无线传感器网络操作系统关键技术研究3.pdf

1、收 稿 日 期 : 2006208204; 修 返 日 期 : 2006212207 基 金 项 目 : 教 育 部 科 学 技 术 研 究 重 点 资 助 项 目 ( 206077) ;江 西 省 教 育 厅 基 金 资 助 项 目(2006191)作 者 简 介 :张 朋 (19792) ,男 ,河 南 郑 州 人 ,博 士 研 究 生 ,主 要 研 究 方 向 为 无 线 传 感 器 网 络 操 作 系 统 技 术 、 检 测 技 术 与 自 动 化 装 置 、 精 密 仪 器 与 机械 ( jiapengzhangpeng163. com) ;陈 明 ,男 ,教 授 ,博 导 ,主 要

2、 研 究 方 向 为 测 试 技 术 与 自 动 化 技 术 、 精 密 仪 器 与 惯 性 导 航 技 术 等 ;陈 亚 萍 ,女 ,硕 士 研 究生 ,主 要 研 究 方 向 为 测 试 技 术 与 自 动 化 技 术 ;何 鹏 举 ,男 ,甘 肃 人 ,副 教 授 ,硕 导 ,博 士 后 ,研 究 方 向 为 传 感 器 与 虚 拟 仪 器 技 术 、 无 线 传 感 器 网 络 技 术 .无 线 传 感 器 网 络 操 作 系 统 关 键 技 术 研 究 3张 朋 1 , 陈 明 1 , 陈 亚 萍 1 , 何 鹏 举 2(1.西 北 工 业 大 学 自 动 化 学 院 , 西 安 7

3、10072; 2. 江 西 理 工 大 学 , 江 西 赣 州 341000)摘 要 : 针 对 无 线 传 感 器 网 络 的 特 点 分 析 了 无 线 传 感 器 网 络 对 操 作 系 统 的 特 殊 需 求 ,分 析 了 无 线 传 感 器 网 络 操作 系 统 的 特 点 。 重 点 介 绍 了 无 线 传 感 器 网 络 操 作 系 统 开 发 过 程 中 的 几 大 关 键 技 术 :结 构 的 层 次 化 技 术 、 框 架 技术 、 节 能 型 通 信 模 型 技 术 、 可 裁 减 构 件 技 术 、 普 适 计 算 模 型 技 术 。 这 些 技 术 已 用 于 西 北

4、 工 业 大 学 的 无 线 传 感 器 网络 的 开 发 实 践 中 ,并 取 得 了 较 理 想 的 效 果 ,对 更 好 地 开 发 无 线 传 感 器 网 络 操 作 系 统 和 开 发 应 用 软 件 有 很 高 的 参考 价 值 。关 键 词 : 无 线 传 感 器 网 络 ; 协 议 ; 操 作 系 统 ; 层 次 化 技 术 ; 框 架 技 术 ; 节 能 ; 普 适 运 算中 图 分 类 号 : TP316 文 献 标 志 码 : A 文 章 编 号 : 100123695 (2007) 1020023203Key techniques for OS in wireless

5、sensor networkZHANG Peng1 , CHEN M ing1 , CHEN Ya2p ing1 , HE Peng2ju2(1. School of Autom ation, N orthwestern Polytechnical U niversity, X i an 710072, China; 2. J iangxi U niversity of Science p rotocols; OS; hiberarchy technique; fireworks technique; energy save; pervasivecomputing由 于 传 感 器 技 术 、

6、 无 线 通 信 技 术 和 计 算 机 网 络 技 术 的 推动 ,无 线 传 感 器 网 络 1 迅 速 发 展 ,成 为 当 前 信 息 领 域 的 一 个 重要 研 究 热 点 。 与 传 统 的 消 防 等 有 线 传 感 器 网 络 相 比 ,无 线 传 感器 网 络 具 有 自 组 成 网 、 配 置 灵 活 、 扩 展 简 便 等 特 点 。 在 危 险 性大 、 人 工 无 法 进 入 的 环 境 中 ,可 以 利 用 飞 机 投 掷 等 手 段 将 传 感器 节 点 布 置 到 监 测 区 域 。 这 些 节 点 通 过 自 行 组 织 成 网 络 ,进 行数 据 采 集

