无线传感器网络节点重编程研究与设计

论文摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由分布在各个区域的自组织的节点设备组成的无线网络。这些节点设备通过自身的传感器来监测周围的物理或者环境状况,比如温度,声音,压力,震动等。通过汇总和分析这些信息,以来做出决策。无线传感网络最初应用在军事领域,用以战地的一些监测,近年来,无线传感网络越来越多的应用在民用工程上,包括环境的监测,家庭自动化,交通控制等领域。随着无线传感网络应用的越来越广泛,它成为了当前研究的热点之一。无线传感网络是由大量的节点组成的,节点在无线传感网络中具有路由和感知的功能。通常无线传感网络由大量的低成本的,资源受限的传感器节点组成,用来部署在复杂的环境中,节点往往通过电池来供电,因此在无线传感网络节点操作系统设计时,低功耗是一个很有挑战性的问题。传感器节点数量众多,分布在很广的区域,甚至是难以接近的环境中。通过手动来实现节点上软件的更新和故障修复难度很大,因此需要节点具备通过无线网络更新自身软件的能力。针对以上的传感器节点的特点和重编程在无线传感网络中的必要性,论文提出了在无线传感网络操作系统上重编程的设计方案。在分析并总结现有主流的操作系统重编程方案的设计的基础上,设计并实现了一个基于模块动态加载的重编程方案。模块基于可重定位的ELF文件来实现,由于标准ELF文件是基于32位的数据类型的,因此在8位或16位的节点体系结构上,高16位是用不到的,还有ELF文件格式也存在很多冗余信息,因此提出一个ELF文件剪裁方案,用于减少模块中的冗余信息。同时,实现了一种模块的预链接机制,将模块的链接过程转移到基站,加速模块在节点上的加载速度。最后通过试验,证明了重编程方案的低功耗性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 论文组织
• 第2章 现有节点操作系统重编程技术简介
• 2.1 概述
• 2.1.1 节点操作系统概述
• 2.1.2 节点操作系统发展与现状
• 2.2 TinyOS重编程概述
• 2.2.1 简介
• 2.2.2 MNP
• 2.2.3 基于Diff的解决方案
• 2.2.4 FlexCup
• 2.2.5 虚拟机
• 2.3 Contiki重编程概述
• 2.3.1 简介
• 2.3.2 镜像替换
• 2.3.3 可加载模块
• 2.3.4 虚拟机
• 2.4 SOS重编程概述
• 2.4.1 简介
• 2.4.2 基于位置无关代码的模块加载
• 2.4.3 Mantis OS重编程概述
• 2.5 现有重编程方案的对比
• 2.6 本章小结
• 第3章 SenSpire重编程整体设计
• 3.1 SenSpire OS概述
• 3.2 SenSpire OS体系结构介绍
• 3.3 SenSpire重编程实现目标
• 3.4 重编程总体设计
• 3.4.1 模块微型化
• 3.4.2 模块加载和预链接技术
• 3.5 本章小结
• 第4章 模块微型化设计
• 4.1 ELF文件格式分析
• 4.1.1 ELF文件格式
• 4.1.2 ELF文件头
• 4.1.3 节头表
• 4.1.4 符号表
• 4.1.5 字符串表
• 4.1.6 重定位表
• 4.2 ELF文件裁剪
• 4.2.1 重定义数据类型
• 4.2.2 文件组织结构
• 4.2.3 符号表和字符串表的裁剪
• 4.3 本章小结
• 第5章 模块预加载机制研究
• 5.1 模块动态链接和加载
• 5.1.1 动态连接
• 5.1.2 加载过程
• 5.2 模块预链接机制研究
• 5.2.1 预链接机制
• 5.3 模块通信机制
• 5.3.1 模块与内核通信
• 5.3.2 模块间通信机制
• 5.4 本章小结
• 第6章 SenSpire重编程评测
• 6.1 微型化评测
• 6.2 预链接技术评测
• 6.2.1 加载速度
• 6.2.2 代码分发数据量
• 6.3 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介