TinyOS無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分析 - 全文

0  引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線通信方式組成一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)同感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀測(cè)者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究涉及到多個(gè)熱點(diǎn)學(xué)科的前沿領(lǐng)域，比如傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)等。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)監(jiān)測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、軍事偵察等眾多的領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，因而引起了世界各國(guó)工業(yè)界，學(xué)術(shù)界和軍事部門(mén)的重視，并且迅速成為當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)之一。

1  無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)收發(fā)和電源等四個(gè)單元組成。數(shù)據(jù)采集單元通過(guò)傳感器采集外界數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)處理單元是節(jié)點(diǎn)的核心模塊，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作，如對(duì)數(shù)據(jù)采集單元采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理和保存，以及數(shù)據(jù)收發(fā)單元工作模式的設(shè)置等；數(shù)據(jù)收發(fā)單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸以及與數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)交互。上述四大基本模塊與相應(yīng)的操作系統(tǒng)、協(xié)議棧和應(yīng)用程序共同構(gòu)成一個(gè)基本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，眾多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在一起，就可以完成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本功能。

在軟件設(shè)計(jì)方面，本系統(tǒng)以專用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為依托，來(lái)管理、協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點(diǎn)各硬件部分的工作。上層應(yīng)用以及各層的通信協(xié)議都以節(jié)能為中心，必要時(shí)可以犧牲其他的一些網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)來(lái)獲得更高的電源效率。圖1所示是一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成。

傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)基本上都是為了同時(shí)滿足人們各種各樣的需要，如語(yǔ)音、視頻、圖像等。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般是為了某個(gè)特定的需要而設(shè)計(jì)的，它是一種基于應(yīng)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，與移動(dòng)通信網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、Bluetooth相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下主要特點(diǎn)：

(1)電源能量有限：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電源都是有限的，網(wǎng)絡(luò)大多工作在無(wú)人區(qū)或者對(duì)人體有傷害的惡劣環(huán)境中，一般更換電源幾乎都是很困難的事。

(2)計(jì)算能力有限：傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都采用具有嵌入式特性的處理器，但嵌入式處理器的處理能力，使傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力比較有限。

(3)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，分布范圍廣，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)十分密集，數(shù)量巨大，有時(shí)可能達(dá)到幾百，幾千，甚至更多。

(4)動(dòng)態(tài)性拓?fù)洌簜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)榄h(huán)境或節(jié)點(diǎn)電能耗盡等因素而改變，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠適應(yīng)這種變化。
2 TinyOS操作系統(tǒng)

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源十分有限，傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)難以正常有效地運(yùn)行和工作，特別對(duì)能量和內(nèi)存的需求矛盾比較突出。因此，需要一種全新的嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)滿足無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的基本需求。TinyOS操作系統(tǒng)就是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的研究人員針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的開(kāi)源嵌入式操作系統(tǒng)。TinyOS操作系統(tǒng)主要使用了輕量級(jí)線程、主動(dòng)消息通信、事件驅(qū)動(dòng)模式、組件化編程等技術(shù)。

TinyOS操作系統(tǒng)最初使用匯編和C語(yǔ)言。但經(jīng)研究人員進(jìn)一步的研究及使用后發(fā)現(xiàn)，C語(yǔ)言并不能有效和方便地支持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。因而在經(jīng)過(guò)仔細(xì)研究和設(shè)計(jì)，并在對(duì)C語(yǔ)言進(jìn)行了一定擴(kuò)展的基礎(chǔ)上，提出了支持組件化編程的nesC語(yǔ)言，該語(yǔ)言可以把組件化、模塊化思想和基于事件驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行模型結(jié)合起來(lái)。由于TinyOS操作系統(tǒng)和基于TinyOS操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序全部使用nesC語(yǔ)言編寫(xiě)，因此，在介紹TinyOS操作系統(tǒng)之前，首先介紹一下nesC語(yǔ)言。

3 nesC語(yǔ)言

TinyOS和在其上運(yùn)行的應(yīng)用程序可以看成是一個(gè)大的“執(zhí)行程序”，它由許多功能獨(dú)立且相互有聯(lián)系的軟件組件構(gòu)成，圖2所示是nesC語(yǔ)言的一般程序框架。該系統(tǒng)中的一個(gè)組件一般會(huì)提供一些接口(假定組件名為ComA)，接口可以被認(rèn)為是這個(gè)軟件組件實(shí)現(xiàn)的一組函數(shù)的聲明，是單獨(dú)定義的一組命令和事件，其他組件通過(guò)引用相同接口聲明來(lái)使用這個(gè)組件(ComA)的函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)組件間功能的相互調(diào)用，即組件的接口是實(shí)現(xiàn)組件間互連的通道。但若組件中實(shí)現(xiàn)的函數(shù)并未被它在接口中說(shuō)明，就不能被其他組件所使用。nesC語(yǔ)言的定義中存在兩種不同功能的組件：其中組件接口中的函數(shù)功能專門(mén)在模塊的組件文件中實(shí)現(xiàn)，而不同組件之間的關(guān)系則是專門(mén)通過(guò)稱為配件的組件文件來(lái)描述的。