7、和 处 理 ,并 传 回 相 关 的 信 息 来 完 成 监 测 任 务 。 这 些 特点 使 得 自 组 织 无 线 传 感 器 网 络 可 被 广 泛 应 用 于 森 林 防 火 、 生 物栖 息 地 监 控 、 仓 储 管 理 、 环 境 监 测 、 医 疗 监 护 等 领 域 ,尤 其 在 军事 领 域 的 应 用 更 具 有 重 要 意 义 。尽 管 无 线 传 感 网 在 理 论 研 究 和 工 程 实 现 上 都 已 取 得 了 很多 重 要 的 成 果 ,但 目 前 迅 速 增 长 的 信 息 和 日 益 复 杂 的 功 能 需 求仍 然 要 求 对 一 些 技 术 难 点 进

8、 行 解 决 或 改 进 ,如 无 线 传 感 器 网 络操 作 系 统 技 术 、 网 络 路 由 技 术 、 组 网 和 拓 扑 管 理 、 节 点 定 位 、 电源 技 术 、 覆 盖 控 制 、 多 传 感 器 信 息 融 合 技 术 2 等 。 无 线 网 络 操作 系 统 技 术 是 其 中 重 要 的 一 项 。 无 线 传 感 器 网 络 具 有 硬 件 资源 受 限 、 能 源 补 给 困 难 、 带 宽 有 限 等 特 点 ,作 为 无 线 传 感 器 网 络的 支 撑 技 术 之 一 ,操 作 系 统 必 须 能 够 满 足 无 线 传 感 器 网 络 的 特殊 性 所

9、带 来 新 的 技 术 要 求 。1 无 线 传 感 器 网 络 特 点 及 其 对 操 作 系 统 特 殊 需 求在 某 种 程 度 上 可 以 将 传 感 器 网 络 看 做 一 种 由 大 量 微 型 、 廉价 、 能 量 有 限 的 多 功 能 传 感 器 节 点 组 成 的 ,可 协 同 工 作 的 ,面 向分 布 式 自 组 织 网 络 的 计 算 机 系 统 。 因 此 针 对 传 感 器 网 络 应 用的 多 样 性 、 硬 件 功 能 有 限 、 资 源 有 限 、 节 点 微 型 化 和 分 布 式 多 协作 等 特 点 ,研 究 和 设 计 新 的 基 于 传 感 器 网

10、 络 的 操 作 系 统 成 为 当前 提 高 无 线 传 感 器 网 络 性 能 的 一 个 重 要 课 题 。 当 前 ,有 些 研 究人 员 认 为 传 感 器 网 络 的 硬 件 很 简 单 ,没 有 必 要 设 计 一 个 专 门 的操 作 系 统 ,可 以 直 接 在 硬 件 上 设 计 应 用 程 序 。 这 种 观 点 在 实 际应 用 中 会 碰 到 很 多 问 题 。 首 先 就 是 面 向 传 感 器 网 络 的 应 用 开发 难 度 会 加 大 ,应 用 开 发 人 员 不 得 不 直 接 面 对 硬 件 进 行 编 程 ,无 法 得 到 像 传 统 操 作 系 统 那

11、 样 提 供 的 丰 富 服 务 ;其 次 是 软 件 的重 用 性 差 ,程 序 员 无 法 继 承 已 有 的 软 件 成 果 ,降 低 了 开 发 效 率 ,增 加 了 开 发 成 本 。另 外 一 些 设 计 人 员 认 为 ,可 以 直 接 使 用 现 有 的 嵌 入 式 操 作系 统 ,如 VxWorks、 W inCE、 L inux、 QNX等 。 这 些 系 统 中 有 基 于第 24卷 第 10期2007年 10月 计 算 机 应 用 研 究App lication Research of ComputersVol. 24 No. 10Oct. 2007微 内 核 架 构

