面向无线传感器网络应用的嵌入式操作系统综述

1、第24卷第6期 2007年6月计算机应用与软件Computer Applications and Software面向无线传感器网络应用的嵌入式操作系统综述王 漫1何 宁1裴 俊1冯改玲1刘海涛21(上海市计算技术研究所上海2000402(中科院上海微系统与信息技术研究所上海200050摘要 相比一般的嵌入式系统,无线传感器网络节点对操作系统的体积大小、能量利用率、节点相互间通信以及可重配置、 可靠性和适应性等方面提出了更高的要求。由于这些特点,针对无线传感器网络节点也出现了各种各样的操作系统。阐述了无线 传感器网络的特点及其对操作系统的要求,并介绍了当前无线传感器网络领域所应用的几种操作系统

2、,提出了零操作系统的概念, 也对传感器网络操作系统的版权进行了一些讨论,最后对传感器网络操作系统当前现状及发展作了总结。关键词 无线传感器网络嵌入式操作系统综述A REVmW oF EM旧EDDEDoPERA哪G SYS田EMS FoR砸阳LESS SENSoR NETWoRKSWang Manl He Nin91Pei Junl Feng Gailin91“u Haita027(跏口啦毹胁缸眦e o,c0唧眦打曙矗加肠肜,肌口,动以2DD舛D,吼i眦2(Sk,唱彘口i协胁吮0厂M优峙筘把m口蒯蜘嗍踟n厅,lozDg,zk醌i棚e A幽砂旷&如n鲫,啦口i 20DD,佩iMAbs缸ac

3、t Compared with tlle general embedded system,the opemting system f缸wireless sensor networks(WSNis more restrict in the as pectsof code 8ize,energy emciency,network protocol,reco耐iguration,reliability and ad印tion,et a1.The characteristics of WSN and me de-m明d of the叩eratingsystems are described.SeVer

4、a王operating systems f西WSN are intmduced,aIld the concept of zero operating system is put fonrard.The license of叩en source operating system is discussed,and a conclusion to the present status and devel叩ment of opemtil唱systems forWSN is made.Keywords Wireless se璐or mtworks EIIl:bedded operating system

5、s Review0引 言无线传感器网络¨“o是当前国际上备受关注的由多学科高 度交叉的新兴前沿研究热点领域,是信息感知和采集的一场革 命,被认为是21世纪最重要的技术之一。所谓无线传感器网 络¨t21是指由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算 能力的微小传感器节点,通过自组织方式构成的能根据环境自 主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感器网络的节点 距离很短,一般采用多跳的无线通信方式进行通信。传感器网 络可以在独立的环境下运行,也可以通过网关连接到Intemet, 从而真正实现“无处不在的计算”的理念,图1是无线传感器网 络模型。无线传感器网络具有十分广阔的应用

6、前景,可以应用 在国防军事、工农业、环境监测、交通管理、医疗救护和救灾 抢险等领域。图1无线传感器网络模型无线传感器网络的基本组成单位¨o是节点,节点主要由传 感器模块(感测环境、处理器模块(对感测数据进行本地处 理、无线通信模块(负责与邻近节点交换消息和能量供应 模块组成。在设计无线传感器网络时,传统的通信网络技术中 已成熟的解决方案可以借鉴过来,但是无线传感器网络也有其 自身的一系列特点,主要体现在网络节点密集度高,数量巨大, 各节点之间要相互协调,每个节点的计算能力、存储能力和通 信带宽都有限,应用类型多种多样,工作环境恶劣等。另外无线 传感器网络节点普遍采用电池供电,降低能耗

7、、延长网络寿命始 终是一大挑战。无线传感器网络节点软件主要完成节点资源的管理以及节 点之间的相互通信。无线传感器网络节点属于嵌入式系统的一 种,在嵌入式系统的软件设计中,很多情况下不采用操作系统, 工程师直接对硬件进行编程操作,不需要任何通信技术或安全 架构的支持。开发人员将负责系统的各个方面,设备的每个方 面都需要开发人员进行编码。在这种情况下,应用开发人员必 须非常熟悉底层硬件,或许还曾经参与硬件的设计。不采用操作系统进行开发,效率低下,对研发人员的素质要 求非常之高,大大增加了产品的面市时间,且产品性能得不到有收稿日期:20070214。本文受“E一上海”科技攻关项目资助(编 号:05D

