面向无线传感器网络应用的嵌入式操作系统综述

第24卷第6期　　　2007年6月　　计算机应用与软件

ComputerApplicationsandSoftwareVol124No.6

Jun.2007

面向无线传感器网络应用的嵌入式操作系统综述

王　漫　何　宁　裴　俊　冯改玲　刘海涛

1

2

11112

(上海市计算技术研究所　上海200040)

(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,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

AREVIEWOFEMBEDDEDOPERATRORNETWORKS

　N　Jun　FengGailing　LiuHaitao

1

2

1112

(InstituteofComputingTechnology,Shanghai200040,China)

(ShanghaiInstituteofMicrosystemandInformationTechnology,TheChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,China)

Abstract　　Comparedwiththegeneralembeddedsystem,theoperatingsystemforwirelesssensornetworks(WSN)ismorerestrictintheas2pectsofcodesize,energyefficiency,networkprotocol,reconfiguration,reliabilityandadaption,etal.ThecharacteristicsofWSNandthede2mandoftheoperatingsystemsaredescribed.SeveraloperatingsystemsforWSNareintroduced,andtheconceptofzerooperatingsystemisputforward.Thelicenseofopensourceoperatingsystemisdiscussed,andaconclusiontothepresentstatusanddevelopmentofoperatingsystemsforWSNismade.

Keywords　　Wirelesssensornetworks　Embeddedoperatingsystems　Review

0　引　言

无线传感器网络[1～4]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Internet,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

。

[1,2]

无线传感器网络的基本组成单位[1]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、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:2007-02-14。本文受“E2上海”科技攻关项目资助(编号:05DZ15004)。王漫,高级工程师,主研领域:无线传感器网络,普适

图1　无线传感器网络模型

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

Mica2DotMica2MicaMicaZEyesTmoteSky

ATMEGA128LATMEGA128LATMEGA103ATMEGA128LMSP430F149MSP4301611

4K4K4K4K2K10K

128K128K128K128K60K48K

CC1000CC1000TR1000CC2420TR1001CC2420

　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。

TinyOS[5]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,这样可以在很小,因为CPU,在TinyOSTelos(RevA),Telos(RevB),

Mica2Dot,Mica2,Mica,此外,还有一些商业和非商业组织也有

1　要求

,还具有很多其它特点,。

(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flash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。

[1]

一些硬件平台可运行TinyOS,主要有欧洲的Eyes[6,7],MoteIV提供的TmoteSky[8],Crossbow公司[9]的MicaZ以及Intel公司的

iMote

[10]

。

TinyOS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。

2.2　MANTISOS(MOS)

MantisOS

[11]

是由美国科罗拉多大学MANTIS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Linux和Windows开发环境,易于用户使用。MantisOS提供抢占式任务调度器,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Mica2,Mi2

caZ以及Telos等,其对RAM的最小需求可到500B,对flash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(EmNets2006)会议上,MANTIS项

[12]

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MANTISOS上。通过

MANTISOS,TinyMOS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。

MANTISOS也有一些成功的实际应用,在2006年6月19

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。

日到22日召开的国际移动系统(MobiSys2006)会议上,一个应用了MANTISOS的称之为火灾探测网络(FireWxNet)[13]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,MANTIS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MANTISOS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下,MANTISOS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。

2.1　TinyOS

表1　TinyOS支持的部分硬件平台特性

硬件平台

Telos(RevA)Telos(RevB)

MCUMSP430F149MSP430F1611

RAM2K10K

FLASH60K48K

RF芯片CC2420CC2420

46　　　2.3　SOS

计算机应用与软件2007年

SOS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

[14]

在x86笔记本和StrongARMD的PDA上,如iPAQ,Axims和Jor2nadas等。

2.6　TRON与T2Engine

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(TheReal2timeOperatingsystemNucleus)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

[18]

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来,便于对系统进行维护。

SOS采用标准C,等。,回收以及优先级调度等等SOS采用真正的模块化系统开发,应用模块在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。

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30～40亿台家用电子产品中,约(W亿套)。成为低价高性能嵌,一直采用自由开源、,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T2Engine项目计划。

[19]

(T引擎)是为在短时间内高效开发实时嵌“T2Engine”入式系统而设计的,由标准化硬件结构(T2Engine)与标准开源

实时操作系统核心(T2Kernel)组成的嵌入式系统的开放式标准平台。目前T2Engine硬件结构有四种规范标准:T2Engine(标准T引擎),uT2Engine(微型T引擎),nT2Engine(微毫T引擎),pT2Engine(微微T引擎)。其中pT2Engine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。