12、的 嵌 入 式 操 作 系 统 ,如 VxWorks、 QNX等 ,也 有 基 于单 体 内 核 架 构 的 嵌 入 式 操 作 系 统 ,如 L inux等 。 由 于 这 些 操 作系 统 主 要 面 向 嵌 入 式 领 域 相 对 复 杂 的 应 用 ,其 功 能 也 比 较 复杂 ,如 它 们 可 提 供 内 存 动 态 分 配 、 虚 拟 内 存 实 时 性 支 持 、 文 件 系统 支 持 等 ,但 是 系 统 代 码 尺 寸 相 对 较 大 。 而 传 感 器 网 络 的 硬 件等 资 源 极 为 有 限 ,上 述 操 作 系 统 很 难 在 无 线 传 感 器 网 络 这 样

13、的硬 件 资 源 上 高 效 运 行 。由 于 传 感 器 网 络 的 特 殊 性 ,需 要 操 作 系 统 能 够 高 效 地 使 用传 感 器 节 点 有 限 内 存 、 低 功 耗 的 处 理 器 、 传 感 器 、 低 速 通 信 设备 、 有 限 的 电 源 ,且 能 够 对 各 种 特 定 应 用 提 供 最 大 的 支 持 。 在面 向 传 感 器 网 络 的 操 作 系 统 支 持 下 ,多 个 应 用 可 以 并 发 地 使 用系 统 资 源 ,如 计 算 、 存 储 和 通 信 等 。在 传 感 器 网 络 中 ,传 感 器 节 点 有 两 个 很 突 出 的 特 点 :

14、a)并发 性 很 密 集 3 。 它 可 能 存 在 多 个 需 要 同 时 执 行 的 逻 辑 控 制 ,需 要 操 作 系 统 能 够 有 效 地 满 足 这 种 发 生 频 繁 、 并 发 程 度 高 、 执行 过 程 比 较 短 的 逻 辑 控 制 流 程 。 b)传 感 器 节 点 模 块 化 程 度 很高 。 它 要 求 操 作 系 统 能 够 让 应 用 程 序 方 便 地 对 硬 件 进 行 控 制 ,且 在 保 证 不 影 响 整 体 开 销 的 情 况 下 ,应 用 程 序 中 的 各 个 部 分 能够 比 较 方 便 地 进 行 重 新 组 合 。2 无 线 传 感 器

15、网 络 操 作 系 统 关 键 技 术211 结 构 的 层 次 化 技 术结 构 的 层 次 化 是 指 把 组 成 系 统 的 各 成 分 ,按 一 定 的 级 别 和规 则 进 行 分 组 ,并 按 照 “ 独 立 功 能 ,独 立 模 块 ” 的 原 则 将 这 些 组排 成 若 干 层 ,以 分 层 的 形 式 来 组 织 系 统 ,并 确 定 层 内 和 层 间 的联 系 方 式 ,如 图 1所 示 。1)硬 件 抽 象 层 此 层 包 含 硬 件 属 性 模 块 和 硬 件 行 为 模块 。 硬 件 抽 象 层 用 于 屏 蔽 不 同 的 硬 件 特 性 ,防 止 应 用 程 序

16、 代 码直 接 与 硬 件 打 交 道 ,并 且 负 责 对 目 标 系 统 的 硬 件 平 台 进 行 操 作和 控 制 。 它 向 下 直 接 与 硬 件 打 交 道 (如 TinyOS 4, 5 源 文 件 中 的HPL3 . nc的 组 件 ,它 们 主 要 是 各 种 物 理 器 件 和 微 处 理 器 内 部功 能 块 的 抽 象 ,以 及 TinyOS中 与 硬 件 平 台 相 关 的 头 文 件 和p latform. 头 文 件 等 ) ,向 上 对 系 统 服 务 层 的 各 管 理 模 块 提 供 标准 的 接 口 。 硬 件 属 性 层 模 块 对 无 线 传 感 器

17、网 络 中 所 有 底 层 的硬 件 资 源 进 行 分 类 、 划 分 ,以 及 同 类 硬 件 属 性 的 高 度 整 合 ,形 成通 信 类 属 性 模 块 、 数 据 处 理 融 合 类 属 性 模 块 、 控 制 类 属 性 模 块 、传 感 类 属 性 模 块 。 硬 件 行 为 模 块 对 硬 件 的 行 为 进 行 整 合 划 分 ,形 成 通 信 类 行 为 模 块 、 数 据 处 理 融 合 类 行 为 模 块 、 控 制 类 行 为模 块 、 传 感 类 行 为 模 块 。 采 用 把 硬 件 属 性 和 行 为 划 分 开 来 描 述的 设 计 方 法 ,有 利 于 提

