说：“万丈高楼平地起，一力承担靠地基 ，无线传感网络操作系统 ( w s n o s ) 是w s n 系统的基本环境和平台，是许许多多的w s n 应用软件开发的基础 ( 黄光燕，李晓维，2 0 0 5 ) 。它的高效性、灵活性和实时性直接影响到系统的性 能，所以针对无线传感器网络节点操作系统的研究与应用具有非常宽广的空间。 然而，当前，对w s n 的研究主要集中在通信协议、能耗管理、定位算法以及体系 结构设计和可靠性研究，它们占据了无线传感网络研究的绝大部分，而对于系统 软件尤其是操作系统的研究相对较少。然而，无线传感网络操作系统正是无线传 感网络的基本软件环境，是众多w s n 应用软件开发的基础，它的高效性、灵活性 和实时性直接影响到系统的性能，所以针对无线传感网络操作系统的研究和应用 具有非常宽广的空间。本文正是主要对其典型的嵌入式操作系统s o s 进行研究与 实现。 1 2 课题研究的背景 本论文研究内容源于本实验室承担的国家自然科学基金重点项目“月球探测 系统的建模、传感、导航和控制基础理论及关键技术研究( 6 0 5 3 5 0 1 0 ) 。该项目 主要是结合国家探月工程二期的科学目标的设想，为了实现月球表面软着陆并对 第一章绪论 月球进行巡视勘察的月球探测系统，以实现对月球探测系统的建模、传感、导航 和控制基础理论与关键技术的研究。其内容主要包括五大部分： ( 1 )用于精确定位和制导的传感器及无线传感网络系统： ( 2 ) 月球探测器软着陆系统的轨道优化，导航与控制问题； ( 3 )基于远程人工遥控和局域自主控制两级结构的智能控制系统； ( 4 ) 月球探测系统的数学模型和多媒体情景表达显示系统； ( 5 )能够模仿月球表面的一些主要特征的实验演示环境和仿真系统。 这其中的一个重要内容就是研究基于无线传感器网络的月球车辅助定位导 航。我主要是参加无线传感网络操作系统的底层相关平台以及驱动的研究与实 现，并构建实验系统，完成节点间的通讯工作，实现接受控制平台，论文主要围 绕s o s 操作系统的实现展开的。 1 3 论文结构 本论文是围绕无线传感网络操作系统进行研究的，其内容主要介绍了无线传 感网络及无线传感网络操作系统的基本知识，针对操作系统底层平台进行研究与 实现，对原s o s 内存管理模块进行研究与改进，实现更好的内存管理与分配，并 且在网关节点上，实现了控制平台，使得人机更好的交互，并直接形象的展现出 节点的数据。本论文共有六章，其具体结构如下： 第一章绪论：主要介绍了论文的研究背景与研究意义，展现出研究无线传 感网络以及无线传感网络操作系统的发展前景：其次，介绍了本论文出自的课题 背景。 第二章无线传感网络和操作系统的简介：从无线传感网络介绍到无线传感 网络操作系统，再介绍了操作系统的硬件抽象层。从无线传感网络的概念和特点 以及应用上认识无线传感网络知识；无线传感网络操作系统主要从它的发展现状 起，介绍它的特点，以及介绍本文研究的操作系统s o s ；引出硬件抽象层的定义， 并且介绍了它的功能与特点。 第三章s o s 操作系统的底层平台的研究及资源驱动的实现：主要从四个方 面研究操作系统底层平台。首先，硬件资源的描述，介绍了c c 2 4 3 1 的主要结构； 其次，对编译和调试平台的设置以及环境语言的介绍；着重是后面两个部分硬件 抽象层的实现和硬件资源驱动的设计与实现，分别从无线通讯模块和d m a 控制 器配置两大部分实现了无线传感网络的通讯功能；针对数据的传输设计与实现了 两个驱动程序。 第四章基于无线传感网络操作系统内存管理的研究与实现：主要对分析研 2 第一章绪论 究s o s 操作系统的内存管理模块，并提出新的数据结构改进s o s 操作系统的内存 管理，实现更好的内存分配机制和回收机制。 第五章控制平台的实现与系统测试：实现人机交互的控制平台，并描述控 制平台的功能：针对一个完整的操作系统s o s ，分别从其功能方面、可靠性方面 以及网络丢包率方面进行测试，检验操作系统。 第六章总结与展望：对全文做出总结，并对以后的工作进行了展望。 