无线传感器网络节点操作系统研究

第8 期
李 晶等: 无线传感器网络节点操作系统研究
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理。 在欧洲的 EYES Project 项目中 [ 10] 节点使用的处理器主要
是 MSP430F149, 而 无 线 通 信 模 块 则 采 用 的 是 RFM 公 司 的
TR1001。美国加州大学 伯克利 分校开 发的 Motes[ 11] 系 列节 点
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计算机应用研究
2006 年
无线传感器网络节点操作系统研究*
李 晶, 王福豹,wenku.baidu.com段渭军, 王建刚
( 西北 工业 大学 宽带 网络 技术 研究 所, 陕 西 西安 710072)
摘 要: 无 线传 感器 网络 是一 种全 新的 信息 获取和 处理 技 术, 能 够 实 时 监 测、感 知 和 采 集 各 种 环境 或 监 测 对 象
由于无线传感器网络应用的多样性, 节点的操作系统必须 能够根据内存、处理器以及 能量等 满足应 用的严 格需求, 也 必 须能够灵活地允许多种应用 同时使 用系统 资源, 如通信、计 算 和存储[ 8] 。以下先就面向无线 传感器 网络节 点的嵌 入式操 作 系统设计目标进行讨论, 据此 对 μC / OS-II 和 TinyOS 两种典 型 操作系统进行对比分析。
的信息, 而网络节点上的嵌入式操作系统是其大多数应用的基础。在综合分析大量无线传感器网络体系结构的
技术文献和最新研究结果的基础上, 提出了无线传感器网络嵌入式操作系统的设计目标, 对通用的多任务操作
系统 μC / OS-II 和事 件驱 动的 操作 系统 TinyOS 进 行了 对比分 析, 指 出 TinyOS 在 一些 应用 中的 局限 性及 拓展 。
无线传感器网络具有能 量有限、计算 能力有 限、传 感器 节 点数量大、分布范围广、网络动 态性强 以及网 络中的 数据量 大 等特征 [ 3] , 这就决定了 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 [ 12] 。
Abstract: As a novel information acquirement and processing technology, Wireless Sensor Networks( WSN) can inspect, apperceive and collect the information of all kinds of environment and surveillance objects in a real-time way, and the embedded operation system which is operated in network nodes is the base of most of applications of WSN. After the analyses of the newest productions of WSN architecture, this paper brings forward the design targets of embedded operation systems of WSN, analyzes the general-purpose multi-tasking OS μC /OS-II and event-driven OS TinyOS, points out the limitations of TinyOS in some applications, and the improvement schemes. Key words: Wireless Sensor Networks; Embedded Operation System; TinyOS; μC/ OS-II
收稿日期: 2005- 07- 13; 修返日期: 2005- 08- 30 基金项目: 国家自然科 学基 金资 助项 目( 60472074) ; 西北 工 业大学研究生创业种子基金资助项目( Z200568)
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 μC/ OS-II[ 6] 、嵌入式 Linux、WinCE、Mantis[ 7] 。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[ 8] , 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 TinyOS[ 5 ] , Contiki[ 9] 。
根据实现机制可 以把现 有的嵌 入式操 作分为两 类, 即 General-purpose Multi-tasking OS 通 用的 多任 务操作 系 统和 Event-driven OS 事件 驱动 的操 作系统, 前 者多 用于 便携 式智 能 设备( 如手机、PDA 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
无线传感器网络是由大量 集成有 传感器 和无线 通信的 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[ 5] 。
2 无线传感器网络节点及其嵌入式操作系统设计目标
