无线传感器网络节点嵌入式操作系统TinyOS的研究与移植

论文摘要

无线传感器网络(wireless sensor networks)是一门融合了微机电系统技术、嵌入式系统技术、无线通信技术、网络技术、分布式处理技术、传感器技术而形成的一项新兴交叉学科,它在军事、医疗、工业、农业、环境监测领域都有着广阔的应用前景。无线传感器网络通过大量散布在一定区域内的传感器节点采集感兴趣的监测数据,并对数据进行处理、融合、通过自组织多跳路由的网络传送给观测者,使得观测者可以详尽及时地掌握被监测区域内感兴趣的信息和事件。随着无线传感器网络技术的发展,网络规模越来越大,节点需要采集、处理、传输的数据也越来越多,节点上的任务越来越繁重,程序的编写和调试变得十分繁琐,我们需要完善的微型化嵌入式操作系统来进行节点的任务调度和资源管理。无线传感器网络嵌入式操作系统是传感器节点中的基础核心软件,它负责节点全部软、硬资源的分配及回收、控制和协调并发的活动;提供用户接口,使用户获得良好的工作环境;为用户扩展新的系统功能提供软件平台。这不仅提高了开发效率,又增强了软件的重用性。本文介绍了无线传感器网络节点操作系统的设计要求,分析比较了几种典型的操作系统,重点研究了当前主流的操作系统TinyOS,介绍了其组件化的编程模型、事件驱动机制、任务事件两级调度策略、主动消息通信模型等特点,之后介绍了TinyOS基于无线单片机CC1010的移植,针对TinyOS在节点任务十分繁忙的应用环境下基于FIFO任务调度策略不能很好的适应工作需求,在FIFO调度的基础上引入动态的优先级调度策略,介绍了该调度策略的实现,并且通过实验测试比较了两种调度策略。最后在基于CC1010搭建的无线传感器网络实验平台上成功运行了改进后的操作系统。实验结果及数据分析表明,该操作系统满足系统功能需求,性能优良,达到设计目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 WSN 的兴起及发展现状
• 1.1.1 WSN 的起源与发展历程
• 1.1.2 国内外的研究现状
• 1.2 WSN 的体系结构及特点
• 1.2.1 WSN 的系统架构
• 1.2.2 WSN 的特点
• 1.3 WSN 的应用与展望
• 1.3.1 WSN 的实际应用
• 1.3.2 WSN 的前景展望
• 1.4 本论文的主要工作以及章节安排
• 第二章 无线传感器网络节点操作系统
• 2.1 无线传感器网络节点操作系统的特征
• 2.1.1 现有的嵌入式操作系统与无线传感器网络
• 2.1.2 无线传感器网络操作系统设计要求
• 2.2 现有的几种无线传感器网络操作系统介绍与对比
• 2.2.1 现有的几种典型无线传感器网络操作系统
• 2.2.2 几种WSN 操作系统的对比
• 2.3 小结
• 第三章 TinyOS 的移植
• 3.1 TinyOS 操作系统研究
• 3.1.1 nesC 语言研究
• 3.1.2 TinyOS 的任务调度
• 3.1.3 TinyOS 基于主动消息的通信模型
• 3.2 TinyOS 在 CC1010 上的移植
• 3.2.1 无线单片机CC1010 简介
• 3.2.2 TinyOS 的移植工作
• 3.3 小结
• 第四章 TinyOS 任务调度策略的研究与改进
• 4.1 操作系统中的任务调度策略研究
• 4.1.1 先进先出（FIFO）调度算法
• 4.1.2 时间片轮转调度算法
• 4.1.3 基于优先级的调度算法
• 4.2 TinyOS 基于 FIFO 的任务调度策略及其不足
• 4.2.1 TinyOS 的任务调度策略
• 4.2.2 TinyOS 调度策略的不足
• 4.3 TinyOS 调度策略的修改
• 4.3.1 基于优先级的FIFO 队列
• 4.3.2 优先级FIFO 的具体实现
• 4.3.3 改进后的性能测试与评价
• 4.4 小结
• 第五章 以CC1010 试验平台构建的WSN 系统的测试
• 5.1 CC1010 为核心的WSN 实验平台
• 5.1.1 实验平台硬件组成
• 5.1.2 实验平台的软件开发和测试环境
• 5.2 WSN 的多点通信试验
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文