8、zi5004。王漫,高级工程师,主研领域:无线传感器网络,普适 计算,协同计算。第6期 王漫等:面向无线传感器网络应用的嵌入式操作系统综述 45力保证。对于一般应用开发人员来说,应该将主要时间和精力 集中在创造产品的附加价值方面,而不是底层的应用架构和细 节。操作系统可以对底层硬件进行抽象化,与硬件的相关问题 都由驱动程序负责处理,这样应用开发人员多半就不需要知道 具体的实际硬件细节。因此在操作系统的基础上进行开发可以 大大缩小开发的难度,减少开发时间,降低成本。对于无线传感器网络操作系统来说,除了应该具有一般嵌 入式操作系统的特点,实现物理硬件的抽象外,还应该负责管理 节点各种资源(电源、传

9、感器以及射频等,实现模块的动态调 度、消息管理等功能,甚至还应该实现通信协议等功能。采用 无线传感器网络操作系统可以大大降低开发人员的难度,但是 如果将现有的嵌入式操作系统直接应用于无线传感器网络,则 有两大致命问题,一是现有的嵌入式操作系统没有考虑能量供 应问题,二是现有的嵌入式操作系统占用存储空间大,因此有必 要采用无线传感器网络专用的操作系统。1无线传感器网络的特点及其对操作系统的 要求无线传感器网络除了具有传统无线网络的共同特征以外, 还具有很多其它特点,这些特点都影响着操作系统的设计。 (1传感器节点电源能量、通信能力、计算存储能力有限 传感器采用电池供电,能量有限,因此节能设计非常

10、关键。无线 传感器网络以“多跳”方式传输数据,通信范围只有几十米。传 感节点由于体积、成本以及能量的限制,处理器和存储器的能力 和容量有限,因此计算能力十分有限。目前一个典型的传感器 节点采用2节AA电池供电,8位或16位处理器,RAM空间一 般小于10K。而n鹪h一般在100K左右。这就要求操作系统不 仅要体积小,能运行在有限的资源下,还要求操作系统在节能的 要求下对数据处理、数据通信进行管理。(2网络具有大规模、自组织、动态性、可靠性等特点传 感器节点的数量可能达到几百万个。网络经常有新节点加入或 已有节点失效,网络拓扑结构变化快。这就要求传感器节点操 作系统具有可重新配置和自适应性、高健

11、壮性和容错性等性能, 当网络拓扑结构发生变化时,操作系统必须能对这种变化作出 反应,同时网络在需要的时候也能够主动对自己进行更新。 (3应用相关性强不同的传感器网络应用关心不同的物 理量,对系统的要求也不同,其硬件平台、软件系统和网络协议 有很大差别。这要求操作系统具有良好的移植性能,能满足各 种各样的硬件平台,同时能够提供各种不同的功能,满足实际 需要。2现有的无线传感器网络操作系统随着无线传感器网络的发展,目前已经出现了好几种应用 于无线传感器网络的操作系统,选择几种主要的介绍如下。 2.1Tinyos表l nnyoS支持的部分硬件平台特性硬件平台 MCU RAM FLASH RF芯片Te

12、los(Rev A MSP430F1492K 60K CC2420Telos(Rev B MSP430F1611lOK 48K CC2420Mica2Dot ATMECAl28L 4K 128K CCl000Mica2ATMEGAl28L 4K 128K CClooOMica ATMEGAl034K 128K TRlooOMicaZ ATMEGAl28L 4K 128K CC2420Eyes MSP430F1492K 60KTRl00l1moce Skv MSP430161110K 48K CCM20Tinyos51是由加州大学伯克利分校开发的开源微型操作系 统,专为无线传感器网络设计,目前在