本系統(tǒng)中的接口一般指一系列聲明的有名函數(shù)的集合，同時(shí)，接口也是連接不同組件的紐帶。組件的接口通常是雙向的，這種接口實(shí)際上是提供者組件和使用者組件之間的一個(gè)多功能交互通道。接口的提供者所實(shí)現(xiàn)的接口的一組功能函數(shù)稱為命令；接口的使用者需要實(shí)現(xiàn)的一組功能函數(shù)稱為事件。

組件是nesC程序的基本單元，組件可分為模塊與配件兩種。    

其中模塊是組件的邏輯功能實(shí)體，主要包括命令、事件、任務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)。在TinyOS中，命令都是非阻塞的，它們完成后會(huì)通知相關(guān)的事件調(diào)用。一般情況下，命令調(diào)用都是向下的，即應(yīng)用組件調(diào)用那些與硬件緊密結(jié)合的組件，事件調(diào)用則正好相反。一些特殊的基本事件的調(diào)用必須綁定在硬件中斷上。nesC語(yǔ)言中還有一類特殊的函數(shù)稱為任務(wù)。在TinyOS系統(tǒng)中，任務(wù)是一個(gè)可以被調(diào)度的實(shí)體，類似于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中的進(jìn)程或線程概念。

配件通?？赏ㄟ^(guò)一系列其他組件來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)組件規(guī)范，它主要實(shí)現(xiàn)組件間的相互訪問(wèn)方式。配件包括組件列表和連接說(shuō)明，組件列表定義了實(shí)現(xiàn)配件的組件，連接通?？蓪⒍x的元素(接口、命令、事件等)聯(lián)系在一起，以完成組件之間功能的調(diào)用。

4 TinyOS系統(tǒng)的工作原理

為了適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，TinyOS操作系統(tǒng)使用了四個(gè)主要技術(shù)，組件化編程、輕量級(jí)線程、主動(dòng)消息通信和事件驅(qū)動(dòng)模型。

4.1  組件模型

TinyOS操作系統(tǒng)中的組件有四個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分：一組命令處理程序句柄、一組事件處理程序句柄、一個(gè)經(jīng)過(guò)封裝的私有數(shù)據(jù)幀和一組簡(jiǎn)單的任務(wù)。任務(wù)、命令和事件處理程序在私有數(shù)據(jù)幀的上下文中執(zhí)行并切換幀的狀態(tài)。TinyOS操作系統(tǒng)中的組件通常分為硬件抽象組件、合成組件、高層次的軟件組件三類。其中硬件抽象組件用于將物理硬件映射成為T(mén)inyOS操作系統(tǒng)中的組件，無(wú)線發(fā)送模塊是這種組件的代表，它可提供命令以操縱與射頻收發(fā)器相連的各個(gè)單獨(dú)的I／O引腳，并且發(fā)信號(hào)給事件以將數(shù)據(jù)位的發(fā)送和接收通知其他組件，圖3所示是天線傳感器應(yīng)用程序的組件結(jié)構(gòu)：合成組件可以模擬高級(jí)硬件的行為，這種組件的一個(gè)例子是圖3中的Radio Byte組件，它以字節(jié)為單位與上層組件交互，并以位為單位與下層無(wú)線發(fā)送模塊組件交互，最后將無(wú)線接口映射到UART設(shè)備接口上；高層次的軟件組件可完成控制、路由以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，圖3中的主動(dòng)消息處理模塊是這種組件的代表，它可履行在傳輸前填充包緩存區(qū)以及將收到的消息分發(fā)給相應(yīng)的任務(wù)的功能。

4.2  輕量級(jí)線程

在TinyOS操作系統(tǒng)中，一般的輕量級(jí)線程task(即TinyOS操作系統(tǒng)中的任務(wù))可按照FIFO方式進(jìn)行調(diào)度，輕量級(jí)線程之間不允許搶占。任務(wù)一旦執(zhí)行，就必須執(zhí)行完畢，不能被其他任務(wù)中斷。而硬件處理線程(即中斷處理線程)則可以打斷用戶的輕量級(jí)線程和低優(yōu)先級(jí)的中斷處理線程，故可對(duì)硬件中斷快速響應(yīng)。