3 第二章无线传感网络和操作系统的简介 第二章无线传感网络和操作系统的简介 2 1 无线传感网络 2 1 1 无线传感网络的概念 自组网的一个重要的发展方向是传感器网络，把传感器网络定义可以如下： ( 孙利民，李建中，陈渝，等，2 0 0 5 ) 传感器网是由一组按需随机分布的集成有 传感器、数据处理单元和通信模块的微型传感器以自组织方式构成的无线网络， 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息，并传送给信 息获取者。从通信角度来讲，传感器网络属于一种特殊自组网。如下图2 1 所示。 监视区域 、以二 j 妫戗 毽z 二 x 节点 n o d e 节点簇 c l u s t e r 中缝节点 s i n k ， 8 0 2 1 l 图2 1 无线传感网络结构 而无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) 是一种全新的信息获取和处 理技术，综合了微智能传感器技术、嵌入式计算技术、分布式低功耗信息处理技 术、弱能源依赖技术和无线通信技术，它由随机分布的集成有微型传感器、数据 处理单元和通信模块的一簇同类或异类的微小节点通过自组织的方式、无线低功 率通信方式( 近来，b e r k e l e y 的s m a r td u s t 因为可以如同尘埃悬浮在空中，可有效 地避免障碍物的遮挡，因此可以采用红外或光作为通信介质) 构成的一种网络应 用系统，它能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内各种环境或监测对 象的信息，并对这些信息并行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信 息的用户。其典型工作方式如下：将大量传感器节点抛撒到感兴趣区域，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 5 第二章无线传感网络和操作系统的简介 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( 李晶， 2 0 0 6 ) 。 2 1 2 无线传感网络的特点 无线传感网络有着与无线自组织网络很多相似的特性，如：它们都没有绝对 的控制中心，也无需人工干预和其他预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方 快速展开并自动组网；由于无线通讯的信道本身的特性，它是一个受限的无线传 输带宽；由于采用无线通信，它更容易受到拥塞攻击、碰撞攻击、耗尽攻击等网 络攻击，所以它的安全性较差。同时无线传感网络有着很多自身的特点：( 孙帆， 2 0 0 7 ) 1 ) 基于应用的网络。在各种传感技术、计算处理技术及通信技术的结合下， 无线传感网络可以应用于各种领域。与传统网络“以一适全 模式不同的是，针 对不同的应用，无线传感网络需要调整自身的配置，如根据不同的应用使用不同 的数据融合、节点密度、自适应协议等，即具体应用具体配置。 2 ) 与物理世界交互。无线传感网络与物理世界紧密耦合，物理现象取代人成 为网络的中心。在无人值守的情况下，网络应该具有主动感知外界的环境状况， 对外界环境变化做出实时反映，根据物理环境的改变决定自身系统状态能力，采 取情景自觉计算。监测对象为中心，实时动态地根据周围的情景执行相应的动作。 在各种情景量中，监测对象的位置和运动轨迹是最主要的一种，如何方便、准确、 动态地检测其位置已受到研究者的高度关注( 刘敏钰，吴泳，伍卫国，2 0 0 5 ) 。 3 ) 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。 4 ) 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 求第2 章无线传感器网络长时间工作( 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。 