T2Engine的软件环境主要包括T2monitor、T2Kernel、T2kernel的各

2.4　Contiki

是瑞典计算机科学研究所AdamDunkels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。Contiki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,Contiki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μIP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Contiki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2KRAM,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。

Contiki

[15,16]

种扩展、标准设备驱动以及中间件等外围软件几个部分。在T2

Engine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T2Engine这种体系结构向世界推广,2002年成立了T2Engine论坛,已经在全世界拥有479家会员公司(截至2006年8月10日)。

2.7　上海市计算技术研究所的WMNOS

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WMNOS,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WMNOS操作系统模型。由图可知,WMNOS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。WMNOS所需的节点资源也非常之小,最小可在1KRAM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(SP2

WMdata2link),多级并行无线微网数据链(MPWMdata2link),多

2.5　MagnetOS

是由康奈尔大学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。

MagnetOS最大的特点是采用了虚拟机的思想,目前可运行

MagnetOS

[17]

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)

。

是开源的,其代码可以免费下载。但在采用一款开源操作系统

之前不对其许可证做一番调查,很可能带来严重的后果。目前开源软件的许可证协议有GPL(通用许可证)协议[26]、BSD协议

[27]

﹑T许可证(T2License)协议以及eCos2style协议等。GPL协议要求软件的任何修改都必须重新向社区发布其源代码,遵循GPL协议的典型操作系统有GPL。BSD协议比较宽松,用户修改源代码后可以公开也可以不公开其修改代码,只需承认原作者的贡献,TinyOS,SOS,Contiki都是遵循BSD协议的。在eCos2style协议下,开发者可以保留他们自己编写的与操作系统无关的代码(如应用程序,驱动程序等),但必须将他们对操作系统的修改提供给原作者,MANTISOS是遵循这一协议的。Tron则是采用T许可证协议的。在T许可证协议下,T2Kernel版权属于坂村建,T2Engine论坛拥有T2Kernel原始源代码的修改和发布权利,开发商注册成为T2Engine论坛会员就可获得T2Kernel原始源代码,2Kernel源代码而不必要公,T2kernel。与GPL协,,。另外还有一些开源的操作系统并没有明确提及版权问题,可能是开发初期用户比较少的缘故。

图2　WMNOS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,非常之短,,多样,,,国博士生[20]系统内核t2kernel[20～22]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

[23]

ZUOS。

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,Ti2nyOS的开发者在2006年7月初刚刚发布了TinyOS2.0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PhilipLevis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T2操作系统[24],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JohnRegehr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

[25]

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,产生了很多具有大量用户的著名操作系统(如Window,Linux,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WMNOS是零操作系统的典型代表。

5　结束语

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一概念。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。

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4　无线传感器网络操作系统版权许可证的讨论

除WMNOS外,上面所介绍的几款传感器网络操作系统都

48　　　

[8]http://www.77cn.com.cn.[9]http://www.77cn.com.cn.

[10]http://www.77cn.com.cn/research/exploratory/motes.htm.[11]http://mantis.cs.colorado.edu.

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[20]http://www.cs.virgina.edu//t2[21]GuLin,StankovicfWire2

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[22]GuLin,StankovicJohnA.t2kernel:ANaturalizingOSKernelforLow2

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[23]王万里,郑扣根,等.无线网络传感器及其微型操作系统的研究.计

为了便于比较,对于同样的数据,本文采用了RX算法[1]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

方法

RXSRE

规则数

236

覆盖情况样本数

6357

误判情况误判数

43

覆盖率

100%90.5%

误判率

6.3%5.26%

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,,不如

SRE。

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。

算机应用研究,2005,22(9).

[24]LevisP,GayD,etal.T2:ASecondGenerationOSForEmbeddedSen2

sorNetworks.TechnicalReportTKN-05-007,TelecommunicationNetworksGroup,TechnischeUniversit tBerlin,November2005.[25]JohnRegehr,NathanCooprider,etal.MemorySafetyandUntrustedEx2

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[27]http://tronweb.super2nova.co.jp/aboutt2license.html.

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结构变为:153131,网络误差为0.081609125539882,在可接受范围之内。

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1　规则抽取表示

编号

12345

规则对应指标的规则

IF营运能力>7OR长期偿债能力>6THEN预警IF长期偿债能力>3.5THEN预警

IF营运能力<=7AND长期偿债能力<=3THEN正常IF4<营运能力<=5AND长期偿债能力>=3THEN预警IF营运能力<=3AND3<长期偿债能力<3.5ANDNOT

(盈利能力<=5AND短期偿债能力<=1)THEN正常IF盈利能力>8AND营运能力<=4AND长期偿债能力>3THEN正常

6

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/41pi.html