（模式识别与智能系统专业论文）基于sos内核的无线传感器网络节点操作系统设计.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络能够实时监测 感知 采集和处理各种监测对象的信息 具有非常广阔的应用前景 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 无线传感器网络的特点 使得传统的嵌入式操作系统很难直接使用 无线 传感器网络节点操作系统除了应该具有一般嵌入式操作系统用的功能外 还应 该负责管理节点各种资源 实现能量管理 甚至还应该实现通讯协议等功能 无线传感器网络节点操作系统的设计应满足 小代码量 模块化 低功耗 健 壮性等要求 本论文的研究目的是针对本实验室研制的基于c c 2 4 3 1 的无线传感器网络 节点 设计适用的操作系统 并实现具有定位导航功能的无线传感器网络 本论文首先分析了无线传感器网络的特点及其对操作系统的设计要求 并 介绍了几种当前比较流行的无线传感器网络节点操作系统 主要研究了加州大 学洛杉矾分校设计的无线传感器网络节点操作系统s o s s h a r e d0 p e r a t i n g s y s t e m 设计了基于s o s 内核的操作系统s o s 一5 l 介绍了它的模块化结构设 计 模块的动态性 消息通讯机制 事件驱动机制 调度策略以及动态内存管 理等 重点介绍了s o s 一5 1 的代码组织结构 提出了s o s 系统内核移植的思路 针对本实验室设计的基于c c 2 4 3 1 的无线传感器网络节点平台 建立了系统移植 环境 介绍了系统的移植过程及移植过程中需要注意的地方 本论文的最后介绍了s o s 一5 l 的硬件描述层设计 添加了应用模块 完善了 操作系统设计 并设计了相关测试试验 测试操作系统的功能 传感器网络的 通讯性能及应用模块的功能 试验结果表明操作系统能稳定的运行在硬件平台 上 传感器网络也能正常的工作 能完成基本的定位功能 本文的研究内容得到了国家自然科学基金项目的资助 项目编号6 0 5 3 5 0 1 0 关键词 无线传感器网络操作系统s o st i n y o sc c 2 4 3 1 操作系统移植 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 kw s n w l e s ss e n s o rn e t v 峋k s c a nb er e a l 一曲1 em o m r i n g 鼢1 s i n 吕a c q l j i 血ga n d p f o c e s s i n gt h ei n 南肌a t i o n a n dh a sv 唧b 啪dp r o 渺 hi sa ne m e 唱 m gh d tt e c h n o l o 纵a n d h a s b e e n n c e m e d b ya l l o v 盯t h e w o d d t h e 仃a d i t i o n a le m b e d d e do p 咖i n g s t e mc a nn o tb e u s e di m m e d i 砒e 矽b e c a u s eo f 龇 c h a 眦t 甜s t i c so f w s n i na d d i t i o nt ot h em n 西o n so f t h eg e n e 删e m b e d d e do p e 眦i n gs y s c e i n m eo 睁a t 咄 妣mo f w s ns h o u l dh a v et h er e s p o 戚b i l 时f o rm 卿g 慨r e 燃0 f t 1 1 en o d 链i m p l e m e m i n gt 1 1 ee n 唧m a n a g e m 咖a e v e l li ts h o u l di m p l e m e n cc o 删t u j n i c a t i o n 印 呶d t h eo p e r a t i n g 剐s c e n lo f w s n s 1 1 0 u l db ed e s i 印e dt om 鳅 s m a l lc o d e m o d u l 撕硪i o n l o w p c y w e rc o n 跚m p t i o n r o b u 或n e s s 嘲妇饥t sa n ds oo n i nt h i sd i s s e n a t i o n t h em i r p o l s eo f t h es t u d yi st 0d e s 蜘a na p p l i c a b l e0 p 础g s y s t e l nf 研t h e n o d ew h i c hw eh a v ed 商印e db a s e d0 nt h ec 2 4 3 1 a n dt h e nt of b 彻aw s nt h 砒h a v em e 旬n c c i o no f l o c a l 协i o na n dn a 忻g 撕o n i n sd i s 涮协i o n f i r s t l ya