5 ) 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。 6 ) 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， 6 第二章无线传感网络和操作系统的简介 可能达到几百甚至几千万个。此外，传感器网可以分布在很广泛的地理区域，感 知的范围也很大。而且，传感器网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都 可能移动，并且经常有新节点加入或已有节点失效。因此，网络的拓扑结构不断 变化，传感器与观察者之间的路径也随之变化。 7 ) 数据传输方向性强。在传感器网络中，数据传输具有很强的方向性。通 常，查询信息是通过广播或多播的方式从观察者向网络内传感器传输，而探测结 果信息则是由分布在各处的传感器节点向查询节点汇聚( 阎诺，2 0 0 7 ) 。 2 1 3 无线传感网络的应用 无线传感网络的概念首先出现于2 0 世纪7 0 年代的美国军方，此时的传感器网 络仅仅使用获取简单信号的传统传感器，节点之间采用点对点传输。现代的无线 传感网络出现于2 0 世纪9 0 年代以后，随着无线技术和低功耗v l s i 技术的成熟， 才开始研究大规模、嵌入式无线传感网络。w s n 具有不需要固定网络支持，快 速展开、抗毁性强等特点。因此，无线传感网络不管是在军事方面还是在工业方 面和民用生活方面都有着广泛的应用。( 任丰原，黄海宁，林闯，2 0 0 3 ) ( 1 ) 工业方面的应用：主要包括库存管理、设备故障诊断、恶劣环境生产 过程监控、传统布线难以实现的设备联网，以及工业安全等。英国石油公司总裁 卡萨尔称，传感器网络可用于危险工作环境，在煤矿、石油钻井、核电厂和组装 线工作的员工将可以得到随时监控，以保证他们的工作安全等重要信息。同时， 工作人员从生产流水线到复杂机器设备，都尝试着安装相应的传感器节点，以便 时刻掌握设备的工作健康状况，及早发现问题及早处理，从而有效地减少损失， 降低事故发生率。 ( 2 ) 医疗监护应用：利用无线传感器网络来实现远程医疗监视。通过布置 在不同地方的节点收集到信息，监控界面实时显示人员的活动情况。根据多传感 器的信息融合，可以相当精确地判断出被检测人正在进行的行为，从而监护病人。 同时可以通过节点长时间的收集人的生理数据，健康状况等信息，医生可以远程 地了解病人的情况，从而及时的治疗。 ( 3 ) 家庭应用：家居自动化、居住环境智能化等。在家电和家具中嵌入传 感器节点，通过无线传感网络与i n t e m e t 或移动通讯等连接在一起，将会为人们 提供更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境，如用于家庭健康监测的无线 传感网络系统( k o r h o n e ni ，p a r k k a j ，c ta l ，2 0 0 3 ) 。 ( 4 ) 精细农业的应用：无线传感器网络的诸多优势，因此在农业方面也有 很多的应用。采用无线传感器网络建设农业环境自动监测系统，用同一套网络分 别完成风、光、水、电、热和农药等的数据采集和环境控制，可有效提高农业集 7 第二章无线传感网络和操作系统的简介 约化生产程度，简化系统复杂性，降低设备成本。例如，大棚种植室内及土壤的 温度、湿度、光照监测、珍贵经济作物生长规律分析与测量、葡萄优质育种和生 产等，可为农村发展与农民增收项目带来高科技的辅助手段。 ( 5 ) 生态环境方面的应用：无线传感器网络可以广泛地应用于生态环境监 测、生物种群研究、气象和地理研究、洪水、火灾检测。在野外地区或者不宜人 工监测区域布置无线传感器网络可进行长期无人不间断监测，为生态环境的研究 和分析提供实时丰富的数据资料，并可以给相关领域的研究从方法上起到一个重 大的推动作用。例如，在河流沿线分区域布设传感器节点，随时监测水位及相关 水资源被污染的信息：在山区中泥石流、滑坡等自然灾害容易发生的地方布设节 点，可提前发出预警，以便做好准备，采取相应措施，防止进一步的恶性事故的 发生等等。