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无线传感器网络操作系统TinyOS研究_图文

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计算机与数字工程

第 35卷

无线传感器网络操作系统 T inyOS研究
刘信新
( 武汉大学计算机学院 1) 摘 要 武汉
1)

*

邵明凯

2)

430073) (武汉数 字工程研究所 2)

武汉

430074)

介绍一 种专门针对无线传感器网络设计的开源嵌入式操作系统 T inyOS, 分析 T inyO S与其它 常见操作系 统显 无线传 感器网络 TP212 操作系统 T inyO S

著不同的三个特点, 深入研究 T inyOS的任务 调度策略、 程序模型以及通信模型。 关键词 中图分类号

1 引言
T inyOS是由 UCBerkeley开发的一种基于组件 的开源嵌入式操作系统, 其应用领域是无线传感器 网络。无线传感器节点由于其极为有限的硬件资 源和特殊的运行环境和工作方式, 对操作系统提出 了如下要求: 健壮: 传感器节点往往是一次性使用的, 一旦 部署, 就需要在无人值守的环境下连续工作数月甚 至数年的时间, 运行期间无法进行维护和检修。 低资源开销: 大规模使用的传感器的节点必须 非常廉价, 这就决定了传感器节点只能选用低成本 的 CPU和存储器, 其计算能力及存储容量十分有 限。同时由于采用电池供电, 且难以补充电能, 操作 系统应极力降低计算、 存储和通信方面的能量开销。 能够适应硬件的多样性, 便于硬件升级: 由于 传感器节点硬件多种多样, 且发展很快, 操作系统 的设计必须方便程序移植到新的硬件平台上。 能够适应不同应用要求: 传感器网络是与应用 相关的, 不同的应用对网络的生存周期、 通信方式 等有不同的要求, 操作系统应能适应这些差异。 能够适应高并发性操作: 传感器节点除了要采 集数据, 处理和传送自身产生数据外, 还要接收和 转发其它节点产生数据, 这些操作在时间上往往是 重叠的。 实时性: 在某些无线传感器网络应用中, 实时 性也是一个重要指标。

门针对 嵌 入 式 系 统 设 计 的 操 作 系 统, 例 如 Vx W orks、 ucOS RT - L inux等, 被广泛应用于 PDA、 、 移 动电话等设备。尽管这些嵌入式操作系统在降低 资源开销, 提高系统可靠性、 实时性等方面表现出 色, 但对传感器节点而言, 它们对硬件资源的要求 仍然过高。例如, VxW orks内核加上基本运行库及 TCP / IP 协议包后, 大约为 400KB, 已经超出目前应 用最广泛传感器节点 M ica2的程序存储器容量。 T in yOS是首个专门针对无线传感器网络的特 点和需求而设计的操作系统, 与其它常见的嵌入式 操作系统相比具有以下三个显著的特点: 采用简单的先进先出的非抢占式任务调度 策略; 采用基于组件的程序模型; 集成 Active M essage通信协议。

3 任务调度策略
T in yOS的任务调度采用先进先出的简单的策 略, 任务之间不允许 互相抢占。在 通用操作系统 里, 这种先进先出的调度策略是不可接受的, 因为 长任务一旦占据了处理 器, 其它任 务无论是否紧 急, 都必须 一直等待 至长任 务执行 完毕。 T in yOS 之所以可以采用先进先出的调度策略基于这样一 个事实: 在传感器网络中绝大多数应用中, 所需要 执行的任务都是短任务。典型的任务有: 采集一个 数据; 接收一条消息; 发送一条消息。尽管如此, 为 近一步缩减任务的运行时 间, T inyOS 采用了的分 阶段操作模式来减少任务的运行时间。该操作模 式下, 数据采集、 接收消息、 发送消息等需要和低速 外部设备交互的操作都被分为两个阶段进行: 第一