n a l y s i st h ec h 厕s t 豳o f w s na n d 她d 商印嘲咖e m s0 f t h e o p 耐崦舛e m o f w s n 锄d 蛐c e s e e f a jp 0 叫a r o p 啦舛e m 断w s n m m a i n c o m e n co f 恤sd i s s e i t a 曲ni st os n j d yt h es o sw h i c hi sd e s i 印e df 研t h ew s nn o d e sb yt h e u c l d 商印a no p 咄舛e m s o s 一5 lb a s 甜o nt h el e lo f t h es o s 沁l u d 吨 m 砌l l a r 砌缺 劬广e d a m i c 融l e 涨潞a 咎c o 埘m n i c a t i o nm e c h a n i s m e v e n 嘶v e nm e c h 觚i s l n s c h e d i n g 咖t e g ya n dd y m m i cm e m o 呵m a n a g e m e n t t h ef b c u s0 ft l l i sd i s s i 删i o ni st 0 c l e s 秭b et h eo r g 枷o ns 舡u m 鹏o f 妇s o s 一5l p u c 硒w 们t h ei d e ao f p o n 崦t h es o s 锄d e s t a b l i s has y s t e mp o n i n ge n 谛 耵i m e n o nt 1 1 en o d e 恤w ed 商印e db a 9 e do n t h ec c 2 4 3 1 锄d m e n i n 吣o e s p c 毗i n g p r o c e s s a n d t h e p l a c e w h e r e w es h o u l d p a ya t 枷0 n t 0 i i lt h el a s to f t h i sd i s s e n a t i o n a d d 觥a p p l i c a 士i o n 融l e sa n di m 剐t h e o p e r 蕊n gs y s t e m d e s i g ha n dt h e nd e s i g no f t h er e l e 啪ct e s st 0t e 或t h eo p e 哪i n g s c e n l t h ew s na n dt h e 劬c c i o no f t h ea p p l i c a 士i o nm o d u l e s t h er e 刚l t ss h 删t h 砸t h eo p 幽g s y s t e mc a ns c a b l ym n 0 nt 1 1 e 捌w a r ep l 蜘a n ds e n s o r 喇w 甜 sc a n 舯嗍l l yw o r kt oc o m p l d e 也ep o s i t i o 血g c 印撕l i t i e s t h i sd i s 阳t a l i o ni ss u p p o n e db yn a 士i o n a ln a t l l m l s c i e n c ef 伽n d a l i o no f c h 妇啪d e rg 咖t 6 0 5 3 5 0 1 0 k e y w o r d s w i r d e s ss e n s o rn e t v o i bo i e f 嘶n gs y s t e 叽s o s t i n y o s c c 2 4 3l o f e r 面n g s 姆e m p o n 咄 中国科学技术大学学位论文相关声明 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己在论文中作了明确的说明 本人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 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 作者签名 年 月日 第l 章绪论 l 1 课题背景及其意义 第l 章绪论 集成智能传感器技术 微机电系统技术和网络通讯技术三大技术而形成的无 线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术 任丰原等 2 0 0 3 掀起了一 场后p c 时代的革命 被认为是将对2 l 世纪产生巨大影响的高新技术之一 2 0 0 3 年2 月份的美国 技术评论 杂志评选出对人类未来生活产生深远影响的十大新 兴技术 传感器网络即被列为第一 美国 商业周刊 在2 0 0 3 年8 月的技术评 论中 已经将传感器网络定位成2 l 世纪高技术领域的四大支柱型产业之一 于 海斌 曾鹏等2 0 0 6 其潜在的市场需求巨大 传感器网络系统己引起了世界各 国学术界 军事部门和工业界的极大关注 无线传感器网络自身的特点 网络节点密集度高 数量巨大 各节点之间 要相互协调 每个节点的计算能力 