( 佚名，2 0 0 8 ) ( 6 ) 军事方面的应用：无线传感网络在军事方面的应用更为广泛，无线传 感网络的研究直接推动了以网络技术为核心的新军事革命，诞生了网络中心战的 思想和体系。目前在军事方面的研究包含了各个方面。例如，传感器网络将会成 为c 4 i s r t ( c o m m a n d ，c o n t r o lc 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 ) 系统不可缺少的一部分。c 4 i 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；智能微尘是一个具有电脑功能的超微型传感器，它们可以互相定位，收集数 据并向基站传递消息；战场侦察与监视系统，是一个智能化传感器网络，可以更 为详尽、准确地探测到精确信息，如一些特殊地形地域的特殊信息等，为更准确 地制定战斗行动方案提供情报依据：防生化网络，它是美国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车站、地铁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。( 郭庆磊，2 0 0 8 ) 2 2 无线传感网络操作系统 操作系统技术是无线传感器网络的支撑技术之一，而无线传感网络操作系统 是一个真正的嵌入式操作系统，无线传感器网络的独特性又对操作系统提出新的 需求，操作系统必须充分考虑无线传感器网络的独特性，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。因此，一个无线 传感器的操作系统，除了要满足传统嵌入式系统对于资源受限、可移植性、实时 性等方面的要求外，根据无线传感器网络的特点还需考虑下列新的要求：( 李晶， 王福豹，段渭军，等，2 0 0 6 ) 8 第二章无线传感网络和操作系统的简介 1 ) 自适应：包括改变系统行为，以适应环境和资源( 如能源) 变化的结点自适 应能力。 2 ) 可信赖：包括可靠性、容错性、安全和私密性、易用性等。 3 ) 可升级：指对系统软件进行透明或不透明的升级，以适应环境和功能需求 的变化，以及根据用户需求调整系统配置的重构能力。 4 ) 节能：能源是决定传感器网络生存寿命的关键因素，系统需要具有能量感 知的能力，对性能和能耗应进行折中处理。 总之，无线传感器操作系统的主要设计目标就是在非常有限的硬件资源约束 下，以模块化、可升级的系统结构实现低能耗、高可靠性、具有实时性的操作系 统功能，支持密集型的并发操作，并支持传感器系统的可重构和自适应能力。 2 2 1 无线传感网络操作系统的发展现状 在无线传感器网络节点操作系统的研究上，国外许多大学、研究机构或商业 组织都参与其中。到目前为止，已经开始出现一些面向无线传感器网络的操作系 统。根据实现机制可以把现有的无线传感器网络操作系统分为两类，即通用的多 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 ， 嵌入式l i n u x ，m a n t i s 。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，在功耗、运行开销等方面具有优势，因此备受关注。典型的代表如 t i n y o s ，c o n t i k i ，s o s 等。按内核调度策略可分为两类：一类是面向强实时应 用的抢占式操作系统，如m a n t i s o s ，s n o w o s 等；另一类是面向弱实时应用的 非抢占操作系统，典型的有t i n y o s ，b t n o d o e o s ，s o s 等。但这些操作系统仍 然不能满足不断发展的无线传感器网络的应用要求，面向特定的应用的新无线传 感器网络节点操作系统仍然不断被提出。