无线传感器网络嵌入式TinyOS调度机制的研究与实现

论文摘要

无线传感器网络是在微电子、无线通信和嵌入式系统等技术的飞速发展中产生的一种新的信息获取和处理模式。它在工业、农业、军事国防、生物医疗、抢险救灾以及环境监测等许多重要领域都有广泛的应用前景。本文主要利用TinyOS操作系统作为无线传感器网络的平台，并以此提出TinyOS调度机制的改进方案。在无线传感器网络中，操作系统作为必要的软件来支持更多复杂的调度和管理。它运行在每个网络节点上，是其上层应用的基础。TinyOS作为一种典型的无线传感器网络操作系统得到广泛采用，它当前的调度机制采用先到先服务（first-come-first-served, FCFS）方式。但这种方式不能够确保系统的响应性能。由于重要的任务不能进行及时可靠地得到响应，引起通信性能下降等情况的发生。针对TinyOS调度机制的不足，本文提出一种递增优先级调度和一种可抢占优先级调度机制。在递增优先级调度中，通过在任务插入队列的时候调整任务的优先级。重要任务由于具有较高优先级被排在队列头部优先执行。对于低优先级任务，为避免其因高优先级任务的频繁插入而长期得不到响应，将新插入任务的后面任务的优先级增加1。该调度机制不仅保证了重要任务响应速度，也能保证低优先级任务不会被频繁投递的高优先级任务所阻塞。在可抢占优先级调度中，刚到达队列的高优先级任务可以通过抢占方式先执行，通过抢占能够使它的执行更加及时。另外，可以通过设置抢占次数来避免低优先级任务被频繁抢占。本文在不需要增加额外堆栈空间的前提下实现了可抢占算法。该调度机制更加适用于对可靠性有更高要求的应用程序中。通过TOSSIM仿真实验表明，所提出的两种调度机制，在总能耗增加很少的情况下，可以有效地提高发送任务和接收任务的数量，降低了系统丢包率，并极大地改善了传感器网络的通信性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究及应用现状
• 1.3 研究意义
• 1.4 论文的主要内容与章节安排
• 第2章 无线传感器网络及其操作系统
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.1.1 传感器网络结构
• 2.1.2 传感器节点结构
• 2.1.3 无线传感器网络特点
• 2.1.4 传感器网络协议栈
• 2.1.5 传感器节点的限制
• 2.1.6 无线传感器网络的关键技术
• 2.1.7 无线传感器网络操作系统概述
• 2.2 nesC 语言
• 2.2.1 nesC 语言概述
• 2.2.2 nesC 应用程序
• 2.2.3 接口和组件
• 2.3 TinyOS 操作系统
• 2.3.1 TinyOS 操作系统概述
• 2.3.2 TinyOS 组件模型
• 2.3.3 TinyOS 的组件类型
• 2.3.4 TinyOS 通信模型
• 2.4 小结
• 第3章 TinyOS 调度机制的分析与改进
• 3.1 任务调度的分类
• 3.2 TinyOS 内核调度机制
• 3.2.1 TinyOS 内核调度概述
• 3.2.2 TinyOS 内核调度机制的不足
• 3.3 TinyOS 中常见的调度机制
• 3.4 TinyOS 的数据处理
• 3.5 一种改进的调度机制—递增优先级调度
• 3.5.1 定义任务数据结构
• 3.5.2 任务提交函数的实现
• 3.6 一种改进的调度机制—可抢占优先级调度
• 3.6.1 定义任务数据结构
• 3.6.2 调度函数实现
• 3.7 基于改进调度机制的 Surge 应用的实现
• 3.8 小结
• 第4章 仿真测试与分析
• 4.1 TinyOS 的情景分析
• 4.2 TOSSIM 仿真平台简介
• 4.3 性能测试
• 4.3.1 任务数分析
• 4.3.2 丢包率分析
• 4.3.3 能耗分析
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读硕士学位期间所发表的学术论文目录）
• 附录B （攻读硕士学位期间所参与的科研活动）