18、 高 操 作 系 统 的 运 行 效 率 ,减 小 系 统 尺 寸和 增 强 跨 平 台 特 性 。 一 般 说 来 只 需 对 硬 件 抽 象 层 的 属 性 和 行为 模 块 进 行 适 当 的 组 合 就 可 将 整 个 传 感 器 网 络 操 作 系 统 移 植到 新 的 应 用 硬 件 平 台 上 。2)组 织 管 理 层 组 织 管 理 硬 件 抽 象 层 的 硬 件 属 性 和 行 为模 块 。 向 下 层 硬 件 抽 象 层 发 送 硬 件 组 织 命 令 ,向 上 层 应 用 服 务层 报 告 下 层 硬 件 组 织 形 式 和 状 态 。 组 织 管 理 层 把 业 务 领

19、 域 中绝 大 多 数 应 用 任 务 需 要 的 公 共 功 能 (主 要 是 处 理 应 用 程 序 执行 顺 序 的 调 度 、 中 间 业 务 相 互 通 信 的 服 务 和 由 于 内 部 或 外 部 事件 引 起 的 中 断 管 理 )抽 象 为 公 共 的 业 务 对 象 ,封 装 业 务 领 域 中的 绝 大 多 数 应 用 任 务 的 公 共 数 据 ,并 为 具 体 业 务 层 提 供 丰 富 的接 口 。 具 体 应 用 层 应 用 这 些 公 共 业 务 ,就 像 主 程 序 使 用 公 共 子函 数 一 样 方 便 。3)应 用 层 一 般 包 括 两 个 模 块 ,

20、即 人 机 会 话 模 块 和 用 户任 务 模 块 。 在 人 机 对 话 模 块 中 ,允 许 用 户 依 据 实 际 的 硬 件 环 境和 用 户 的 具 体 任 务 选 择 合 适 的 软 件 系 统 配 置 。 用 户 任 务 模 块 ,即 是 用 户 依 据 所 需 要 实 现 的 具 体 任 务 开 发 的 软 件 包 。212 框 架 技 术操 作 系 统 的 框 架 是 对 系 统 整 体 结 构 的 勾 画 ,着 重 解 决 系 统自 身 的 整 体 结 构 和 构 件 间 的 互 连 问 题 。 良 好 的 框 架 是 一 个 经过 实 践 检 验 的 成 熟 系 统 整

21、 体 结 构 。 其 方 法 、 机 制 可 以 被 该 领 域中 的 绝 大 多 数 软 件 所 复 用 。 成 熟 的 架 构 应 具 有 以 下 特 征 :a)模 块 化 。 框 架 将 多 变 的 实 现 细 节 封 装 在 固 定 接 口 之中 ,提 高 了 操 作 系 统 整 体 的 模 块 性 。b)可 复 用 性 。 框 架 提 供 的 固 定 接 口 被 定 义 类 属 组 件 ,并可 以 用 来 创 造 新 的 应 用 程 序 。c)扩 展 性 。 框 架 通 过 提 供 显 式 的 钩 子 方 法 ( hook me2thods) ,允 许 应 用 程 序 扩 展 其 固

22、 定 接 口 。有 了 成 熟 的 框 架 ,软 件 开 发 人 员 只 需 集 中 精 力 于 应 用 任 务本 身 的 特 定 细 节 。 无 线 网 络 操 作 系 统 的 框 架 应 符 合 层 次 化 结构 的 要 求 ,从 顶 到 底 一 般 由 主 程 序 模 块 、 服 务 子 程 序 模 块 和 应用 子 程 序 模 块 组 成 。 这 样 的 框 架 有 利 于 提 高 系 统 的 通 用 性 和柔 性 。213 节 能 型 通 信 模 型无 线 传 感 器 网 络 一 般 放 置 在 恶 劣 环 境 中 ,能 量 很 难 替 换 和补 充 。 而 且 无 线 传 感 器