2 T inyOS的特点
在无线传感器网络诞生之前, 已经出现许多专
*

收到本文时间 : 2006年 9月 18日 作者简介: 刘信新, 男, 工程师, 研 究方向: 无线传感器网络及嵌入式系统。

第 35卷 ( 2007) 第 7期

计算机与数字工程

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阶段, 程序启动硬件操作后迅速返回; 第二阶段: 硬 件完成操作后通知程序。分阶段操作的实质就是 使请求操作的过程与实际操作的过程相分离。 T inyOS的中断处理程序具有比所有任务更高 的优先级, 一旦发生中断, 处理器将停止执行任务, 转而执行相应的中断服务程序。不同的是, T inyOS 中断处理程序往往是提交一个任务, 而其它操作系 统的中断处理程序则一般会向因等待该中断事件 而被阻塞的任务发送一条消息。 T inyOS 的这种运 行方式被称为事件驱动。采用事件驱动执行模型 对节省能量有十分重要的作用。如果在持续的一 段时间内没有中断事件发生, 任务队列为空, T in y OS就可使处理器进入休眠模式。 通过研究 T inyOS源代码可以发现: T in yOS具 有一个长度为 8个单元的环形任务队列, 每个单元 用于存储任务 函数入 口地址, 两 个指针 FULL 和 FREE 分别指向最早进入队列的任务单元和第一 个为空的单元。提交一个任务就是将任务函数入 口地址填入到 FREE 指针所指向的队列单元, 然后 将 FREE指针移至下一个单元; 任务调度器在执行 一个任务后, 将把 FULL 指针移至下一个单元。如 果任务调度器发现 FREE 指针与 FULL 指针相等, 则表明队列中无任务, 系统将进入睡眠状态。

每个组件都必须声明它要使用的接口和它所 提供的接口。如果组件提供某个接口, 就必须实现 该接口声明的命令函数; 如果它使用某个接口, 就 必须实现该接口声明的事件函数。 T in yOS中有两种类型的组件: 基本组件 复合组件: 由其它一些组件通过接口互相连 接而形成的新组件。 在使用方法上, 基本组件与复合组件并无区别。

图 1 T inyOS组 件模型

4 2 T in yOS基于组件的程序模型 . T in yOS程序模型如图 2所示。一个完整的 T i nyOS程序就是一个由若干组件按一定层次关系装 配而成的复合组件。在 T inyOS 程序模型中, 处于 最上层的是 M ain组件。该组件由操作系统提供, 传感器上电复位后会首先执行该组件中的函数, 其 主要功能是初始化硬件、 启动任务调度器以及执行 用户组件的初始化函数。每个 T in yOS程序至少应 该具有一个用户组件, 该用户组件通过接口调用下 层组件提供的服务, 实现程序功能, 如数据采集、 数 据处理、 数据收发等。用户组件的开发 T in yOS程 序设计的重点。 T in yOS 提供一些常用 组件, 如执 行组件、 传感器组件、 通信组件。执行组件用于控 制 LED指示灯、 继电器、 步进电机等硬件模块。传 感器组件用于采集环境数据, 如温度、 亮度等。通 信组件则实现与其它节点通信。 T inyOS提供了两 种通信组件: 通过无线电收发器通信的组件和通过 UART 口通信的组件, 后者仅应用于槽节点中。硬 件抽象层对上层组件屏蔽了底层硬件的特性, 从而 实现上层组件的硬件无关性, 以方便程序移植。

4 程序模型
4 1 T inyOS组件 . T inyOS本身是由一组组件构成的, 为实现 T i nyOS和 T inyOS应用程序的开发设计, B erkeley 推 出了一种支持组件的程序设计语言 NesC T inyOS 。 提供了大多数传感器网络硬件平台和应用领域里 都可用到组件, 例如定时器组件, 传感器组件、 消息 收发组件、 电源管理组件等, 而用户只需要开发针 对特殊硬件和特殊应用需要开发少许组件。 T inyOS组件由四个部分组成: 命令函数、 事件 函数、 任务和一个固定大小的局部存储区。组件之 间通过接口实现交互。接口就是声明的一组函数, 其中的函数有两种类型: 一类称为命令函数, 以关 键字描述, 这类函数由接口的提供者实现; 另一类 称为事件函数, 以关键 字 even t描述, 这类函数由 接口的使用者实现。事件函数用于直接或间接地 响应硬件事件。最底层组件的事件函数直接作为 硬件中断的中断处理程序, 如收发器中断、 定时器 中断等。组件之间交互的具体方式是: 上层组件调 用下层组件中的命令函数; 下层组件触发上层组件 中的事件函数。如图 1所示。