13、无线传感器网络操作系统 领域占据了主导地位。Tinyos基于组件的架构使其能够快速 实现各种应用。Tinyos的组件库包括网络协议、分布式服务 、传感器驱动以及数据获取工具等,一个完整的应用系统是由 这些库组合起来的,不用的组件不会引入进来,从而达到减少内 存需求的目的。Tinyos采用了事件驱动模型,这样可以在很小 的空间中处理高并发事件,并且能够达到节能的目的,因为cPu 不需要主动去寻找感兴趣的事件。目前Tiny0S已经可以运行在很多硬件平台上,在Tiny0S 网站上公开原理图的硬件平台有Telos(Rev A,Telos(Rev B, Mica2Dot。Mica2,Mica,此外,还有

14、一些商业和非商业组织也有 一些硬件平台可运行Tinyos,主要有欧洲的Eyes“,MoteIV提 供的Tmote sky8J,Cmssbow公司一1的Micaz以及Imel公司的 iMote10。TinvOs目前也在实际项目中得到了广泛的应用,在其官方 网站上列出了数十个采用了TinyOs的项目,并且正在不断更 新中。2.2MANTIs oSMOSMaJltis OS1¨是由美国科罗拉多大学MAN,11S项目组为无 线传感器网络而开发的源代码公开的多线程操作系统。它的内 核和API采用标准c语言,提供Linu】【和windows开发环境,易 于用户使用。M粕tis 0s提供抢占式任务

15、调度器,采用节点循环 休眠策略来提高能量利用率,目前支持的硬件平台有Mic82,Mi caZ以及Telos等,其对RAM的最小需求可到500B,对nash的 需求可小于14KB。MANTIS最近又有新的发展,在2006年5月30日和31日 召开的的嵌入式网络传感器(EmNets 2006会议上,MANrns项 目组提出了一种增强Tinyos性能的系统构架TinyMOs¨“,在这 个架构上,TinyOs作为一个线程运行在MA肌s 0s上。通过 MANl'Is 0S,7nnyM0s在Tinyos中增加了优先级和多线程功 能,并且从TinyOs的主线程中引入了从线程概念,应用于主线

16、 程的大量计算任务。MANTIs项目组计划于2006年夏天左右 发布TinyMOs架构。MANTIs 0s也有一些成功的实际应用,在2006年6月19日到22日召开的国际移动系统(MobiSys 2006会议上,一个应 用了MANTIs 0S的称之为火灾探测网络(FireWxNet¨刊的项 目获得了大会的最佳论文奖。这个网络是在2005年8月和9月,酝ANTIs项目组与蒙大拿大学合作,在爱达荷州的比特鲁特 国家森林公园部署的。它由3个采用MANrlls os无线传感器 网络组成,并且由一个802.11主干网支撑起来,被部署在森林 火灾高发地带用以检测天气状况。在一系列严酷的测试条件

17、下,MANlrIs Os的各个部分,包括内核、网络、任务循环以及 应用支持能力等各方面都运行得很好。计算机应用与软件 2007年2.3SoSs0S【14o是由加州大学洛杉矶分校网络和嵌入式实验室 (NEsL为无线传感器网络节点开发的操作系统。sOs使用了 一个通用内核,可以实现消息传递、动态内存管理、模块装载 和卸载以及其他的一些服务功能。sos的动态装载软件模块功 能使得它可以创建一个支持动态添加、修改和删除网络服务功 能的系统。sos的开发者主要有三大目标。一是要实现动态可重配 置,在无线传感器领域,重配置功能可以使得网络在部署和初始 化后,还能在各个节点上对软件进行修改,这就使得网络在被

18、部 署以后,还可以对网络进行更新,在节点上添加新的软件模块以 及去除不再需要的软件模块。随着网络越来越庞大,越来越难 以更新,可动态配置显得非常重要。二是创建一个能为开发人 员提供各种通用服务的快速开发系统。许多无线传感器应用往 往需要一些非常通用的服务,比如从内存数据包管理到应用服 务协议(如邻机发现协议等。最后一个目标是吸收传统操作 系统设计思想并且将他们应用到资源非常有限的传感器节点中 来,便于对系统进行维护。sOs采用标准c写成,可以使用标准c调试工具如GDB 等。其内核支持各种通用服务,如动态内存分配,简单内存碎片 回收以及优先级调度等等。S0s采用真正的模块化系统开发, 应用模块在