4.3  主動(dòng)消息通信

主動(dòng)消息通信是一個(gè)面向消息通信的高性能通信模型。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用主動(dòng)消息機(jī)制的主要目的是使無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力和通信重疊。為使主動(dòng)消息更適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求，主動(dòng)消息提供了三個(gè)最基本的通信機(jī)制，其一是帶確認(rèn)的消息傳遞，其二是有明確的消息地址，其三是消息分發(fā)。在TinyOS操作系統(tǒng)中，主動(dòng)消息通信被視為一個(gè)系統(tǒng)組件，它屏蔽了下層各種不同的通信硬件，從而為上層提供了一致的通信原語(yǔ)，可方便開(kāi)發(fā)人員實(shí)現(xiàn)各種功能的高層通信組件。

在TinyOS的主動(dòng)通信中，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先進(jìn)行緩存，然后由主動(dòng)消息把緩存中的數(shù)據(jù)分發(fā)到上層應(yīng)用。TinyOS操作系統(tǒng)不支持動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，所以要求每個(gè)應(yīng)用程序在其所需的消息被釋放后，要能夠返回一塊未使用的消息緩存，以用于接收下一個(gè)將要來(lái)到的消息。因?yàn)樵赥inyOS操作系統(tǒng)中，各個(gè)應(yīng)用程序之間的執(zhí)行是不能搶占的，所以不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)未使用的消息緩存發(fā)生沖突，因此，TinyOS操作系統(tǒng)的主動(dòng)消息通信組件只需要維持一個(gè)額外的消息緩存以用于接收下一個(gè)消息。如果一個(gè)應(yīng)用程序需要同時(shí)存儲(chǔ)多個(gè)消息，則需要在其私有數(shù)據(jù)幀上靜態(tài)分配額外的空間以保存消息。

一般情況下，由于TinyOS操作系統(tǒng)中只提供best-effort消息傳遞機(jī)制．所以需要接收方提供確認(rèn)反饋信息給發(fā)送方，以確定發(fā)送是否成功。確認(rèn)消息可由主動(dòng)消息通信組件生成，這樣比在應(yīng)用層生成確認(rèn)消息包更能節(jié)省開(kāi)銷，而且反饋時(shí)間短。

4.4  事件驅(qū)動(dòng)模型

TinyOS操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)，故當(dāng)一個(gè)任務(wù)完成后，就可以使其觸發(fā)一個(gè)事件，然后由TinyOS操作系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)。事件驅(qū)動(dòng)分為硬件事件驅(qū)動(dòng)和軟件事件驅(qū)動(dòng)。硬件事件驅(qū)動(dòng)也就是一個(gè)硬件發(fā)出中斷，然后進(jìn)入中斷處理函數(shù)；而軟件驅(qū)動(dòng)則是通過(guò)signal關(guān)鍵字來(lái)觸發(fā)一個(gè)事件。

5  結(jié)束語(yǔ)

盡管TinyOS已被廣泛使用，而且也得到了相當(dāng)?shù)恼J(rèn)可，但這并不意味著TinyOS能夠適用于WSN的所有應(yīng)用場(chǎng)景。事實(shí)上，在某些場(chǎng)合下，TinyOS并不能很好的工作，它也存在不足的地方，比如可能出現(xiàn)過(guò)載、導(dǎo)致任務(wù)丟失、通信吞吐量下降等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的三個(gè)典型任務(wù)一般是傳感器采集、本地?cái)?shù)據(jù)發(fā)送和作為中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。當(dāng)本地任務(wù)發(fā)生頻率過(guò)高時(shí)，任務(wù)隊(duì)列很快就滿了，這時(shí)發(fā)送或接收任務(wù)就可能丟失，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失；另外，如果本地任務(wù)運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包的任務(wù)也要等待較長(zhǎng)時(shí)間才能得到處理，這樣，會(huì)降低通信速率。因此TinyOS的調(diào)度策略可能導(dǎo)致問(wèn)題的出現(xiàn)。而FIFO的調(diào)度機(jī)制也可能引起一些重要的任務(wù)得不到實(shí)時(shí)響應(yīng)的問(wèn)題。對(duì)于這些問(wèn)題的解決，將在以后的文章中進(jìn)行討論。
 

STM32/STM8

意法半導(dǎo)體/ST/STM