( 王正元，2 0 0 8 ) ( 王漫，何宁，裴俊， 等，2 0 0 7 ) 目前应用较多的几个典型的传感器网络节点操作系统如下： ( 1 ) t i n y o s 美国加州大学伯克利分校的t i n y o s 操作系统是基于事件驱动的无线传感器 网络操作系统( j a s o nlh i l l ，2 0 0 3 ) ，t i n y o s 实现了用最少的硬件支持网络传 感器的并发密集型操作。基于组件方式组成( 刘信新，邵明凯，2 0 0 7 ) ，主要由 m a i n 组件( 包括调度器) 、用户组件、系统服务组件和硬件抽象层组成。图2 2 是它的组件模型。硬件抽象层实现了无线传感器硬件平台，为上层屏蔽底层硬件 9 第二章无线传感网络和操作系统的简介 细节，简化系统平台移植。系统服务组件包括通信服务组件、传感服务组件和执 行组件三部分，其中通信服务组件支持数据传输协议( m a c 协议、路由协议、应 用层协议) 和无线通信模块的控制，传感器组件支持数模转换操作和各种传感器 模块的控制和数据收集：执行组件用于控制l e d 指示灯，继电器，步进电机等， 以实现对外界的信息反馈或控制。用户组件由用户根据具体应用的需要定义，实 现具体应用相关的功能和策略。m a i n 组件实现整个操作系统的控制流程，主要 是进行整个无线传感器的初始化以及系统运行状态的维护。 1 命令函数 l堡墨i 事件函数 广：= l 局部变量i 图2 2t i n y 0 s 组件模型 目前，t i n y o s 是事实上的传感器网络节点操作系统标准，它为面向应用领 域的无线传感器网络应用系统的集成提供了一个基于构件的软件框架。该系统在 能耗利用方面较好，同时也提供了一定的灵活性以适应外部环境。但t i n y o s 不 支持多任务切换，在一个任务执行完成之前，其他任务是没有机会执行的( 即使 当前运行的任务处于停止状态) ，t i n y o s 使用f i f o 方式进行任务调度，实时性 较差。 ( 2 ) s o s s o s 是由加里福利亚大学( u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a ) 开发的无线传感器网络节 点操作系统。它沿用了t i n y o s 基于事件的驱动模型，并以c 语言编写，用标准 c 编译器交叉编译。s o s 目前支持的硬件平台包括而m i c a 2 、m i c a z 、x y z m o t e 、 c r i c k e t 、t m o t e s k y 以及i n t e l m o t e 2 。( 胡耀东) s o s 操作系统主要包括一个通用内核和一个动态装载模块，实现了消息传 递、内存管理、模块装载卸载以及其他一些服务。s o s 内核一般不需要修改，只 有在增加硬件资源时，才需要增加新的设备驱动。它的内核体系如下图。 动态内存管理消息调度 动态链接器 传感器管理 消息l ，o 系统时间 无线设备驱动亿c 设备驱动 a d c 设备驱动 图2 3s 0 s 的内核体系 1 0 内核部件 s o s 服务层 设备驱动层 第二章无线传感网络和操作系统的简介 在无线网络应用中当节点部署到环境中以后，由于应用任务的变化，用户可 能赋予无线传感器系统新的功能需求。因此，系统必须具有自适应和自配置的能 力。这也是s o s 系统的主要优点，s o s 系统实现了动态可编程，通过动态编程 可以在节点中增加新的模块，即模块可以动态加载。s o s 中的模块不是一个进程， 模块之间不相关，但模块之间可以交互，模块与内核可以交互。 s o s 没有提供内存保护机制，但它区分内核和用户模式，并采用动态内存管 理降低编程复杂性和提高临时内存的重用率，此外，该操作系统还采用优先权调 度来处理中断，提高时间关键任务的性能( 王正元，2 0 0 8 ) 。 ( 3 ) m a n t i s m a n t i so s ( s h a hb h a t i ，j a m e sc a r l s o n ，h u id a i ，2 0 0 5 ) 是由美国科罗拉 多州大学研发的面向传感器网络的微型操作系统，它是一个支持无线传感器网络 迅速构建的多线程嵌入式操作系统。