存储能力和通讯带宽都有限 应用类型多 种多样 工作环境恶劣等 另外无线传感器网络节点普遍采用电池供电 降低 能耗 延长网络寿命始终是一大挑战 操作系统技术是无线传感器网络的支撑技术之一 它必须充分考虑无线传 感器网络的独特性 高效地组织 管理硬件资源 并为应用软件提供服务 满 足不同的无线传感器网络应用在功能和性能方面的特殊需求 除了要满足传统 嵌入式系统对于资源受限 可移植性 实时性等方面的需求外 还要考虑的需 求主要有 1 自适应 适应环境和资源 如能源 变化的节点自适应能力和 根据用户需求调整系统配置的重构能力 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 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 等 当前 对w s n 的研究主要集中在通信协议上 约占研究点的3 5 其次是 能耗管理 约占1 6 再次是定位算法 体系结构设计和可靠性研究 三者共占 研究点的2 4 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 感器网络的操作系统是无线传感器网络系统的基本软件环境 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 对无线传感器网络节点操作系统的研究与应用具有非常宽广的空间 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 第l 章绪论 系统的建模 传感 导航和摔制基础理论及关键技术研究 6 0 5 3 5 0 1o 该项目 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 我主要参 与无线传感器网络节点软件相关部分的研究开发工作 论文的主要部分也是围绕 着软件部分展开 是对我工作的总结 1 2 无线传感器网络及其应用 无线传感器网络节点集成了传感器 数据处理单元和通信模块 这些节点 随机分布 通过自组织的方式构成网络 节点中内置形式多样的传感器 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我 们感兴趣的物理现象 在微机电技术支持下的微小传感器技术和节点问的无线通信能力赋予了传 感器网络广阔的应用前景 在许多领域都有重要的科研价值和实用价值 主要 表现在军事 环境 医疗 家庭和其它商业领域 在空间探索和灾难拯救等特 殊的领域 传感器网络也有其得天独厚的技术优势 任丰原等 2 0 0 3 重要 的需求和应用趋势可以归结如下 缪仕福 2 0 0 7 孙利民等 2 0 0 5 1 工业应用 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等 如文献 a k y i l d i zl f s uw e t c 2 0 0 2 中谈到了w s n 应用于工厂自动化生产线的问题 因传统的有线网络 当设备 较多时 设备之间的连线将很复杂 2 环境应用 主要是环境观测和预报系统 环境问题越来越引起人们的 关注 无线传感器网络在环境保护监测方面将给人们提供很大的帮助 应用包 括 森林火灾的监测 水汶监测 精密农业等 还可以通过跟踪鸟类 小型动 物和昆虫进行种群复杂度研究等 一个典型的生态环境监测应用是美国加州大 学伯克利分校i n t e l 实验室和大西洋学院联合在大鸭岛上部署了一个多层次的传 感器网络系统 用于监测岛上海燕的生活习性 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 如文献 k o r h o n e ni p a r k k a j e t c 2 0 0 3 中谈到了芬兰技术研究中心的用于家庭健康监测的无线传感器网 络系统 4 医疗护理 传感器网络在医疗系统和健康护理方面的应用包括监测人 体的各种生理参数 跟踪和监控医院内医生和病人的行动等 第l 章绪论 5 商务应用 大厦的环境监摔 交通监控与车辆跟踪 商店商品管理 智能玩具等 如文献 于海斌 曾鹏等 2 0 0 6 中谈到了斯坦福大学研究建筑 物结构健康的传感器网络系统 6 军事及反恐 传感器网络的可快速布置 可自组织 隐蔽性强和高容 错能力等特点 使其非常适合在军事上应用 应用包括敌军兵力及装备监视 战场的实时监视 目标追踪定位 战争损伤评估 核和生化攻击的探测与侦察 等 如在地雷上装上w s n 节点 可以与士兵身上的w s n 节点通讯 识别敌我 而有选择性地爆炸 如著名的s m a nd u s t 项目就是为了给美国军方提供在一立 方毫米的体积内自治地完成感知和通信功能的设备原型系统 鼬i sp i s t e r 2 0 0 1 传感器网络已经成为军事系统不可少的一部分 受到军事发达国家的 普遍重视 各国均投入了大量人力和财力进行研究 1 3 无线传感器网络的体系结构 无线传感器网络节点是以自组织形式构成多跳中继的分级结构网络 如图 1 1 所示 图1 1 传感器网络体系结构 传感器网络体系结构中通常包括传感器节点 网关节点和用户监控中心 孙 利民等 2 0 0 5 大量传感器节点随机分布在监测区域内部 通过自组织方式 