23、网 络 由 大 量 节 点 组 成 ,信 息 通 信 量 很大 。 因 此 ,关 于 无 线 传 感 器 网 络 的 节 能 6 研 究 成 为 热 门 问 题 。当 前 对 无 线 传 感 器 网 络 节 能 性 的 研 究 主 要 集 中 在 两 方 面 :以 增强 能 源 利 用 效 率 和 供 电 能 力 为 主 的 研 究 方 面 ,如 可 充 电 电 池 研究 、 太 阳 能 电 池 等 研 究 ;以 增 强 网 络 能 源 利 用 效 率 为 主 的 研 究方 面 ,如 新 的 节 能 型 网 络 拓 扑 结 构 研 究 ,新 的 节 能 型 网 络 路 由算 法 和 协 议 研

24、 究 ,并 且 在 相 应 领 域 均 取 得 了 相 当 多 的 成 果 。 但是 ,当 前 作 为 无 线 传 感 器 网 络 关 键 支 撑 技 术 的 传 感 器 网 络 操 作系 统 技 术 却 对 节 能 型 通 信 模 型 的 研 究 不 够 深 入 。 现 在 无 线 传感 器 操 作 系 统 多 采 用 与 传 统 操 作 系 统 相 近 的 通 信 模 型 。 当 前有 的 研 究 人 员 提 出 将 原 来 一 些 应 用 在 并 行 和 分 布 式 计 算 系 统42 计 算 机 应 用 研 究 第 24卷中 的 通 信 模 式 创 造 性 地 应 用 到 无 线 传

25、感 器 网 络 系 统 中 。 主 动消 息 模 式 是 一 个 面 向 消 息 通 信 的 高 效 通 信 模 式 ,以 前 一 般 应 用于 并 行 和 分 布 式 计 算 系 统 中 。 在 主 动 消 息 通 信 方 式 中 ,每 一 个消 息 都 维 护 一 个 应 用 层 的 控 制 柄 ( handler)。 当 目 标 节 点 收 到这 个 消 息 后 ,就 会 将 消 息 中 的 数 据 作 为 参 数 ,并 传 递 给 应 用 层的 处 理 器 进 行 处 理 。 应 用 层 的 处 理 器 一 般 完 成 消 息 数 据 的 解包 操 作 、 计 算 处 理 或 发 送

26、相 应 消 息 等 工 作 。 在 这 种 情 况 下 ,网络 就 像 是 一 条 包 含 微 小 消 息 栈 的 流 水 线 ,消 除 了 一 般 通 信 协 议中 经 常 碰 到 的 缓 冲 区 处 理 方 面 的 困 难 。 为 了 避 免 网 络 拥 塞 ,还需 要 消 息 处 理 器 能 够 实 现 异 步 执 行 机 制 。尽 管 主 动 消 息 起 源 于 并 行 和 分 布 式 计 算 领 域 ,但 其 基 本 思想 适 合 传 感 器 网 络 的 需 求 。 主 动 消 息 的 轻 量 体 系 结 构 在 设 计上 同 时 考 虑 了 通 信 架 构 的 可 扩 展 性 和

27、有 效 性 。 主 动 消 息 不 但可 以 让 应 用 程 序 开 发 者 避 免 使 用 忙 等 方 式 等 待 消 息 数 据 的 到来 ,而 且 可 以 在 通 信 和 计 算 之 间 形 成 重 叠 。 这 可 以 极 大 地 提 高CPU的 使 用 效 率 ,并 降 低 传 感 器 节 点 的 能 耗 。 下 面 以 TinyOS的 通 信 模 型 7, 8 为 例 来 进 行 分 析 。TinyOS是 采 用 了 这 种 技 术 的 由 美 国 加 州 伯 克 利 分 校 开 发的 一 款 源 码 开 发 的 无 线 传 感 器 网 络 操 作 系 统 。 TinyOS中 的 通

