TinyOS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分析

0  引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式組成一個多跳的自組織的網(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)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀測者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究涉及到多個熱點學科的前沿領(lǐng)域，比如傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)等。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境檢測、醫(yī)療監(jiān)護、軍事偵察等眾多的領(lǐng)域都有著廣闊的應用前景，因而引起了世界各國工業(yè)界，學術(shù)界和軍事部門的重視，并且迅速成為當今世界研究的熱點之一。

1  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)收發(fā)和電源等四個單元組成。數(shù)據(jù)采集單元通過傳感器采集外界數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；數(shù)據(jù)處理單元是節(jié)點的核心模塊，負責協(xié)調(diào)節(jié)點各部分的工作，如對數(shù)據(jù)采集單元采集的數(shù)據(jù)進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)單元負責數(shù)據(jù)的無線傳輸以及與數(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的操作系統(tǒng)、協(xié)議棧和應用程序共同構(gòu)成一個基本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，眾多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布在一起，就可以完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本功能。

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



傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計基本上都是為了同時滿足人們各種各樣的需要，如語音、視頻、圖像等。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般是為了某個特定的需要而設(shè)計的，它是一種基于應用的無線網(wǎng)絡(luò)，與移動通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、Bluetooth相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下主要特點：

(1)電源能量有限：無線網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點的電源都是有限的，網(wǎng)絡(luò)大多工作在無人區(qū)或者對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)計算能力有限：傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點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)點的計算能力比較有限。

(3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量大，分布范圍廣，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點十分密集，數(shù)量巨大，有時可能達到幾百，幾千，甚至更多。

(4)動態(tài)性拓撲：傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可能因為環(huán)境或節(jié)點電能耗盡等因素而改變，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠適應這種變化。

2 TinyOS操作系統(tǒng)

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的資源十分有限，傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)難以正常有效地運行和工作，特別對能量和內(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)來滿足無線傳感器節(jié)點的基本需求。TinyOS操作系統(tǒng)就是美國加州大學伯克利分校的研究人員針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的開源嵌入式操作系統(tǒng)。TinyOS操作系統(tǒng)主要使用了輕量級線程、主動消息通信、事件驅(qū)動模式、組件化編程等技術(shù)。

TinyOS操作系統(tǒng)最初使用匯編和C語言。但經(jīng)研究人員進一步的研究及使用后發(fā)現(xiàn)，C語言并不能有效和方便地支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應用程序的開發(fā)。因而在經(jīng)過仔細研究和設(shè)計，并在對C語言進行了一定擴展的基礎(chǔ)上，提出了支持組件化編程的nesC語言，該語言可以把組件化、模塊化思想和基于事件驅(qū)動的執(zhí)行模型結(jié)合起來。由于TinyOS操作系統(tǒng)和基于TinyOS操作系統(tǒng)的應用程序全部使用nesC語言編寫，因此，在介紹TinyOS操作系統(tǒng)之前，首先介紹一下nesC語言。

3 nesC語言

TinyOS和在其上運行的應用程序可以看成是一個大的“執(zhí)行程序”，它由許多功能獨立且相互有聯(lián)系的軟件組件構(gòu)成，圖2所示是nesC語言的一般程序框架。該系統(tǒng)中的一個組件一般會提供一些接口(假定組件名為ComA)，接口可以被認為是這個軟件組件實現(xiàn)的一組函數(shù)的聲明，是單獨定義的一組命令和事件，其他組件通過引用相同接口聲明來使用這個組件(ComA)的函數(shù)，從而實現(xiàn)組件間功能的相互調(diào)用，即組件的接口是實現(xiàn)組件間互連的通道。但若組件中實現(xiàn)的函數(shù)并未被它在接口中說明，就不能被其他組件所使用。nesC語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)功能專門在模塊的組件文件中實現(xiàn)，而不同組件之間的關(guān)系則是專門通過稱為配件的組件文件來描述的。



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，接口也是連接不同組件的紐帶。組件的接口通常是雙向的，這種接口實際上是提供者組件和使用者組件之間的一個多功能交互通道。接口的提供者所實現(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體，主要包括命令、事件、任務(wù)的具體實現(xiàn)。在TinyOS中，命令都是非阻塞的，它們完成后會通知相關(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)是一個可以被調(diào)度的實體，類似于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)中的進程或線程概念。