构成网络 传感器节点监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输 如图 1 1 中箭头方向 在传输过程中监测数据可能被多个节点处理 经过多跳后 路由到网关节点 最后通过互联网或卫星到达监控中心 用户对传感器网络进 第l 章绪论 行配置和管理 发布监测任务以及收集监测数据 赵建华 2 0 0 7 在传感器网络中 节点任意布撒在被监测区域内 可以通过飞行器撒播 人工埋置等方式完成 节点部署完成以后 按照以下过程进行组网 第一步 部署后的传感器节点进入到自检启动唤醒状态 每个传感器节点 都会发出信号 收集并记录周围传感器节点的工作情况 采用洪泛方式建立网 络拓扑 第二步 分散的传感器节点会根据侦察到的周围传感器节点的情况 以自 组织的方式构成支持动态拓扑的多跳中继分级结构网络 在这样的网络中 具 有某种关联的网络节点组成簇 c l u s t e r 在簇内 通常有一个按一定规则推 选产生的s i n k 节点 如图1 1 中的节点a b c d 和e 普通节点通过多 跳中继方式将监测数据传到s i n l 节点 最后通过临时建立的s i n l 链路将整个 区域内的数据传送到网关节点 为了适应由于s i n k 节点死亡或者由于s i n k 节点 选举不合理造成的通信失败 要通过重新推选s i n k 节点来适应网络拓扑结构的 变化 第三步 在无线传感器网络中 节点之间根据一定的路由算法选择合适的 路径进行数据通信 将数据送到网关节点 最后由网关节点把数据通过i n t e m e t 或卫星传送到监控中心 以进行进一步的处理 无线传感器网络节点是一个典型的微型的嵌入式系统 只是它的处理能力 存储能力和通信能力与传统的嵌入式系统相比相对较弱 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 器的双重功能 除了进行本地信息收集和数据处理外 还要对其它节点转发来 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 赵建华 2 0 0 7 目前传感器节点的软硬件技术是无线传感器网络研究的重 点之一 网关节点的处理能力 存储能力和通信能力相对普通节点要强一些 它连接着整个无线传感器网络与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 同时发布节点的监测任务 并把收集的数据转发到外部网络上 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 1 4 无线传感器网络节点及其操作系统 无线传感器网络的软硬件技术直接影响着网络的性能 是无线传感器网络 研究的关键技术之一 无线传感器网络节点是无线传感器网络的基本单元 是 第l 章绪论 一个典型的微型的嵌入式系统 由节点硬件平台和节点操作系统两个部分组成 下面分别介绍一下这两个部分的研究状况 1 4 1 无线传感器网络节点 1 无线传感器网络节点的结构 传感器节点是传感器网络的基本单元 一般由数据采集模块 处理器模块 数据传输模块和电源管理模块组成 如图1 2 所示 数据采集模块处理器模块 数据传输模块 i o i 处理器 广丁 i 刊器要h 眦h 收发器i l 传感器卜 叫a c c 卜 存储器 一 牟 一 v 一 i 电源管理模块 图1 2 传感器节点体系结构 传感器节点作为一个完整的嵌入式系统 要求其各个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 1 数据采集模块 数据采集模块主要由各种类型的传感器模块和a d d c 转换模块构成 被监 测物理信号的形式决定了数据采集单元的类型 不同类型的传感器无论从功能 还是能耗方面看均存在很大差异 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 网络化的传感器系统可以提高系统的测量准确度 2 处理器模块 处理器模块是无线传感器网络节点的计算和控制中心 主要功能是传感器 信号的初步数据处理 及其他一些任务处理 一般包括处理器和存储器 处理 器模块通常选用嵌入式c p u 负责协调节点各个模块的工作 包括对数据采集 第l 章绪论 模块获取的信息进行必要的初步处理及保存 控制数据采集模块和电源管理模 块等 目前使用较多的微处理器是a t m e l 公司的a 系列微处理器 a t m e g a l 0 3 l a t m e g a l 2 8 l 等 t i 公司的m s p 4 3 0 也是使用较多的微处理器 之一 当前最流行的嵌入式微处理器是3 2 位的a r m 处理器 很有可能成为下 一代传感器节点设计的考虑对象 赵建华 2 0 0 7 3 数据传输模块 数据传输模块主要由低功耗 短距离的无线通信模块组成 相关的软件还 要包括网络传输协议 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 并且收发数据的功耗要非常低 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i u m 公司t r l o o