2. 1 无线传感器网络节点 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[ 3] , 如图 1 所示。被 监 测物理信号的形式决定了数据采集单元的类型; 数据处理单元 通常选用嵌入式 CPU, 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; 数 据传输 单元主 要由低 功耗、短距 离 的无线通信模块组 成[ 1] ; 电 源为 网 络节 点提 供 正常 工作 所 必 需的能源; 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
关键 词: 无 线传 感器 网络 ; 嵌入 式操 作系 统; TinyOS; μC / OS-II
中图 法分 类号 : TP316
文献标识码: A
文章 编号 : 1001- 3695( 2006) 08- 0028 - 03
Research on Node Operation System of Wireless Sensor Networks
LI Jing, WANG Fu-bao, DUAN Wei-jun, WANG Jian-gang
( Institute of Broadband Network, Northwestern Polytechnical University, Xi’an Shanxi 710072, China)
管理工作等[ 15] 。 以下是对传统的基于多任务的 嵌入式 操作系 统 μC / OS-II
和事件驱动的嵌入式操作系统 TinyOS 从调度策略、堆栈分配、 实 时 性 、能 量消 耗 以 及 并 发 操 作 等 方 面 的对 比 分 析 。
3. 1 调度策略
事件驱动的 TinyOS 采用两级调度[ 5] : 任务和硬件事件处理 句柄( Hardware Event Handlers) 。任务 是一 些可 以被抢 占的 函 数, 一旦被调度, 任务运行完成彼此之间不能相互抢占。硬件事 件处理句柄被执行去响 应硬件中断, 可以抢占任务的运 行或者 其他硬件事件处理句 柄。TinyOS 的任 务调 度队 列只是 采用 简 单的 FIFO 算法[ 8] 。任务事件的调 度过程如图 2 所 示。TinyOS 的任务队列如果为空, 则进入极低功耗的 Sleep 模式。当被事件 触发后, 在 TinyOS 中发出信号的事件关联的所有任务被迅速处 理。当这个事件和所有任务被处理完成, 未被使用的 CPU 循环 被置于睡眠状态而不是积极寻找下一个活跃的事件[ 12] 。
3 μC/OS-II 与 TinyOS 的分析
μC/ OS-II 操作系统是 一 种性 能 优良、源 码公 开 且被 广 泛 应用 的免费 嵌入式 操作系 统[ 6] 。2002 年 7 月, μC / OS-II 在 一 个航空 项目 中 得 到 了 美 国 联 邦 航 空 管 理 局 ( Federal Aviation Administration) 对于商 用飞 机的、符合 RTCA DO-178B 标 准 的 认证 。 它 是 一 种 结 构 小 巧、具 有 可 剥 夺实 时 内 核 的 实 时 操 作 系 统, 内核提供 任务调度与 管理、时间管理、任务间同 步与通信、 内存管理和中断服务等 功能[ 13] , 具有 可移 植性、可 裁减、可 剥 夺性、可确定性等特点[ 6 ] 。
TinyOS( Tiny Micro Threading Operating System) 是 一 个 开 源的嵌入式操作 系统, 它是 由加 州 大学 伯克 利 分校 开发 出 来 的, 主要应用于无线传感器网络方面[ 12] 。目前在 世界范围内, 有超过 500 个研 究小组 或者 公司 正在 Berkeley / Crossbow 的 节 点上使用 TinyOS[ 14] 。它是基于一种组件( Component-based) 的 架构方式[ 8] , 能够快 速实 现各 种 应用。 TinyOS 采用 模块 化 设 计, 程序核心往往很小, 能够突破传感器存储资源少的限制, 这 能够让其很有效地运行在无线 传感器 网络上 并去执 行相应 的
的处理器的发展是从 Atmel 公司的 AT90LS8535 到 Mega128L,
无线收发模块则 是采 用 RFM 公 司的 TR1000 到 Chipcon 公 司
的 CC1000。
传感器 ADC 转换 数据采集单元
数据处理单元 存储器
数据传输单元 发送 接收
电源
图 1 节点的基本构成
2. 2 节点嵌入式操作系统设计目标
1 引言
微机电 系 统 ( Micro-Electro-Mechanism System, MEMS) 、无 线通信和数字电子技术 的发展 孕育了 无线 传感 器网 络( Wireless Sensor Network, WSN) [ 1] 。WSN 是一种不需 要固定网络 支 持, 具有快速展开、抗毁性强等特点, 可广泛应用于军事、工业、 交通环保等领域, 引起 了人 们 广泛 关注 [ 1 ～4] 。WSN 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。
( 4) 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[ 12] 。
( 5) 健壮性。WSN 节点数量众多以及运行环境特殊, 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[ 8] 。
( 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 [ 5] 。
( 3) 低功耗。WSN 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散布的 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 操作将 延长整 个网络 的 生命周期, 是操作系统设计必须满足的条件。