TinyOS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分析

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信方式組成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)同感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀測者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究涉及到多個熱點(diǎn)學(xué)科的前沿領(lǐng)域，比如傳感器技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式計算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)等。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境檢測、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、軍事偵察等眾多的領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，因而引起了世界各國工業(yè)界，學(xué)術(shù)界和軍事部門的重視，并且迅速成為當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)之一。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)收發(fā)和電源等四個單元組成。數(shù)據(jù)采集單元通過傳感器采集外界數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；數(shù)據(jù)處理單元是節(jié)點(diǎn)的核心模塊，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)各部分的工作，如對數(shù)據(jù)采集單元采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理和保存，以及數(shù)據(jù)收發(fā)單元工作模式的設(shè)置等；數(shù)據(jù)收發(fā)單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無線傳輸以及與數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)據(jù)交互。上述四大基本模塊與相應(yīng)的操作系統(tǒng)、協(xié)議棧和應(yīng)用程序共同構(gòu)成一個基本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，眾多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布在一起，就可以完成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本功能。

在軟件設(shè)計方面，本系統(tǒng)以專用嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)為依托，來管理、協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點(diǎn)各硬件部分的工作。上層應(yīng)用以及各層的通信協(xié)議都以節(jié)能為中心，必要時可以犧牲其他的一些網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)來獲得更高的電源效率。圖1所示是一個傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成。



傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計基本上都是為了同時滿足人們各種各樣的需要，如語音、視頻、圖像等。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般是為了某個特定的需要而設(shè)計的，它是一種基于應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)，與移動通信網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、Bluetooth相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下主要特點(diǎn)：

(1)電源能量有限：無線網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點(diǎn)的電源都是有限的，網(wǎng)絡(luò)大多工作在無人區(qū)或者對人體有傷害的惡劣環(huán)境中，一般更換電源幾乎都是很困難的事。

(2)計算能力有限：傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都采用具有嵌入式特性的處理器，但嵌入式處理器的處理能力，使傳感器節(jié)點(diǎn)的計算能力比較有限。

(3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，分布范圍廣，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)十分密集，數(shù)量巨大，有時可能達(dá)到幾百，幾千，甚至更多。

(4)動態(tài)性拓?fù)洌簜鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)榄h(huán)境或節(jié)點(diǎn)電能耗盡等因素而改變，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠適應(yīng)這種變化。