19、网络被部署后仍然保持模块化特性。目前sos支 持的硬件平台主要有crossbos公司的Mica系列平台和耶鲁大 学xYz节点。2.4Contil【icontiI(i¨5”1是瑞典计算机科学研究所Ad砌Dunkels等人 专为内存资源非常有限的嵌入式系统如网络传感器节点等开发 的一个多任务操作系统。contil【i完全用c语言写成,源代码开 放,支持网络互联,具有高度的移植性,代码量非常小,支持从8位微控制器构成的嵌入式系统到老式的8位家用电脑。自从 2003年5月推出以来,comiki已经被移植到了20种不同类型 的硬件平台。contiki提供一个简单的事件驱动内核,支持原型进程以及

20、 可选的抢占式多任务,通过传递消息来实现任务间通信,具有动 态进程结构,支持加载和卸载程序。使用恤IP协议栈实现本地 TcP/IP协议,可以在直接相连的终端和通过网络相连的终端 (如虚拟网络计算机和Telnet上实现图形化界面系统。当前contil【i的一个基本系统(支持多任务,网络和图形界 面编译后代码大小为32K,而一个较为完整地支持web服务 器,web浏览器等功能的系统编译后代码大小约为64K。目前 能够运行Contiki的最小系统只有2K RAM,它能够运行基本系 统、web服务器、虚拟网络计算机服务器和一个小的虚拟 桌面。2.5MagnetoSMaglletosm o是由康奈尔大学

21、为自组织和无线传感器网络 开发的分布式操作系统,其目标是为自组织网络应用提供一个 节能,适应性强并且效率高的操作系统。Magnetos为一个由各 种各样节点构成的自组织网络,提供一个单一的Java虚拟机系 统映像。系统能够自动将应用程序分割成各种组件,并且以利 于节能、延长网络寿命的方式将这些组件自动放置和迁移到最 合适的节点上。MagIletos最大的特点是采用了虚拟机的思想,目前可运行在x86笔记本和StrongARMD的PDA上,如iPAQ,Axims和Jor-nadas等。2.6TRoN与T-Engi耻与前面几种专门针对无线传感器应用而重新开发的操作系 统相比,TRON(ne Real

22、time 0perating system Nucleus最明显 的特点是它是一个通用的嵌入式操作系统,却在无线传感器领 域得到了广泛的应用。TRON【l引是由日本东京大学坂村建教授于1984年提出的 计算机操作系统规范,是目前在全世界应用最广泛的嵌入式操 作系统。TRON广泛使用在移动电话、数码相机、传真机、汽车 引擎控制等领域,成为实现普适计算环境的重要的嵌入操作系 统,并且,在使用了计算机的电器、家具、住宅、大楼、城市、博物 馆等设计上,也被广泛地使用。TRON已经安装到全球3040亿台家用电子产品中,占据全球微处理机嵌入式操作系统市场 约60%(windows大约只安装了1.5亿套。成

23、为低价高性能嵌 入式开源实时系统的典范。“TRON项目计划”为了向世界推广,一直采用自由开源、 “弱标准化”的方针,也曾经出现过多种版本的开发环境及操作 系统式样。为了实现更为理想的实时操作系统的嵌入式计算结 构,TRON项目计划开始了一次新的革命启动了TEngine 项目计划。“T.Engine”ll钊(T引擎是为在短时间内高效开发实时嵌 入式系统而设计的,由标准化硬件结构(T-En西ne与标准开源 实时操作系统核心(TKemel组成的嵌入式系统的开放式标准 平台。目前T.En百ne硬件结构有四种规范标准:TEngine(标准 T引擎,uTEn百ne(微型T引擎,nTEngine(微毫T引擎

24、,pT-En西ne(微微T引擎。其中pT.En舀ne面向普适计算环境中最 小的硬件单元如开关、照明器件、传感器、锁以及阀门等器件。 T.En西ne的软件环境主要包括T哪onitor、TKemel、Tkemel的各 种扩展、标准设备驱动以及中间件等外围软件几个部分。在T En西ne基础结构规范中,不对开发环境进行标准化。但为了确 保软件的兼容性,有必要规定源代码及二进制代码的标准规范 形式。因此,关于源代码及对象代码的形式,规定以gcc中的内 容为准。为将TEn西ne这种体系结构向世界推广,2002年成立了T En西ne论坛,已经在全世界拥有479家会员公司(截至2006年8月lO日。2.7上海