o c h i p c o n 公司的c c l o o o c c 2 4 2 0 等 其中支持位操作的c c l o o o 和兼容 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的c c 2 4 2 0 是使用较多的无线通讯模块 4 电源管理模块 电源管理模块为网络节点提供正常工作所必需的能源 还要提供能源管理 机制 无线传感器网络一般都是布置在人烟稀少或危险的区域 无法人为的补 充电源 只能求助于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 主要有三种 碱性电池 锉电池和镍电 池 片上电池的容量相当有限 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 2 传感器节点的特点 无线传感器网络一个重要的特性就是应用相关性 不同的应用要求不同的 网络模型 硬件平台及系统软件 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嵌入式系统 赵建华 2 0 0 7 不同的应用 传感器节 点的设计需求一般如下 1 微型化 无线传感器网络节点在保证对目标系统本身的特性不会造成 影响的基础上 应该在体积上足够小 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 2 低成本 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 3 稳定性和安全性 传感器节点被布置在人烟稀少或危险的区域 无法 人为的维护 所以传感器节点必须具有稳定性和安全性 传感器节点的设计需求使得节点的硬件资源受限 微型化以及低成本都对 6 第l 章绪论 传感器各个部件的设计都提出了苛刻的要求 实现各种网络协议和应用系统时 存在以下一些现实约束 孙利民等 2 0 0 5 1 能源有限 传感器节点体积微小 通常携带能量有限的电池 由于传感器节点个数多 成本要求低廉 分布区域广 而且部署区域环境复杂 有些区域甚至人员不能 达到 所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的 如何高效 使用能量来最大化网络生命周期是传感器网络面临的首要挑战 2 通讯能力有限 无线传感器网络的通信频段一般取2 4 g 通讯带宽有限 随着通信距离的 增加 能耗将急剧增加 又由于环境的影响如地波的吸收等 所以通讯距离有 限 无线通讯半径在1 0 0 m 以内比较合适 3 计算和存储能力有限 传感器节点是一种微型嵌入式设备 要求它价格低功耗小 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 传感 器节点需要完成监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 因此如何利用有限的计算和存储资源 完成 诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战 3 传感器节点的的研究现状 目前 实用化的节点不多 比较著名的无线传感器网络节点 国外主要有 智能尘埃 s m a r td u s t 节点 k r i sp i s t e r 2 0 0 1 加州大学伯克利分校研制 的用于传感器网络研究的m i c a 系列节点 包括w e c r e n e e m i c a m i c a 2 m i c a 2 d o t s p e c 美国国防部d 舢 冲a 支持的n e s t 项目的t e l o s 节点 国内 方面 关于无线传感器网络主要是由一些高等院校和研究机构牵头来研究的 黄 光燕 2 0 0 5 国内研制的节点主要有 中科院计算所研制的d 川 n s 系列节点 沈阳自动化所的s i a m s 一1 0 节点等 1 4 2 无线传感器网络节点操作系统 无线传感器网络节点是一个微型的嵌入式系统 与传统嵌入式系统的差别 就是携带非常有限的硬件资源 处理器速度 存储器大小 内存大小 通讯带 宽 以及电源受限等 所以需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存 处理器和能源 且能够对各种特定应用提供最大地支持 在面向无线传感器网 络的操作系统的支持下 多个应用可以并发地使用系统的有限资源 无线传感 器网络的特点使得无线传感器网络节点的操作系统与传统的嵌入式操作系统有 7 第l 章绪论 很大的区别 传统的嵌入式操作系统很难直接使用 1 无线传感器网络节点操作系统设计需求 无线传感器网络节点操作系统除了应该具有一般嵌入式操作系统的功能 实现基本的物理硬件的抽象外 还应该负责管理节点各种资源 实现电源管理 甚至还应该实现通讯协议等功能 王漫 何宁 裴俊等 2 0 0 7 传统的嵌入 式操作系统没有考虑能量供应问题和存储空间的问题 传感器网络节点操作系 统的设计应满足以下要求 李晶 王福豹等2 0 0 6 1 小代码量 一般无线传感器网路节点处理器的运算能力和存储器的容 量有限 因此操作系统的核心代码量必须要尽量小 