它的内核和a p i 用标准c 语言编写，易于 用户使用。在m a n t i so s 基础上，应用的开发周期短，测试、调试方便。此外， 该操作系统还支持多模态原型以及对传感器节点的动态重编程、远程调试。 m a n t i so s 的体系结构分为核心层、系统a p i 层以及网络栈和命令行服务器3 部分。其中核心层包括进程调度和管理、设备驱动层、通信层，核心层与系统 a p i 层进行交互，向上层提供应用程序接口。 m a n t i s 线程由两部分构成：静态线程头以及动态线程堆栈。线程头存储于线 程表中，最多允许1 5 个线程。m a n t i s 通过线程头的静态构造，缩短线程的构造 时间。m a n t i s 在调度策略上采用基于优先级的时间片轮转方法，共支持5 个线程 优先级：k e r n e l 、s l e e p 、h i g h 、n o r m a l 和i d l e 。m a n t i so s 通过s l e e p ( ) 函数实现节 能。s l e e p 0 函数可接收睡眠时间作为参数当所有线程均睡眠时，m a n t i so s 使 系统进入节能状态。同时，与其它操作系统不同的是，m a n t i s 意识到动态重编 程的重要性，提供了无线代码发布功能，能够在基站通过无线通信完成节点代码 替换，可以更新单个变量、单个线程甚至是整个操作系统( 目前仅实现了单个变 量的更改) 。此外，该系统还提供了远程s h e l l 供用户登录到传感器节点上察看 系统情况。 ( 4 ) s e n o s s e n o s 是一个基于有限状态机模型的无线传感器操作系统，以小尺寸、低功 耗、支持并发性、及时响应性和动态重构能力为设计目标。基于状态机的软件模 型可以支持受控的并发性和及时响应性，简化设计，并提供了大量代码生成工具 以自动产生运行代码。s e n o s 的系统结构包括三个构件：由接收输入事件的状态 排序器和事件队列构成的内核、状态转换表以及回调函数库。内核检查事件队列 并在输入事件有效时根据状态转换表转换状态、触发回调函数。回调函数库包含 第二章无线传感网络和操作系统的简介 一组用户定义的函数，决定了传感器节点的功能。内核及回调函数库静态构建并 存储在r o m 中，而状态转换表可以进行动态的修改或替换。s e n o s 通过多张状 态转换表支持多个用户应用的共存，并通过切换状态转换表提供并发支持。也就 是说，每个状态转换表定义了一个用户应用。在发生应用任务的抢占时，由内核 负责保存当前任务的状态、恢复后续任务的状态、替换当前的状态转换表。s e n o s 中的监视器负责动态的载入应用。监视器中的中断过滤器接收并处理来自通信部 件的应用载入消息，监视器中断内核的执行后载入新的状态转换表。 ( s u p e r r o b b e r ) ( 5 ) c o n t i k i c o n t i k i 是由瑞典计算机科学研究所( s w e d i s hi n s t i t u t eo fc o m p u t es c i e n c e ) 开 发的开源、高度可移植、可多线程的节点操作系统。它的基本特点包括动态加载 特性，良好的灵活性及高效性。c o n t i k i 的第一个版本是2 0 0 3 年发布的。 c o n t i k i 采用基于进程事件驱动单线程调度体系。进程之间是不可以抢占的， 但可以被中断抢占。c o n t i k i 的内核维护了一个进程链表，进程之间有优先级， 内核根据优先级来决定其在进程链表中的位置。内核把事件队列里的事件派发给 相应的进程( 这里的进程不是传统意义上的进程，可理解为任务) ，同时内核提供 了一种轮询机制，主要提供给那些需要不断检查硬件状态的进程使用。为了提供 底层的实时性，c o n t i k i 不禁止中断，但是不允许中断处理例程与进程之间出现 竞争条件，进程只能通过事后轮询机制进行与中断相关的操作。c o n t i k i 内核不 支持多线程，但允许将线程封装到进程中，以用户级函数库的形式实现( 缪仕福， 2 0 0 7 ) 。 