25、市计算技术研究所的WMN oS上海市计算技术研究所独立开发了无线微网节点专用操作 系统wMN 0s,可以稳定运行在自行研制的Z205、z305等硬件 模块上,目前已经在多个项目上得到了应用。图2是wMN 0s操作系统模型。由图可知,wMN Os主要 由任务调度模块和中断调用模块组成,任务调度模块主要负责 一般任务的调度,如传感器管理、电源管理以及无线通讯管理, 中断调用主要负责突发事件的处理,节点内存则划分为系统堆 栈、系统变量和用户变量三个区域,任务调度器根据系统变量 来对各个任务进行调度,通过这种比较简单的方法实现了多任 务无线传感器操作系统。wMN 0s所需的节点资源也非常之 小,最小可

26、在lK RAM上运行。目前上海市计算技术研究所已 经(或即将在此操作系统上实现的网络协议有:一级星型网络 (sLSN,二级树型网络(DLTN,一级并行无线微网数据链(SP-wM data.1ink,多级并行无线微网数据链(MPwM data一1ink,多第6期 王漫等:面向无线传感器网络应用的嵌入式操作系统综述 47汇聚节点的自组织基站网(MSOBN。操作系统结构 内存分配图2wMN 0S操作系统模型3当前无线传感器网络操作系统的特点由于无线传感器网络节点资源非常受限制,传统的嵌入式 操作系统很难直接应用,并且由于无线传感器网络发展的历史 非常之短,网络协议还未形成标准,硬件平台和应用方向也多

27、种 多样,这就使得目前无线传感器网络操作系统的发展空前繁荣, 除了上面所介绍的几种之外,佛吉尼亚大学计算机系的一个中 国博士生3也刚刚在网上公布了自己的无线传感器网络操作 系统内核t.kemelL20以2o并计划在2006年8月公布预览版本,浙 江大学计算机学院也提出了自己的无线传感器网络操作系统 ZUOS23。而另一方面,除Tinyos和TRON外,这些操作系统的用户 非常之少,基本上只有开发者自己在研究并使用。但是即使是 Tinyos和TRON,相对于无线传感器网络节点对于操作系统的 苛刻要求来说,也远未达到完善的地步,需要不断加以改进,Ti nyOS的开发者在2006年7月初刚刚发布了T

28、inyOS2.0的beta 版本。此外其他不少人也提出了很多改进意见,2005年11月 在柏林工业大学通信网络研究组(TKN技术报告上,斯坦福大 学Philip IJevis等人针对Tinyos等操作系统在硬件平台支持、应 用服务创建和可靠性等方面的弱点,提出了一种他操作系 统2“,他们称之为第二代传感器网络操作系统。尤他大学计算 机学院的John Regehr等人在2006年6月30日的技术报告上针 对Tinysos不能提供内存保护、不安全的弱点,提出了可以增强 Tinyos内存安全的方法“。. 传统的操作系统(包括嵌入式操作系统由于硬件相对统 一,应用领域也有很多共性,在长期的发展过程中,

29、产生了很多 具有大量用户的著名操作系统(如window,Li砌e,Palmos等。 相对于这些著名的操作系统,无线传感器网络操作系统可以称 之为非著名操作系统,由于这些操作系统发展历史非常短,很多 功能都在不断完善中,有很多是从设备驱动程序和封装好的各 种子程序演变而来,并没有操作系统的名称,因此这里提出一个 零操作系统的概念,特指那些正在不断发展完善,用户非常之 少,一般仅限于开发者本身使用的操作系统,有些单位甚至不称 其为操作系统。零操作系统对无线传感器网络的发展是有利 的,便于各单位在自己的专用硬件上进行各种开发,上面介绍的 上海市计算技术研究所的wMN Os是零操作系统的典型代表。5结