配件通?？赏ㄟ^一系列其他組件來實現(xiàn)一個組件規(guī)范，它主要實現(xiàn)組件間的相互訪問方式。配件包括組件列表和連接說明，組件列表定義了實現(xiàn)配件的組件，連接通常可將定義的元素(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

為了適應無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，TinyOS操作系統(tǒng)使用了四個主要技術(shù)，組件化編程、輕量級線程、主動消息通信和事件驅(qū)動模型。

4.1  組件模型

TinyOS操作系統(tǒng)中的組件有四個相互關(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、一個經(jīng)過封裝的私有數(shù)據(jù)幀和一組簡單的任務(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TinyOS操作系統(tǒng)中的組件，無線發(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)器相連的各個單獨的I／O引腳，并且發(fā)信號給事件以將數(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用程序的組件結(jié)構(gòu)：合成組件可以模擬高級硬件的行為，這種組件的一個例子是圖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線發(fā)送模塊組件交互，最后將無線接口映射到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)給相應的任務(wù)的功能。



4.2  輕量級線程

在TinyOS操作系統(tǒng)中，一般的輕量級線程task(即TinyOS操作系統(tǒng)中的任務(wù))可按照FIFO方式進行調(diào)度，輕量級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線程和低優(yōu)先級的中斷處理線程，故可對硬件中斷快速響應。

4.3  主動消息通信

主動消息通信是一個面向消息通信的高性能通信模型。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用主動消息機制的主要目的是使無線傳感器節(jié)點的計算能力和通信重疊。為使主動消息更適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求，主動消息提供了三個最基本的通信機制，其一是帶確認的消息傳遞，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，主動消息通信被視為一個系統(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，可方便開發(fā)人員實現(xiàn)各種功能的高層通信組件。

在TinyOS的主動通信中，當數(shù)據(jù)到達傳感器節(jié)點時，首先進行緩存，然后由主動消息把緩存中的數(shù)據(jù)分發(fā)到上層應用。TinyOS操作系統(tǒng)不支持動態(tài)內(nèi)存分配，所以要求每個應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，以用于接收下一個將要來到的消息。因為在TinyOS操作系統(tǒng)中，各個應用程序之間的執(zhí)行是不能搶占的，所以不會出現(xiàn)多個未使用的消息緩存發(fā)生沖突，因此，TinyOS操作系統(tǒng)的主動消息通信組件只需要維持一個額外的消息緩存以用于接收下一個消息。如果一個應用程序需要同時存儲多個消息，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消息傳遞機制．所以需要接收方提供確認反饋信息給發(fā)送方，以確定發(fā)送是否成功。確認消息可由主動消息通信組件生成，這樣比在應用層生成確認消息包更能節(jié)省開銷，而且反饋時間短。

4.4  事件驅(qū)動模型

TinyOS操作系統(tǒng)是事件驅(qū)動的操作系統(tǒng)，故當一個任務(wù)完成后，就可以使其觸發(fā)一個事件，然后由TinyOS操作系統(tǒng)自動調(diào)用相應的處理函數(shù)。事件驅(qū)動分為硬件事件驅(qū)動和軟件事件驅(qū)動。硬件事件驅(qū)動也就是一個硬件發(fā)出中斷，然后進入中斷處理函數(shù)；而軟件驅(qū)動則是通過signal關(guān)鍵字來觸發(fā)一個事件。

5  結(jié)束語

盡管TinyOS已被廣泛使用，而且也得到了相當?shù)恼J可，但這并不意味著TinyOS能夠適用于WSN的所有應用場景。事實上，在某些場合下，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)過載、導致任務(wù)丟失、通信吞吐量下降等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的三個典型任務(wù)一般是傳感器采集、本地數(shù)據(jù)發(fā)送和作為中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。當本地任務(wù)發(fā)生頻率過高時，任務(wù)隊列很快就滿了，這時發(fā)送或接收任務(wù)就可能丟失，從而導致數(shù)據(jù)包丟失；另外，如果本地任務(wù)運行時間過長，則發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包的任務(wù)也要等待較長時間才能得到處理，這樣，會降低通信速率。因此TinyOS的調(diào)度策略可能導致問題的出現(xiàn)。而FIFO的調(diào)度機制也可能引起一些重要的任務(wù)得不到實時響應的問題。對于這些問題的解決，將在以后的文章中進行討論。