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 不同的无线传感器网络应用关心不同的物理量 对系统的要求也不同 其硬件平台 软件系统和网络协议有很大的差别 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 这就要求操作系 统具有良好的可移植性 模块化设计是必然的趋势 3 低功耗 无线传感网络操作系统一个很大的特点 就是要包含能量管 理模块 目前 一个典型的传感器网络节点采用2 节a a 电池供电 能量有限 并且节点数量众多导致更换节点的电池是不可行的 因此低功耗的操作将延长 整个网络的生命周期 是无线传感器网络节点操作系统设计必须满足的条件 4 健壮性 w s n 节点被大量布撒在特殊的环境 无法进行人工维护 节点必须独立的运行 直到能量耗尽 这就要求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 5 并发操作性 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 数据转发可能同时进行 操作系统需要具备支持严格并发操 作的能力 2 无线传感器网络节点操作系统的特点 对无线传感器网络节点操作系统的研究涉及的内容很多 如任务管理 内 存管理 低功耗通讯协议 电源管理等 考虑到单个传感器节点的硬件资源有 限 如果采用传统的进程调度方法 首先硬件就无法提供足够的支持 其次 由于传感器节点的并发操作可能比较频繁 而且并发执行流程又很短 这也使 得传统的线程调度无法适应 所以 无线传感器网络节点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 赵建华 2 0 0 7 归纳起来 w s n 的特点决定了其操作系统的特点如 下 第l 章绪论 1 南于节点存储资源极其有限 无线传感器网络节点操作系统应该可以 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 在无线传感器网络中 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 大多数无线传感器网络操作系统使用 事件驱动模型 当没有任务需要处理时 c p u 将处于睡眠状态以减少能耗 可 以由外部事件来唤醒 4 无线传感器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 如进秽线程调度与同步 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具有可重构能力 当节点工作失常时 要求 能自恢复自组织 6 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 3 无线传感器网络节点操作系统的研究现状 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 i 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 一嘶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 n 嵌入式l i 叫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 李晶 王福豹等 2 0 0 6 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 v 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 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 第l 章绪论 1 t i n y o s t i n v o s t i n v o s 网站 是目前最流行的无线传感器网络操作系统之一 它 采用了组件结构 是一个基于事件的系统 j a s o nlh i l l 2 0 0 3 其设计的主 要目标是代码量小 耗能量少 并发性高 鲁棒性好 能够突破传感器节点各 种苛刻的限制 可以适应不同的应用 非常适合w s n 的特点和应用需求 因 而被广泛应用于w s n 中 并成为很多系统的参考设计 完整的系统由一个调度器和其它功能组件组成 组件由下向上可分为硬件 抽象组件 综合硬件组件和高层软件组件 高层组件向底层组件发出命令 底 层组件向高层组件报告事件 调度器为两层调度结构 j a s o nh i l l e t c 2 0 0 0 第一层维护着命令和事件 它主要是在硬件中断发生时对组件的状态进行处理 第二层维护着任务 负责各种计算 t i n y o s 的组件层次结构就如同一个网络 协议栈 底层的组件负责接收和发送最原始的数据位 高层的组件对这些位数 据进行编码 解码 更高层的组件则负责数据打包 路由和传输数据 2 s o s s o s 是加州大学洛杉矾分校在使用t i n v o s 的过程中 发觉它有一些不足 的地方而发展起来的 s o s 沿用了t i n y o s 基于事件的驱动模型 