TinyOS无线传感器网络操作系统分析

0  引言

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点，通过无线通信方式组成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协同感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观测者。无线传感器网络技术研究涉及到多个热点学科的前沿领域，比如传感器技术、现代网络技术、嵌入式计算机技术、无线通信技术等。由于无线传感器网络在工业监测、环境检测、医疗监护、军事侦察等众多的领域都有着广阔的应用前景，因而引起了世界各国工业界，学术界和军事部门的重视，并且迅速成为当今世界研究的热点之一。

1  无线传感器网络的主要特点

传感器网络节点硬件一般都由数据采集、数据处理、数据收发和电源等四个单元组成。数据采集单元通过传感器采集外界数据并将其转化为数字信号；数据处理单元是节点的核心模块，负责协调节点各部分的工作，如对数据采集单元采集的数据进行必要的处理和保存，以及数据收发单元工作模式的设置等；数据收发单元负责数据的无线传输以及与数据处理单元的数据交互。上述四大基本模块与相应的操作系统、协议栈和应用程序共同构成一个基本的无线传感器网络节点，众多的网络节点分布在一起，就可以完成无线传感网络的基本功能。

在软件设计方面，本系统以专用嵌入式实时操作系统为依托，来管理、协调传感器节点各硬件部分的工作。上层应用以及各层的通信协议都以节能为中心，必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标来获得更高的电源效率。图1所示是一个传感器网络节点的基本组成。

传统的无线网络设计基本上都是为了同时满足人们各种各样的需要，如语音、视频、图像等。而无线传感器网络一般是为了某个特定的需要而设计的，它是一种基于应用的无线网络，与移动通信网、无线局域网、Bluetooth相比，无线传感器网络具有以下主要特点：

(1)电源能量有限：无线网络中，每个节点的电源都是有限的，网络大多工作在无人区或者对人体有伤害的恶劣环境中，一般更换电源几乎都是很困难的事。

(2)计算能力有限：传感器网络节点都采用具有嵌入式特性的处理器，但嵌入式处理器的处理能力，使传感器节点的计算能力比较有限。

(3)无线传感器网络节点数量大，分布范围广，网络中的传感器节点十分密集，数量巨大，有时可能达到几百，几千，甚至更多。

(4)动态性拓扑：传感器网络的拓扑结构可能因为环境或节点电能耗尽等因素而改变，这就要求传感器网络系统能够适应这种变化。
2 TinyOS操作系统

由于无线传感器网络节点的资源十分有限，传统的嵌入式操作系统难以正常有效地运行和工作，特别对能量和内存的需求矛盾比较突出。因此，需要一种全新的嵌入式操作系统来满足无线传感器节点的基本需求。TinyOS操作系统就是美国加州大学伯克利分校的研究人员针对无线传感器网络设计的开源嵌入式操作系统。TinyOS操作系统主要使用了轻量级线程、主动消息通信、事件驱动模式、组件化编程等技术。

TinyOS操作系统最初使用汇编和C语言。但经研究人员进一步的研究及使用后发现，C语言并不能有效和方便地支持无线传感器网络应用程序的开发。因而在经过仔细研究和设计，并在对C语言进行了一定扩展的基础上，提出了支持组件化编程的nesC语言，该语言可以把组件化、模块化思想和基于事件驱动的执行模型结合起来。由于TinyOS操作系统和基于TinyOS操作系统的应用程序全部使用nesC语言编写，因此，在介绍TinyOS操作系统之前，首先介绍一下nesC语言。

3 nesC语言

TinyOS和在其上运行的应用程序可以看成是一个大的“执行程序”，它由许多功能独立且相互有联系的软件组件构成，图2所示是nesC语言的一般程序框架。该系统中的一个组件一般会提供一些接口(假定组件名为ComA)，接口可以被认为是这个软件组件实现的一组函数的声明，是单独定义的一组命令和事件，其他组件通过引用相同接口声明来使用这个组件(ComA)的函数，从而实现组件间功能的相互调用，即组件的接口是实现组件间互连的通道。但若组件中实现的函数并未被它在接口中说明，就不能被其他组件所使用。nesC语言的定义中存在两种不同功能的组件：其中组件接口中的函数功能专门在模块的组件文件中实现，而不同组件之间的关系则是专门通过称为配件的组件文件来描述的。