图 2 T iny S基于组件的程序模型 O

5 通信模型
TCP / IP 是在计算机网络中应用得非常普遍的

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刘信新等: 无线传感器网络操作系统 T inyOS研究

第 35卷

通信协议, 但它并不适 用于无线传感器 网络。首 先: 在传感器网络中, 通信消耗的能量最为可观, 因 此必须尽可 能减少报文的 长度。而 TCP / IP 协议 中仅 IP 报文头就包 括版本号、 服务 类型、 协议类 型、 地址等共计 20个字节的信息。这对以传送 IP 几个字节到几十个字节的短消息为主, 带宽只有几 十到几百 Kbps的传感器网络而言, 通信控制开销 过大。其次: T CP / IP 协议采用了复杂的存储器管 理机制, 它会首先把接收到的数据存储在自己的通 信缓冲区, 在接到应用程序的请求后, 再把数据拷 贝到应用程序的缓冲区。这既需要较大的存储器 开销, 又带来了较大的时延。 A ctive M essage 是 UC Berke ley 为并行和分布 式计算机通信开发的一种高效的通信机制。它可 以被看成是一种轻量级的远程进程调用 ( RPC) , 其 基本思想是让消息本身带有消息处理程序的地址 和参数, 消息到达目的节点后系统立即产生中断调 用, 并由中断处理机制启动消息处理程序。 A ctive M essage 能 很 好 地实 现 通 信 与 计 算 的 重 叠。与 TCP / IP协议相比, Act iv e M essage的另一个优势就 是它不需要额外的通信缓冲区, 在通信的接收方, 消息中的用户数据可以直接送入应用程序预先为 它分配好的存储区。 基于以上的原因, T inyOS 采用 Act iv e M essage 作为节点之间通信的机制。在 T inyOS中, 每种类 型的消息都被分配一个独一无二的类型号, 该类型 号被包括在 A ctive M essage 报文 头中。接 收到该 消息的节点, 将根据类型号去触发相应的事件处理 函数。例如, 一个典型的用于环境监测的网络中一 般需要设 置以下几 种类型的 消息: ( 1) Beacon 消 息: 该消息起源于槽节点, 网络中的其它节点通过 接收此消息建立从自己到槽节点的路由。 ( 2) Re port消息: 各节点通过此消息把采集到的环境数据 发送至槽节点。 ( 3) H ello消 息: 用于 相邻节点之 间交换信息。由于三种消息的功能不同, 节点在收 到消息所做的处理也不同, 因此必须分别设置不同 的事件处理函数。我们可以分别以类型号 10 11 、 、 12来标识这三类消息。从图 3中可以看到类型号 为 10的消息从节点 A 发送到节点 B 的流程。节 点 B 的通信组件在完整地接收到该消 息后, 将会 主动触发 ( Signal) 用户组件中与消息的类型号 相

对应的事件函数。

图 3 基于 A ctive M essage 的 T inyO S通信模型

6 结语
T in yOS是最早出现的一种专门为无线传感器 网络设计的操作系统。总的说来, 除了实时性指标 外, T inyOS能够很好地满足无线传 感器网络对操 作系统的各种需求。目前世界上最大的无线传感 器网络设备制造商 C rossbow 公司的 M ic a和 T elos 系列产品采用的操作系统就是 T in yOS 。国内的很 多无线传感器网络研究单位都已购置了 M ica作为 试验平台, 有些还在从事 T inyOS 的性能改造和移 植工作, 例如为 T inyOS引入抢占式任务调度策略, 将 T in yOS移植到基于 ARM 的硬件平台, 等等。随 着无线传感器网络逐步从实验室研究阶段走向实 用阶段, T inyOS必将得到更广泛的应用。
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Index( Vo.l 35 No 7) .

