基于TinyOS的WSN节点控制系统的设计与实现

论文摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。它结合了计算、通信、传感器三项技术,在军事领域,环境监测,家庭自动化等多个领域均有广泛应用,是当前计算机学的研究热点之一。无线传感器节点是构成无线传感器网络的基本单元。通常,节点具备成本低廉,便于在复杂的环境进行大规模部署的特点。然而,低廉的成本也造成了节点在计算能力、内存容量和电源能量等方面的资源十分有限。因此,对节点进行合理的控制和资源分配,成为了无线传感器网络研究中一个非常必要的研究方向。针对以上无线传感器节点的特点和节点控制系统在实际应用中的必要性,本文将设计并实现一个基于TinyOS操作系统的无线传感器节点控制系统,对节点上的应用组件进行合理的控制,进而达到优化节点资源配置的目的。首先,通过对现有的无线传感器网络操作系统进行对比分析,论证了基于TinyOS操作系统对无线传感器节点控制系统进行开发的可行性。然后,将控制系统分成静态与动态两个部分。静态部分为应用选择方案,将问题抽象成背包问题模型,并以遗传算法为基础,完成了应用选择方案的设计与实现,实现了对内存资源的合理分配。动态部分为WSN节点运行时控制系统,该系统通过对指令和应用的控制,实现了节约电源能量的目的。最后,对已完成的无线传感器网络节点控制系统进行测试。结果表明,应用选择方案可以有效地利用传感器节点的内存资源,WSN运行时系统可以有效地控制指令及应用组件,系统整体能够满足用户对节点控制系统的需求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究内容
• 1.4 论文结构
• 第2章 相关技术
• 2.1 无线传感器网络操作系统
• 2.1.1 系统需求
• 2.1.2 SOS简介
• 2.1.3 Mantis OS简介
• 2.2 TINYOS操作系统
• 2.2.1 TinyOS的设计思路
• 2.2.2 TinyOS组件模型
• 2.2.3 TinyOS调度机制
• 2.2.4 TinyOS通信模型
• 2.2.5 TinyOS与SOS、Mantis OS对比分析
• 2.3 NESC语言
• 2.3.1 NesC语言简介
• 2.3.2 模块与配件
• 2.4 本章小结
• 第3章 应用选择方案的设计与实现
• 3.1 设计目标及需求
• 3.2 应用选择算法的分析与实现
• 3.2.1 背包问题模型
• 3.2.2 背包问题算法分析
• 3.2.3 遗传算法概述
• 3.2.4 应用选择算法的实现
• 3.3 应用选择方案的实现
• 3.4 逻辑流程
• 3.5 本章小结
• 第4章 WSN节点运行时控制系统的设计与实现
• 4.1 系统总体设计
• 4.1.1 开发环境及硬件选择
• 4.1.2 设计目标及需求
• 4.1.3 体系结构设计
• 4.1.4 运行流程设计
• 4.2 指令接收模块的设计与实现
• 4.2.1 功能和接口
• 4.2.2 关键点
• 4.2.3 逻辑流程
• 4.3 指令缓存模块的设计与实现
• 4.3.1 功能和接口
• 4.3.2 关键点
• 4.3.3 逻辑流程
• 4.4 指令分发模块的设计与实现
• 4.4.1 功能和接口
• 4.4.2 关键点
• 4.4.3 逻辑流程
• 4.5 应用控制模块的设计与实现
• 4.5.1 功能和接口
• 4.5.2 关键点
• 4.5.3 逻辑流程
• 4.6 应用状态模块的设计与实现
• 4.6.1 功能和接口
• 4.6.2 关键点
• 4.6.3 逻辑流程
• 4.7 本章小结
• 第5章 系统功能测试与分析
• 5.1 测试目标
• 5.2 测试环境
• 5.3 测试过程
• 5.3.1 应用选择方案功能测试与分析
• 5.3.2 指令接收模块测试与分析
• 5.3.3 指令缓存模块测试与分析
• 5.3.4 指令分发模块测试与分析
• 5.3.5 应用控制模块测试与分析
• 5.3.6 应用状态模块测试与分析
• 5.4 测试结论
• 5.5 本章小结
• 第6章 结束语
• 6.1 课题总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