无线传感器网络协议及操作系统研究

摘要

无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的智能信息系统，综合了微机电系统、传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送出去，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通。 无线传感器网络具有广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、抢险救灾、危险区域远程控制、环境监测等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是21世纪产生巨大影响力的技术之一。 本文主要是基于TinyOS操作系统对无线传感器网络协议进行研究，并提出了TinyOS调度策略的改进方案。本文首先从单节点和网络体系结构两个方面对无线传感器网络结构进行分析，并基于无线传感器网络参考体系结构，研究物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层功能及其协议，并分析比较了几种专用无线传感器网络操作系统。 TinyOS作为一种典型的无线传感器网络操作系统被广泛使用，但它现有的调度策略采用非剥夺的先来先服务（first-come-first-served， FCFS）调度策略，不能够保证系统的响应性能，当系统发生过载时，紧急任务不能及时可靠的执行，导致如节点通信性能下降等情况的发生。针对无线传感器网络及其节点的特殊性，结合嵌入式实时系统的任务调度理论基础，在TinyOS中采用抢占阀值调度策略，实现无线传感器网络实时性和可靠性的改善和提高。 最后，本文通过TOSSIM仿真对修改前和修改后的TinyOS进行了测试和分析，分析结果说明了本文采用的抢占阀值调度策略的有效性和合理性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 本课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 无线传感器网络概述

1.3.1 无线传感器网络的概念

1.3.2 无线传感器网络的特点

1.3.3 无线传感器网络的应用

2 无线传感器网络体系结构及研究方向

2.1 传感器节点结构

2.1.1 控制器

2.1.2 存储器

2.1.3 通信设备

2.1.4 传感器和执行器

2.1.5 电源

2.1.6 传感器常用节点

2.2 网络体系结构

2.3 研究方向

3 无线传感器网络协议

3.1 物理层

3.1.1 物理层概述

3.1.2 物理层设计考虑

3.1.3 面临的挑战

3.2 数据链路层

3.2.1 数据链路层概述

3.2.2 MAC层协议

3.2.3 差错控制

3.3 网络层

3.4 传输层

3.5 应用层

4 无线传感器操作系统

4.1 无线传感器网络对操作系统的需求

4.2 WSN专用操作系统

4.2.1 TinyOS

4.2.2 MANTISOS(MOS)

4.2.3 SOS

4.2.4 Contiki

4.2.5 MagnetOS

4.2.6 TRON与T-Engine

4.2.7 WMNOS

4.3 当前无线传感器网络操作系统的特点

5 TinyOS分析与改进

5.1 nesC语言

5.1.1 概述

5.1.2 接口和组件

5.1.3 nesC应用程序

5.2 TinyOS剖析

5.2.1 特点和体系结构

5.2.2 通讯机制

5.2.3 并发模型

5.3 抢占阀值调度算法

5.4 调度策略的改进及验证

5.4.1 调度策略

5.4.2 调度策略改进

5.4.3 仿真验证

6 总结与展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果