28、信 遵 循 主 动 消 息 通 信 模 型 ,消 息 中 包 含 有 消 息 类 型 和 消 息 处 理函 数 。 在 TinyOS中 ,组 件 是 构 造 程 序 的 基 本 单 元 ,通 信 功 能 的实 现 也 是 通 过 由 低 到 高 的 组 件 间 的 通 信 实 现 的 。 其 流 程 如 图2所 示 。应 用 程 序 直 接 使 用 的 组 件 是 GenericComm,数 据 将 依 据 经过 AMStandard、 RadioCRCRPacket和 SecDadRadioByteSignal等组 件 的 处 理 与 编 码 后 通 过 硬 件 发 送 出 去 ,接 收 消

29、 息 的 过 程 恰 好与 之 相 反 。214 可 裁 减 的 构 件 技 术构 件 是 指 应 用 系 统 中 可 以 明 确 辨 识 的 构 成 成 分 ,是 一 个 功能 单 位 。 可 裁 减 构 件 是 指 具 有 相 对 独 立 功 能 、 有 可 复 用 价 值 的构 件 。 这 种 构 建 必 须 具 有 :a)可 用 性 。 构 件 必 须 易 于 理 解 和 应 用 。b)质 量 性 。 构 件 必 须 经 过 实 践 的 检 验 ,变 形 处 理 后 仍 然可 以 良 好 地 运 行 。c)适 应 性 。 构 件 必 须 易 于 通 过 参 数 化 、 接 口 化 等

30、方 式 在不 同 的 应 用 环 境 中 进 行 配 置 (此 种 构 件 特 性 在 传 统 的 嵌 入 式操 作 系 统 中 就 已 经 成 功 实 现 了 ,如 COS 中 提 供 的 键 盘 构件 ,只 需 依 据 实 际 外 接 键 盘 的 形 式 给 键 盘 构 件 赋 予 正 确 的 参 数即 可 )。d)易 于 检 索 性 。 构 件 应 支 持 较 好 的 检 索 效 率 。 检 索 工 作是 使 用 软 件 构 件 的 开 始 ,它 直 接 影 响 到 后 续 构 件 的 修 改 和 系 统集 成 。研 究 操 作 系 统 的 本 质 可 以 发 现 ,操 作 系 统 中

31、通 常 包 含 三 种构 件 成 分 :通 用 基 本 构 件 ,一 般 存 在 于 公 共 业 务 层 ,通 用 于 各 种系 统 中 (如 COS 中 的 消 息 处 理 信 箱 模 块 、 任 务 创 建 模 块 、 优先 级 调 度 模 块 等 ) ;领 域 共 性 构 件 ,主 要 存 在 于 硬 件 抽 象 层 ,一般 针 对 外 围 硬 件 环 境 (如 COS 中 提 供 的 键 盘 模 块 ) ;专 用 构件 ,这 主 要 针 对 某 一 专 业 的 特 定 问 题 而 开 发 。 目 前 操 作 系 统 构件 开 发 中 的 重 复 劳 动 主 要 集 中 于 前 两 类

32、构 件 的 重 复 开 发 。 因此 ,构 件 复 用 的 关 键 也 集 中 在 前 两 类 构 件 的 开 发 。 通 过 构 件 复用 ,在 应 用 系 统 的 开 发 中 可 以 充 分 利 用 已 有 的 开 发 成 果 ,避 免分 析 、 设 计 、 编 码 、 测 试 等 重 复 劳 动 。 这 样 既 提 高 了 软 件 的 开 发效 率 ,也 避 免 了 重 新 开 发 可 能 引 入 的 错 误 ,提 高 了 开 发 质 量 。215 普 适 计 算 技 术 模 型普 适 计 算 技 术 是 在 网 络 技 术 和 移 动 计 算 技 术 的 基 础 上 发展 起 来 的

33、,着 重 在 普 适 环 境 中 提 供 面 向 客 户 、 统 一 的 、 自 适 应 的网 络 服 务 。 由 无 线 传 感 器 网 络 的 特 点 知 道 ,无 线 传 感 器 网 络 是比 较 适 合 普 适 计 算 的 。 作 为 无 线 传 感 器 网 络 关 键 支 撑 的 操 作系 统 应 具 有 深 入 的 普 适 计 算 技 术 模 型 基 础 。 网 络 传 感 器 操 作系 统 的 普 适 计 算 模 型 由 普 适 资 源 抽 象 模 块 、 普 适 资 源 组 织 模块 、 操 作 无 关 性 和 自 适 应 模 块 组 成 。1)普 适 资 源 抽 象 模 块

