无线传感器网络操作系统

无线传感器网络操作系统

黄光燕李晓维

摘要：本文从软件的角度介绍无线传感器网络(WSN1)系统。首先总括WSN系统的概念和应用；然后分别介绍WSN操作系统(WSNOS)的总体框架以及WSNOS的任务管理和内存管理等OS2内核；考虑到WSN以数据通讯为中心和低功耗的两大特点，介绍通讯的基本原理，低功耗通讯协议和一些低功耗实现技术：电源管理服务，编译器技术，分布式处理，数据压缩等；以及简单介绍WSN在PC机上的模拟器技术。同时，低功耗和高可靠性的实现技术贯穿全文。最后讲述我们在WSNOS领域开展的工作。

关键词：无线传感器网络(WSN) 无线传感器网络操作系统(WSNOS) 低功耗高可靠性

1前言

1.1 无线传感器网络（WSN）简介

近几年来，无线传感器网络（WSN）掀起了一场后PC时代的革命。WSN作为综合了传感器、嵌入式计算、及无线通信等3大技术的新兴领域，可以实现人与自然物以及物与物对话的无处不在的通讯和计算。从火星探测[1]到野生候鸟的监测[2]，从智能房屋[3]到车辆监测和跟踪[4]，从军事“智能尘埃”（Smart Dust）[5]到辅助足球裁判[6]，从胶囊肠镜到住院病人病情监控[7]，从森林防火到预测山洪暴发[8][9]，从人体内药物剂量控制到精细农业……，广阔的应用前景掀起了国内外对WSN的研究热潮。

综合各种应用，WSN有自己的许多特点。首先，WSN是一种嵌入式系统，提供分布处理，动态和适应性；其次，它由以通讯为中心的大数量的小型和微型数据采集设备构成，其主要特征为灵活、自组织、严格资源限制，并且需要实时处理同长时间的单任务串行处理并存，同时大部分时间保持低功耗状态[10]。

1.2 WSN操作系统（WSNOS）

俗话说：“万丈高楼平地起，一力承担靠地基”，WSN的操作系统(WSNOS)是WSN系统的基本软件环境，是许许多多的WSN应用软件开发的基础。WSNOS不是特定的系统/用户界面，也不是特定的一系列系统服务，而是定义了一套通用的界面框架，允许应用程序选择服务和实现；它提供框架的模块化，以便适应硬件的多样性，同时允许应用程序重用通用的软件服务和抽象[11]。同其他操作系统一样，WSNOS是为了方便开发应用，提供物理设备的抽象和高协调性的通用函数实现。它的独特性在于，资源极端受限（处理器速度、存储器大小、内存大小、通讯带宽、资源数量以及电源受限），设备特殊性和缺乏一致的抽象层次。因此，WSNOS的设计策略必须是一个资源库，从中抽取一部分组成应用。它致力于提供有限资源的并发，而不是提供接口或形式[10]。伯克利开发的TinyOS[12]正是这样一套WSNOS系统。

1.3 我们的研究调查

我们对该领域的前景进行了大量的研究调查，重要的需求和趋势可以归结如下：

1.工厂真正实现电子信息化需要WSN实地采集数据和监控。文献[13]中谈到了WSN应用于工

厂自动化生产线的问题。传统的有线传感只能用在布线容易的短距离空间，而对很多长距离

的监控则无能为力。例如，输油管道的监控，需要在输油管道上散布很多传感器，并且互相

之间要互通信息。而以往的传感器需要布线，同时传感器之间不能互相通信，阻碍了这种应

用。但是，这种无线监控最大的困难是它不如有线传感器可靠。

2.WSN为城市监控，野外监控提供了技术手段。用于监控生态环境、农作物生长环境、城市交

通监控、大楼监控等。大量的WSN节点的冗余可提高可靠性，但是它们需要长时间处于不维

护状态，因此电池的寿命就成了这种应用的瓶颈。

3.WSN也可用于特殊物品监测，例如：胎压监测、灭火器监测、危险物品监测等。这些对物品1Wireless Sensor Networks

2Operating System

的监测也必须要求很高的可靠性，而且要求低功耗以使其可以维持工作到所需的时间。

4.在军事上，WSN也为现代化的先进武器系统提供了新的技术基础。例如：地雷上装上WSN

节点，可以与士兵身上的WSN节点通讯，识别敌我，而有选择性地爆炸。这种节点涉及到人

的生命安全，其可靠性的要求极高，同时也必须在足够时间内维持工作。

总之，这种应用前景关注去掉“两线”-数据线和电源线-的无线技术，前者随着RF射频硬件技术的发展而出现，后者随着低功耗的处理器，低功耗的收发器以及低功耗的传感器等低功耗硬件的发展以及电池技术的发展而得以实现。然而，去掉数据线使得通讯变得不那么可靠；去掉电源线使得供电时间的维持成为一个挑战。因此，可靠性和低功耗已经成为了这种技术推广的瓶颈。

我们将主要研究从WSN操作系统软件的角度着手解决可靠性和低功耗的问题。首先，与一般的嵌入式系统（如PDA，手机等）不同，WSN的资源更加受限，迫切需要系统软件的精心设计，才能满足可靠性的需求；其次，电池技术的发展并不足以满足很长时间不维护的需求，而硬件也需要系统软件的管理才能充分发挥其低功耗特性。这就需要系统软件采用最大限度降低运算功耗和通讯功耗的策略。

以下章节，首先介绍WSNOS的总体框架内容；然后从操作系统的角度来介绍WSNOS的任务管理和内存管理等OS内核；考虑到WSN以数据通讯为中心和低功耗的两大特点，介绍通讯的基本原理、低功耗通讯协议和一些低功耗实现技术，如：电源管理服务、编译器技术、分布式处理、数据压缩等；以及简单介绍WSN在PC机上的模拟器技术。同时，低功耗和高可靠性的实现技术贯穿全文。最后讲述我们在WSNOS 领域开展的工作。

2 WSNOS框架

文献[14]中，介绍了TinyOS的主要框架和内容，如图1，图2所示，代表了WSNOS的体系结构。

组件

图1是WSNOS

件的发生，交由上层处理。相对下层的组件也能触发事件交由上层处理。而上层会发出命令给下层处理。为了协调各个组件任务的有序处理，需要操作系统采取一定的调度机制。

图2提供了WSNOS组件的具体内容，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WSNOS提供的处理器初始化、系统调度和C运行时库（C Run-Time）3个组件是必需的以外，每个应用程序可以非常灵活地使用任何WSNOS组件。

这种面向组件的系统框架的优点是：首先，“事件-命令-任务”的组件模型可以屏蔽低层细节，有利于程序员更方便地编写应用程序；其次，“命令-事件”的双向信息控制机制，使得系统的实现更加灵活；再次，调度机制独立成单独的一块，有利于为了满足不同调度需求进行的修改和升级。