Com pute r and D ig ita l Eng inee ring

3

Detailed Analysis of the event M echan is of GDB m by Gong W ei Abstrac t Gdb is the standard debugger in GNU / L i ux n and BSD system. The pape r in troduces the ove ra ll struc tu re o f gdb and deta il d ly ana l zes the event m echa , e y n ism o f gdb dur i g the pe riod o f the runn ing gdb based n , on its sou rce codes and the debugg ing gdb w ith itse lf . Th is pape r is o f som e refe rence va lue to the resea rch of the debugg ing m echan ism o f gdb especi lly to the re , a sea rch o f the gdb - based em bedded system debugge r . K ey words GDB GDB events O BSERVER even ts , , , loop ( Page 45) : O ne S tudy on Ch inese W ord Segm entation Based on K ey - word L ibrary H aving Three L eve l Index by D uan X iaob in Abstrac t Th is paper g ive s a me thod of o rgan iz ing wo rds lib r ry us ing th ree leve l index , and am s at the expansion a i o f wo rds lib r ry , it con si e r the me thod o f key wo rds a d auto extraction and sm all wo rds add it i n basing on wo rds o frequency statistics and having filtrat i n f o unct i n The o. sm u lation expe rm ents show tha t this m ethod can m i i i p rove the speed o f C h i ese w ord segm en t tion and also n a i m prove the reca ll rat i n and p rec i i n r tion o f info r o so a ma tion . K ey word s wo r s li rary, index structu re Ch ine se word d b , segm enta tion fu ll- text re tri va l , e ( Page 47) : R esearch on On tology- based Architecture of W eb Data Se mantic In tegrat ion by Zhang W eili Abstrac t T he research on he te rogeneous data i teg r n a tion fro the web has ove rcam e structu r l he te rogene i m a ties by using XML howeve r fa il d to so l e the sem an , , e v tic he te rogene it i s Th is pape r introduces the concep tion e. o f on to logy and introduces me thod that so lves the se m an tic he terogene it i s by on to l gy. A t last a gene ra l e o , arch itecture fo r on to l gy- d riven web data i teg r tion is o n a in troduced, wh ich could so l e the seman tic he te rogene v ous p rob le s m . K ey word s sem an tic in tegra ti n, onto logy web data, o , XML ( Page 50) : A R eview of Sp atial D ata A ssoc iation Ru lesM in ing by J ian Youguang Abstrac t Th is pape r p resentes the deve l pm ent o f spa o tial data associat i n ru les m in i g and its app li a tion i re o n c n sea rch In add it i n the achievem ents fu tu re app lica tion . o, , fo reground and ex istent p rob lem s in spa tial data associ a tion ru l s m i ing we re descr i ed e n b . K ey words spa ti l data m i ing ( SDM ), association ru les a n ( Page 52) : Deve lop App lications Based on M u lti - tier D istr ibu ted M ode l Usin g PB by Zhou B ing Abstrac t Th is pape r is based on the tendency tha t info r m ation syste deve lops towa rds m u lt itie r d istr i u ted cal m b culat i n , ana l ses the cha r o y acte ristic o f m u ltitier m ode l, d iscusses the theo ry o f deve l p ing m u ltit i r app licat i ns o e o

using PB , and e l borates the techno l gy o f deve l p ing a o o m u ltit i r app lica tions using PB by an examp le e . K ey words d istr i u ted app licat i n m u ltitier m ode,l b o, Powe r uilde r B ( Page 56) : E th ernet Passive O p tical N et ork ing ( EPON ) N etwork w M anagemen t by Cheng zhe Abstract Th is pape r ana lyse s the character ist ics and ar ch itecture o f EPON system, and researches the m por i tance o f the EPON netwo rk managem en t . W ith the re qu iremen t o f the EPON ne t rk m anagem en t, we obey wo the OS I a rch itectu re the functiona l requ irem en t and , , the SNMP , and rea lize the system. K ey words EPON, SNMP, ne t rk m anagemen t wo ( Page 59) : A M ultithread- based F low V eloc ity M easure en t Syste m m w ith U SB In terface by Zhang L idi Abstract The pape r describes a fl w ve l c ity m easure o o m en t system based on USB in te rf . The USB inter ace face ch i wo rks fo r the real - tme comm un icat i n be p i o t een the com pu ter and data acqu isit i n equ i m ent Ap w o p . p licat i n so ftware is deve loped in the Visua l Basic 6. 0 o and m ulti- thread techno logy is app lied to m eet the re qu iremen ts of rea l- tm e dada acqu isit i n, real tm e pro i o i cession and mage d isp l y T he p ract i e app li a tion i a. c c shows the system reaches a ll the techn ical i d ices o f , n flow ve locity m easurem ent and assure s good rea l , tm e opera tion and h i h re liab ility pe rfor ance i g m . K ey words flow ve l c ity m easurem ent m ulti - thread o , techno logy USB i te rf , n ace, da ta acqu isition ( Page 63) : Research on the W ireless Sen sor Network O perating Sys te T inyO S m: by L iu X inx in Abstract In this pape r the open - sou rce embedded , ope rating system T inyO S specially designed fo r w ire less senso r ne t rk is introduced the d ist ingu ish d iff rences wo , e be t ween T inyO S and o ther ope rating system s a re ana lyzed, and the t ask schedu li g a lgo rith n m, p rogram m ode l and comm un icat i n m echan ism o f T inyOS are deep ly o stud i d e. K ey words w ire less sensor netwo rk ope rat i g system, , n T inyOS ( Page 66) : 4 - leve l A rch itecture of D istributed Syste Based on m . NET by Yang F ei Abstract The cha r acte ristic o f 3 - leve l a rch itectu re o f the . NET is described in the pape r wh ich is deve l ped by o the M icroso ft C orpo ration Based on the . NET arch itec . tu re an 4- leve l a rch itectu re o f d istri u ted syste is ad , b m vanced. And the instruction and cha r acte ristic descr i tion p a re g iven pa rticu l rly. a K ey w ords . NET arch itectu re 4 - leve l arch itecture , , d istribu ted syste m ( Page 69) : Syste of D istributing Program ed Con trol Power Source m for P lating B ased on CAN B us by W ang G e


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