34、普 适 环 境 9, 10 主 要 包 括 网 络 、 节 点和 服 务 模 块 。 网 络 为 无 线 网 络 ;节 点 即 组 成 无 线 网 络 的 传 感 器节 点 ;服 务 包 括 计 算 、 管 理 、 控 制 通 信 等 。 在 无 线 传 感 器 网 络 操作 系 统 中 ,普 适 资 源 抽 象 层 将 前 面 介 绍 的 资 源 按 照 普 适 计 算 的模 式 特 征 分 类 组 织 为 网 络 抽 象 模 块 、 节 点 抽 象 模 块 、 服 务 抽 象模 块 。 普 适 资 源 抽 象 层 是 普 适 计 算 模 型 的 关 键 层 ,其 运 行 效 率直 接 决

35、定 了 普 适 计 算 的 最 终 失 效 效 果 。2)普 适 资 源 组 织 层 资 源 组 织 是 组 织 当 前 环 境 中 计 算 资源 的 信 息 并 相 应 应 用 模 块 提 出 的 资 源 需 求 ,为 它 们 分 配 并 关 联合 适 的 资 源 。 在 计 算 领 域 ,资 源 分 配 有 集 中 式 、 分 布 式 两 种 方式 。 集 中 式 的 资 源 组 织 效 率 高 但 对 系 统 资 源 要 求 较 高 ;分 布 式的 组 织 方 式 可 以 提 高 操 作 系 统 的 灵 活 性 ,但 是 效 率 较 集 中 组 织方 式 差 。 可 以 综 合 这 两

36、种 方 式 的 特 点 ,采 用 综 合 的 资 源 组 织 方式 ,更 为 高 效 地 管 理 资 源 ,提 高 操 作 系 统 的 效 率 。 关 于 采 用 综合 方 式 组 织 资 源 的 方 法 研 究 是 当 前 算 法 领 域 的 一 个 研 究 热 点 。优 秀 的 综 合 组 织 模 式 将 在 不 久 后 出 现 。 西 北 工 业 大 学 在 无 线传 感 器 网 络 研 究 中 ,也 进 行 了 综 合 组 织 资 源 模 式 的 初 步 研 究 ,取 得 了 初 步 成 果 。3)资 源 适 配 层 对 操 作 系 统 的 组 建 模 型 灵 活 性 、 跨 平 台性

37、 ,以 及 实 现 普 适 计 算 模 型 是 至 关 重 要 的 。 作 为 无 线 传 感 器 网络 操 作 系 统 ,其 普 适 资 源 适 配 层 应 具 有 资 源 无 关 性 、 自 适 应 性 。资 源 无 关 性 是 指 不 同 资 源 的 组 织 和 形 式 与 具 体 的 资 源 没 有 具体 的 关 系 ,无 论 何 种 资 源 ,相 对 于 操 作 系 统 应 用 模 块 来 说 ,所 能得 到 的 底 层 资 源 和 服 务 都 是 相 同 的 ,而 不 管 其 在 操 作 系 统 组 织中 的 处 理 过 程 是 怎 样 的 。 在 无 线 传 感 器 网 络 中

38、,各 种 变 化 是 动态 的 、 不 可 预 期 的 ,在 普 适 计 算 中 的 变 化 也 都 是 动 态 的 、 不 可 预期 的 。 这 就 要 求 无 线 传 感 器 网 络 操 作 系 统 的 普 适 计 算 模 型 的资 源 配 置 有 自 适 应 能 力 ,能 根 据 资 源 和 应 用 对 需 求 的 变 化 作 出相 应 变 化 ,提 供 智 能 服 务 。 当 资 源 比 较 丰 富 时 , (下 转 第 34页 )52第 10期 张 朋 ,等 :无 线 传 感 器 网 络 操 作 系 统 关 键 技 术 研 究 有 被 考 虑 对 象 中 的 权 重 ,即 被 决 策

