面向无线传感器网络构件化操作系统的研究

面向无线传感器网络构件化操作系统的研究

论文摘要

无线传感器网络由部署在检测区域内的大量廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的自组织网络系统,其综合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息技术和无线通信技术,能够实时监测、感知、采集和处理各种监测对象的信息。无线传感器网络在环境监测、医疗监护、城市交通管理、仓储管理、军事侦察等领域具有广阔的应用前景,是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿研究热点之一。无线传感器网络节点具有小尺寸和低功耗、多样化的设计和使用、有限的控制层次、健壮的运行要求和并发密集型操作等基本特性,这使得其上的系统软件设计颇具挑战性。传统的操作系统和编程模式并不能直接应用于无线网络传感器网络系统。因此,一些新的开发方法,如构件化开发方法,开始引入无线传感器网络软件开发之中。本论文对现有的无线传感器网络操作系统进行分类总结,跟踪了国内外该领域的研究进展,重点研究了无线传感器网络中经典的TinyOS操作系统,包括其构件模型、事件驱动机制、调度策略以及编程语言nesC;结合所研究课题,对TinyOS的系统构件进行改造,设计了实时调度构件,增强了TinyOS的适用性。利用所研究成果,实现了一个实用的无线传感器网络软件构件化开发平台,此开发平台提供了软件构件化辅助划分、源码构件生成、软件构件组装和构件信息管理等工具,可以覆盖基于nesC语言的无线传感器网络软件构件开发的全过程。本论文主要工作和创新之处包括:1)深入研究基于构件架构的TinyOS的基础上,提出了硬件描述层构件的设计基本原则。在对TinyOS的编程语言nesC研究后,实现了TinyOS在MSP430F1611单片机上的移植。2)分析了TinyOS-2.x的任务调度机制,针对其在实时应用领域的调度缺陷,设计并实现了一种软实时任务调度构件。3)分析了构件化描述语言nesC和TinyOS的开发过程,设计并实现了一种构件化集成开发环境及其构件管理器。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题研究背景
  • 1.2 研究意义
  • 1.3 国内外研究现状
  • 1.3.1 可重用软件开发技术
  • 1.3.2 构件化开发技术
  • 1.3.3 无线传感器网络及其操作系统
  • 1.4 课题来源及研究内容
  • 1.5 相关概念的澄清
  • 1.6 论文组织
  • 第二章 无线传感器网络及其操作系统
  • 2.1 引言
  • 2.2 无线传感器网络的结构及特点
  • 2.3 无线传感器网络操作系统
  • 2.3.1 无线传感器网络操作系统设计的需求
  • 2.3.2 无线传感器网络操作系统设计面对的挑战
  • 2.3.3 无线传感器网络操作系统设计的目标
  • 2.3.4 无线传感器网络操作系统一般性设计的原则和框架
  • 2.3.5 典型无线传感器网络操作系统及其比较
  • 2.4 TinyOS操作系统
  • 2.4.1 TinyOS的构件模型
  • 2.4.2 TinyOS的并发模型
  • 2.5 小结
  • 第三章 TinyOS操作系统的移植
  • 3.1 引言
  • 3.2 无线传感器网络的节点硬件
  • 3.3 节点操作系统的选取
  • 3.3.1 节点操作系统的需求
  • 3.3.2 节点操作系统的确定
  • 3.4 TinyOS的移植
  • 3.4.1 TinyOS的系统层次
  • 3.4.2 nesC的基本思想
  • 3.4.3 移植的实现
  • 3.4.4 移植工作的总结
  • 3.5 小结
  • 第四章 TinyOS实时调度构件的设计与实现
  • 4.1 引言
  • 4.2 TinyOS任务事件驱动的并发模型的工作原理
  • 4.3 TinyOS任务调度源码研究
  • 4.3.1 相关代码的数据结构和算法构件模型
  • 4.3.2 任务调度的特点
  • 4.4 TinyOS实时调度构件的设计
  • 4.4.1 实时调度构件设计目标
  • 4.4.2 实时调度构件设计可行性
  • 4.4.3 实时调度构件设计原则
  • 4.4.4 实时调度构件调度策略设计
  • 4.4.5 实时调度构件结构设计
  • 4.4.6 实时调度构件设计总结
  • 4.5 TinyOS实时调度构件的实现
  • 4.5.1 实时调度构件策略实现
  • 4.5.2 实时调度构件结构实现
  • 4.6 实时系统构件性能的仿真对比
  • 4.7 小结
  • 第五章 TinyOS集成开发环境的设计与实现
  • 5.1 引言
  • 5.2 TinyOS集成开发环境的研究意义
  • 5.3 构件实现和组装机制及其特点
  • 5.4 TinyOS集成开发环境的设计
  • 5.4.1 TinyOS集成开发环境的设计目标
  • 5.4.2 TinyOS集成开发环境的整体设计
  • 5.4.3 TinyOS集成开发环境的工作原理
  • 5.5 项目管理器
  • 5.5.1 图形用户接口
  • 5.5.2 文件管理模块
  • 5.5.3 项目管理模块
  • 5.6 构件管理器
  • 5.6.1 构件管理器的功能
  • 5.6.2 构件管理器的工作流程
  • 5.6.3 构件管理器的实现
  • 5.7 TinyOS集成开发环境特点与运行演示
  • 5.8 小结
  • 第六章 结束语
  • 6.1 总结
  • 6.2 进一步研究工作
  • 致谢
  • 参考文献
  • 攻硕期间取得的成果
  • 相关论文文献

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