2 2 2 无线传感网络操作系统的特点 无线传感网络操作系统是一个分布式的自组织网络系统，它由大量廉价的、 资源极端受限( 处理器速度、内存大小、存储器大小、通讯带宽、资源数量以及 电源受限) 的微型传感器节点组成。由于w s n 的特殊性，导致其对操作系统的需 求相对于传统的操作系统有较大差异。 根据无线传感网络的特点来研究和设计面向无线传感网络的操作系统 ( w s n o s ) 和相关软件。同普通的操作系统一样，传感器网络操作系统也是为了 提高软件的重用性、降低应用开发的难度，它也应该提供物理设备的抽象和通用 的a p i 函数。其独特性在于资源极端受限、设备的特殊性和缺乏一致的抽象层 次。因此，无线传感网络操作系统的设计目标是高效地使用传感器节点的有限资 源，且能够对各种特定应用提供最大的支持。其设计策略应该是一个资源库，从 中抽取一部分组成应用。 1 2 第二章无线传感网络和操作系统的简介 此外，在传感器网络中，单个传感器节点主要有两个特点：一是它的并发性 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 足这种发生频率、并发程度很高、执行过程比较短的逻辑控制流程，无线传感网 络操作系统一般采用比线程更为简单的轻量级线程技术和两级调度方式，以有效 利用传感器节点的有限资源。( 王漫，何宁，裴俊，等，2 0 0 7 ) 另外，传感器节点的模块化程度很高，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前提下，应用程序的各个部分能够 比较方便地进行重新组合。 归纳起来，无线传感网络操作系统的特点如下：( 赵健华，2 0 0 7 ) ( 1 ) 由于节点存储资源极其有限，无线传感网络操作系统应该可以根据不 同的应用系统进行裁剪和扩充，只实现必要的功能，从而以最小的代码量满足系 统需求。 ( 2 ) 在无线传感网络中，操作系统和应用程序的区分并不明显。它们在宿 主机上一起被编译，然后烧写到目标节点上，目标代码中同时包含了两者。另外， 操作系统和应用程序在同一地址空间上运行，它们对硬件的访问权限相同，也就 是说应用程序可以直接操纵硬件资源。所以在本质上，所有代码都是应用程序。 ( 3 ) 为了有效利用电能，降低功耗和满足并发性的要求，大多数，无线传 感网络操作系统使用事件驱动模型。当没有任务需要处理时，c p u 睡眠，然后 由外部事件来唤醒。 ( 4 ) 无线传感网络操作系统通常采用微内核结构，其核心只提供操作系统 的基本功能，如进程线程调度与同步、中断管理、时钟管理、原子操作等。其 它功能模块如文件系统、存储管理、通信协议栈都可看成可选的应用。 ( 5 ) 无线传感器网络操作系统是一个分布式操作系统，没有中心服务器。 同时无线传感器网络操作系统具有可重构能力。当节点工作失常时，要求能自恢 复自组织。 2 2 3 无线传感网络操作系统s o s s o s ( s h a r e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种面向无线传感器网络的新型操作系 统，是由加州大学洛衫矶分校网络和嵌入式实验室( n e s l ) 为无线传感器网络节点 开发的一款典型的事件驱动操作系统，能显著降低系统的能耗。与当前最流行的 传感器网络操作系统t i n y o s 相比。在调度策略、动态内存管理、动态模块加载 等方面都做了相应改进。同时，它沿用了t i n y o s 的事件驱动模型，采用松散耦 合的模块化结构设计。模块与模块之间、模块与内核之间采用主动消息机制的通 信模式。并且采用标准c 编写，可以用标准c 的编译器编译。 1 3 第二章无线传感网络和操作系统的简介 ( 1 ) s o s 系统架构 s o s 在设计的时候，除了考虑了传统的嵌入式系统本身有的技术，内核还提 供了动态连接模块，优先级序列表，以及动态内存管理的子系统。内核提供的这 些服务可以帮助用户在一般配置后的修改。大部分传感器网络层的应用和网络协 议都发生在以内核为中心的模块之间。一个路由协议和