39、 对 象 的 最 终 排 序 。3 结 束 语本 文 方 法 在 一 定 程 度 上 解 决 了 软 件 体 系 结 构 适 应 性 度 量问 题 ,但 仍 存 在 不 足 ,仍 需 进 行 进 一 步 的 深 入 研 究 。参 考 文 献 : 1 BASIL I V R, CALD IERAL G, ROMBACH H D. The goal questionmetric app roachM / /Encyclopedia of software engineering. S. l. :W iley, 1994. 2 宿 为 民 ,朱 三 元 . 支 持 过 程 度 量 的 软 件 过 程

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45、imensional model of software performance J . Advance s inEnginee ring So ftw a re , 1999, 30 (12) : 9132919. 13 SUBRAMAN IAN N, CHUNG L. Metrics for software adap tability R .R ichardson, TX: App lied Technology D ivision, Anritsu Company,2000. 14 FENTON N E. Software metrics: a rigorous app roach M

46、 . London:Chapman 当 资 源 缺 乏 时 ,提 供 降 级 服务 。 就 像 当 今 应 用 软 件 提 供 的 不 同 安 装 模 式 一 样 (如 现 在 应用 软 件 一 般 提 供 典 型 安 装 、 完 全 安 装 、 自 定 义 安 装 几 种 方 式 )。无 关 性 、 自 适 应 性 、 鲁 棒 性 等 只 是 操 作 系 统 实 现 普 适 计 算模 型 的 两 个 基 本 特 征 。 这 也 是 当 今 无 线 传 感 器 网 络 操 作 系 统研 究 领 域 的 另 一 个 热 点 问 题 。3 结 束 语传 感 器 网 络 是 一 种 新 的 信 息

47、收 集 和 处 理 技 术 ,传 感 器 网 络操 作 系 统 是 其 重 要 的 组 成 技 术 。 国 内 无 线 传 感 器 网 络 操 作 系统 研 究 与 国 外 相 比 ,还 有 很 大 的 差 距 。 在 国 外 ,已 经 有 商 用 的无 线 传 感 器 网 络 操 作 系 统 问 世 ,如 TinyOS等 ,而 国 内 的 研 究 还不 够 。 以 前 国 内 的 无 线 传 感 器 网 络 操 作 系 统 大 多 采 用 传 统 的嵌 入 式 操 作 系 统 ,如 COS 、 VxWorks等 。 随 着 近 年 来 无 线 传感 器 网 络 研 究 的 深 入 ,对 无

48、线 传 感 器 网 络 操 作 系 统 的 研 究 也 在深 入 。 本 文 介 绍 了 无 线 传 感 器 网 络 操 作 系 统 的 开 发 关 键 技 术 。分 析 了 无 线 网 络 操 作 系 统 的 需 求 特 点 以 及 开 发 无 线 传 感 器 网络 操 作 系 统 的 几 大 关 键 支 持 技 术 。 这 些 技 术 在 西 北 工 业 大 学开 发 的 无 线 传 感 器 网 络 中 进 行 了 初 步 运 用 ,并 取 得 了 优 异 效果 。 在 “ 十 一 五 ” 期 间 ,西 北 工 业 大 学 将 进 行 更 深 层 次 技 术 的研 究 。 相 信 在 不

49、久 的 将 来 ,将 会 推 出 自 己 的 无 线 传 感 器 网 络 操作 系 统 。参 考 文 献 : 1 储 昭 勋 ,胡 艳 军 . 无 线 传 感 器 网 络 技 术 J . 计 算 机 技 术 与 发 展 ,2006, 16 (4) : 64266. 2 林 恺 ,赵 海 ,尹 震 宇 ,等 . 传 感 器 网 络 数 据 融 合 层 的 研 究 与 设 计 J . 信 息 技 术 , 2006, 30 (3) : 7210. 3 国 成 林 ,焦 毅 ,吴 百 峰 . 支 持 时 钟 同 步 技 术 的 无 线 传 感 器 网 络 操 作系 统 研 究 及 内 核 实 现 J . 信 息 与 控 制 , 2006, 35 (2) : 1792183. 4 H ILL J. System architecture for wireless sensor networks D . Berke2ley: University of California