以c 语言编 写 用标准c 编译器交叉编译 它采用的是模块化的结构方式 系统由可以动 态加载的应用模块和系统内核两部分构成 系统内核实现了消息传递机制 动 态内存管理 模块的加载与卸载等 模块与内核间通过系统跳转表进行通信 模块中的函数也可以通过登记函数的入口点 供其它模块调用 s o s 参考了 s p 采用类型安全语言 以提高内核的安全性 它采用了动态重编程的思想 可以实现在单个节点上动态装卸代码模块 它的内核与模块都使用动态存储 采用的是基于优先级的不可抢占的调度方式 c h i h c h i e hh a n r a mk u m a r r e n g a s w a m y 2 0 0 5 3 m a n t i s m a n t i 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 是由科罗拉多大学 开发的传感器网络嵌入式操作系统 易于使用和灵活性是其设计目标 以便程 序员通过简单的学习就能够快速进行全新的应用开发 而专业研究人员则可以 调整和扩展系统来进行高级的研究 主要突出了多线程与动态重编程的特性 是一个支持无线传感器网络快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 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 1 0 第1 章绪论 传感器节点上察看系统情况 4 s e n s p i r e s e n s d i r e 孙帆 2 0 0 7 是浙江大学正在研究开发的一款无线传感器网络节 点操作系 这个项目隶属于国家9 7 3 计划项目 无线传感器网络的基础理论 及关键技术研究 目的是研究新一代安全 高效 低功耗 扩展性强的节点 操作系统 目前尚处于第一版开发阶段 1 4 3 无线传感器网络节点操作系统s o s s o s c h i h c h i e hh a n r a mk u m a rr e n g a s w a m y 2 0 0 5 是一种面向无线 传感器网络的新型操作系统 采用标准c 编写 可以用标准c 的编译器编译 s o s 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 s o s 的总体功能 框架如图1 3 所示 憎嚣l 鸿竿i 内核服 务事件 内核调度器 j 上 应用程序通讯驱动设备驱动 操作系统a p i 函数 工 硬件描述层 图1 3s o s 的总体功能框架 在s o s 中 所有的功能都是以模块来组织的 一个模块必须具有一个模块 头来存储模块的一些基本信息 这个模块头包含消息处理函数和其它一些模块 的辅助信息和状态信息 模块的功能函数和其它消息处理函数一般采用回调函 数的机制 相应的函数存储f l a s h 中 而在模块头中只是保存相应函数的函数 句柄 当模块收到调度器发来的消息后 模块通过消息处理函数句柄调用相应 的函数 完成相应的任务 与t i n v o s 不同的是 s o s 没有事件与任务的划分 王漫 何宁 2 0 0 7 s o s 中每一个应用程序模块都包含一个消息处理函数 硬件中断向调度器投递 消息 在消息中包含目标模块信息 调度器根据此信息选择正确的消息处理函 第l 章绪论 数 消息处理函数本身也可以再次投递消息 s o s 维护不同优先级的f i f o 消 息队列 s o s l 3 为两个 s o s l 7 以后为3 个 调度器优先选取高优先级队 列中的消息 消息彼此之间不可抢占 从本质上看 s o s 实际将t i n v o s 定义 为事件的操作写入消息处理 而通过给与对应消息更高的优先级 使这一操作 得以尽快进行 s o s 这种中断机制以牺牲这部分操作一定程度的实时性为代价 s o s 的主要特点如下 从任务调度策略上看 s o s 采用的基于优先级的调 度方式 使一个时间敏感任务不会被其它任务长时间阻塞得不到运行 满足了 软件发展的趋势要求 s o s 中应用模块的概念被设计成可拆卸的 对动态可编 程的支持是模块级别的 s o s 显著的降低了再编程的能量消耗 加入了动态内 存分配机制 在内存的使用上 s o s 比t i n y 0 s 更灵活 1 5 本论文的主要研究内容 本论文的工作是围绕着无线传感器网络节点操作系统这一课题进行的 主 要介绍了新型无线传感器网络节点操作系统s o s 的特性 s o s 内核的移植及基 于c c 2 4 3 1 的无线传感器网络节点 并且在节点上完成了基于s o s 内核的操作 系统设计 本论文共由六章组成 具体组织如下 第一章绪论 介绍本论文的选题背景及研究意义 作者从事的研究工作及 研究内容 主要论述无线传感器网络 无线传感器网络操作系统的设计需求 以及操作系统的研究现状 第二章基于s o s 内核的w s n 节点操作系统设计 在基于c c 2 4 31 的无线 传感器网络节点上 设计了基于s o s 的内核的操作系统s o s 一5 1 介绍了s o s 5 1 的组织结构以及s o s 内核移植思路 第三章操作系统s o s 一5 l 的内核设计 研究了s o s 的主要内核模块 并在 s o s 5 1 上实现了s