30、束语无线传感器网络操作系统针对无线传感器网络特点而开 发,采用无线传感器网络操作系统,可以大大降低开发难度,缩 短开发时间。由于无线传感器网络自身领域的一系列特点,除 了TRON来自传统的嵌入式操作系统以外,其他的操作系统都 是专为无线传感器网络而开发的。从前面的介绍也可看出,无 线传感器网络操作系统目前正在蓬勃发展之中,尽管种类非常 之多,但大部分还需要进一步完善,本篇论文因此也提出了零操 作系统这概念。此外,在使用开源操作系统进行开发时,还应 该注意软件的许可证问题,否则可能带来一些不必要的麻烦。 总的来讲,尽管现在有非常多的无线传感器网络操作系统可供 选择,但大部分都还不是很成熟,实际应

31、用中各单位大多采用自 己的零操作系统。当前在无线传感器网络操作系统领域除了要 继续对节点硬件资源限制、能量利用率等问题进行研究外,还需 要对可动态配置更新、自适应性、安全性等一系列问题展开深入 研究。参考文献1Akyildiz I F,su w,saIlk锄subramaJli枷Y,cayirci E.A Survey on sensor Networks.IEEE Communications Magazine,2002,40(8:102一 114.2Jason Hi,et a1.system Architecture Directions fbr Networked Sens0硌, In

32、Proeeddings of the NintII IIItemational Conference on Architectud Support for Pm昏r籼ing Langllages aIld 叩emtings Systems(AS PLOS.2000:93104.7Job Mulder,Ste胁Dul啪n,et.a1.,PEEROSSystem software for Wire less Sensor Networks.Preprint,Aug.2003.48计算机应用与软件 2007年1314 15 1617 18 19 20 2122 23 24 25Eric Tmmple

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35、s Sensor Networks.Gu Lin,Stankovic John A.tkemel:A Na【umlizing OS Kemel for Low Power Cost-Effective Computers.Levis P,Gay D,et a1.r12:A Second Generation 0S For Embedded Sen-sor Nelworks.Technical R印ort TKN05007,Telecommunication Networks Gfoup,Technische UniveI弓it苴t Berlin,November 2005.John Regeh

36、r,N砒aII C00叫der,et a1.Memory Safety aIld untnlsted Ex. ten8ions for Tinyos,2006Tecbnical Re叫s,School of computillg,u niversity of Utall.Salt k山e City.(上接第29页按照本文1.3节所述的方法,可以抽取出表1述的相关 规则。表l规则抽取表示规则编号对应指标的规则1IF营运能力>7OR长期偿债能力>6THEN预警2IF长期偿债能力>3.5THl琳预警3IF营运能力(=7AND长期偿债能力<=3THEN正常4IF 4<营运

37、能力<=5AND长期偿债能力>=3THEN预警IF营运能力<=3AND 3<长期偿债能力<3.5AND NoT 5(盈利能力<=5AND短期偿债能力<=11HEN正常IF盈利能力>8AND营运能力(=4AND长期偿债能力>3 6THEN正常为了便于比较,对于同样的数据,本文采用了Rx算法抽 取规则,共抽取8出23条规则。表2所示的是两种方法的比 较。从中可以看出,复杂度最低的是sRE算法,总共才6条规 则,但是已经能够达到90%的覆盖率;Rx算法的覆盖率最高, 其覆盖率是100%,但规则数最多,误判率也最高。表2各种方法效果一览覆盖情况 误

38、判情况方法 规则数样本数 覆盖率 误判数 误判率 RX 2363100%46.3% SRE 65790.5%35.26%从试验结果中可以看出,sRE抽取出的规则最精炼,只要少 数几条规则就可以达到较高的分类效果,而Rx算法抽取出的 规则非常复杂,不仅规则数量多,而且规则的前件也较多,不如 SRE简练。3结语本文提出了一种新的基于结构的神经网络规则抽取方法 sRE,并将其应用于银行贷款风险预警实例中,在与Rx算法进 行比较分析后,可以看出,sRE抽取出的规则不仅规则数量少, 而且形式简单,因此sRE是一种有效的方法,更适合实际中决 策的需要。参考文献1Lu Hon舀un,setiono Rudy

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