o s 的主要内核模块 包括模块化结构 通信模型 事件驱 动机制 调度策略 动态内存管理等 笫四章操作系统硬件描述层设计及功能完善 介绍了s o s 一5 l 的硬件相关 模块设计 并根据应用添加了应用模块 完善了操作系统设计 第五章系统测试 为了检验操作系统以及网络系统的功能和性能 设计了 测试案例及测试试验 验证了系统的稳定性和功能 第六章总结和展望 对全文工作做出总结 并对以后的工作的进行了展望 第2 章基于s o s 内核的w s n 节点操作系统设计 第2 章基于s o s 内核的w s n 节点操作系统设计 嵌入式操作系统与硬件平台是密切相关的 一个高性能的系统一定要要做 到硬件平台和软件操作系统相匹配 涂刚 张波 阳富民 2 0 0 7 无限传感 器网络节点就是一个典型的微型嵌入式系统 无线传感器网络节点操作系统的 设计必须与节点硬件平台相匹配 同时也要考虑无线传感器网络的特点及需求 2 1 无线传感器网络节点的结构设计 无线传感器网络节点的设计主要有两种结构模式 一种是采用m c u 射频 芯片模式 一种是直接采用集成了m c u 和射频收发芯片的s o c 片上系统 模式 后一种方式能实现节点的更微小化和更低的功耗 目前 实用化的节点不多 比较著名的无线传感器网络节点 国外主要有 智能尘埃 s m 抓d u s t 节点 加州大学伯克利分校研制的用于传感器网络研究 的m i c a 系列节点 包括w e c r e n e e m i c a m i c a 2 m i c a 2 d o t s p e c 美国国 防部d 触心a 支持的n e s t 项目的t e l o s 节点 国内主要有 中科院计算所研制 的d 删s 系列节点 沈阳自动化所的s i a m s 一1 o 节点等 上述的这些节点除了s m a nd u s t 以外 全部采用的是m c u 射频收发芯片 的结构设计 m c u 主要采用的是a t m e g a l 和m s p 4 3 0 两个系列的微处理器 射 频模块主要有c 玎巴c o n 公司的c c l o o o 和c c 2 4 2 0 i 心m 公司的t r l 0 0 0 2 2 基于c c 2 4 3 1 的传感器节点设计 c h i p c o n 公司专为无线传感器网络节点设计了芯片c c 2 4 3 l c h i p c o n c 2 4 3 1l o c a t i o ne n g i n e 2 0 0 7 c h i p c o n c c 2 4 3 0 2 0 0 7 它集成了增 强型5l 内核微处理器和兼容匝e e8 0 2 15 4 标准的c c 2 4 2 0 c c 2 4 3l 是一个真 正的片上系统 降低了能耗 方便了信号的处理 为设计尺寸更小 能耗更低 可靠性更高的无线传感器网络节点设计提供了最新方案 2 2 1 节点结构设计 图2 1 描绘了基于c c 2 4 3 1 的无线传感器网络节点的框架结构 缪仕福 2 0 0 7 节点集成了电源管理模块 c c 2 4 3 1 天线及用于连接传感器模块的丰 第2 章基于s o s 内核的w s n 节点操作系统设计 富接口 c c 2 4 3 1 图2 1 节点结构设计 u s b 控制器通过用户接口连接到节点上 主要用于网关节点 可以在不 使用时随时卸下 电源管理模块用来在电池和u s b 两方面选择供电电源 c c 2 4 3 1 是传感器节点的心脏 它集成了射频模块 m c u 和定位引擎 使用两 个晶振 一个供节点正常工作状态时使用 一个供节点处于休眠状态时使用 本节点提供丰富的用户接口 可以根据用户需求安装各种传感器模块 提供 u 舢订通讯接口及u s b 接口等 如图2 2 和图2 3 所示 图2 2 为未加入任何传 感器及电源管理电路时的节点 图2 3 为加入传感器 u s b 接口 电源管理等 电路后完整的节点 图2 2 坶 rc c 2 4 3l 的节点 第2 章基于s o s 内核的w s n 节点操作系统设计 2 2 2 硬件资源介绍 图2 3 基于c c 2 4 3 l 的完整节点 c c 2 4 31 c h i p c o n c c 2 4 3 0 2 0 0 7 c h i p c o n c 2 4 31l o c a t i o ne n 舀n e 2 0 0 7 是c h i p c o n 公司的最新产品之一 体积小 功耗低 集成度高 非常 适用于无线传感器网络的节点设计 其主要特点如下 1 c c 2 4 3 1 是一个真正的基于无线传感器网络z i g b e e 8 0 2 1 5 4 解决方 案的片上系统 芯片上集成了性能卓越的射频收发模块c c 2 4 2 0 内核 符合工 业标准的增强型8 0 5 1 微控制器和定位引擎 具有1 2 8 k 闪存 8 k 的随机存储 器 d m a 控制器 定时器 a e s 一1 2 8 协处理器 8 一1 4 位的a d c 串口 休 眠模式下的定时器及2 1 个可编程i o 口等丰富的外设 这种高集成度使其只需 要天线 3 2 眦晶振等非常少的外围电路就能在2 4 g h z 频段上工作 2 c c 2 4 3 1 非常适合于能耗极低的系统 它有多种工作模式 在低功 耗工