支持無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)若干關(guān)鍵軟件技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著普適計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，集傳感(sensing)、執(zhí)行(actuating)、計(jì)算(computing)和通信(communicating)能力于一身的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。相對(duì)于傳統(tǒng)的計(jì)算設(shè)備，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器具有小尺寸和低功耗、多樣化的設(shè)計(jì)和使用、有限的控制層次、健壯的運(yùn)行要求和并發(fā)密集型操作等基本特性，這使得其上的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)頗具挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)和編程模式并不能直接應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)傳感器，這就需要我們研究和開發(fā)新

2、型的超微型嵌入式操作系統(tǒng)和編程模式來管理和操作這類設(shè)備。 本文以無線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)在智能家居領(lǐng)域中的應(yīng)用為背景，針對(duì)傳感器操作系統(tǒng)的若干關(guān)鍵軟件技術(shù)，包括支持無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的超微型嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核技術(shù)、無線通信協(xié)議技術(shù)和系統(tǒng)編程語言技術(shù)，研究和設(shè)計(jì)了支持無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的超微型嵌入式操作系統(tǒng)γOS。本文所做的工作和相關(guān)的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面： ●創(chuàng)新點(diǎn)1：提出和設(shè)計(jì)了支持無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)框架。在研究和

3、分析當(dāng)前傳感器操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器設(shè)計(jì)過程中的主要挑戰(zhàn)，提出了新的傳感器操作系統(tǒng)γOS的系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)：γOS在系統(tǒng)編程語言AntC的支持下，通過可配置的組件化功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的微型化和集成化；γOS通過組件來劃分系統(tǒng)的功能，通過捆綁配置組件來組成應(yīng)用程序，并利用自定義的組件模型，借鑒當(dāng)今流行的類設(shè)計(jì)思想，提供了通用的接口模型設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了組件代碼的高度可重用性；γOS通過基于事件和任務(wù)的微線程架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)

4、了簡(jiǎn)單有效的運(yùn)行方式，包括傳感器和環(huán)境的交互驅(qū)動(dòng)，以及對(duì)并發(fā)操作的支持。 ●創(chuàng)新點(diǎn)2：提出和設(shè)計(jì)了支持實(shí)時(shí)任務(wù)容錯(cuò)調(diào)度的γOS操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度機(jī)制。研究和分析了無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的任務(wù)模型，包括硬件模型、過程模型和任務(wù)集；提出了γOS核心調(diào)度組件中的支持優(yōu)先級(jí)劃分的分組任務(wù)調(diào)度機(jī)制，有效地區(qū)分調(diào)度實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)；在該任務(wù)調(diào)度機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)新加入任務(wù)的可調(diào)度性分析算法，該算法通過基于CPU利用率的分析方法和RM調(diào)度算法實(shí)

5、現(xiàn)；針對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器操作系統(tǒng)的運(yùn)行健壯性要求，提出了γOS核心調(diào)度組件的容錯(cuò)調(diào)度機(jī)制，包括錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤修復(fù)和可調(diào)度性分析機(jī)制。γOS核心調(diào)度組件的錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤恢復(fù)功能基于主副版本容錯(cuò)機(jī)制實(shí)現(xiàn)，可調(diào)度性分析則基于RM調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)。 ●創(chuàng)新點(diǎn)3：提出和設(shè)計(jì)了支持傳感通信的γOSMAC層無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ST-MAC。通過分析無線網(wǎng)絡(luò)傳感器在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用特性，提出了γOS1MAC層的可靠無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議ST-MAC，包括數(shù)據(jù)包格

6、式定義、媒體訪問控制策略、網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)策略、節(jié)能偵聽策略和時(shí)鐘同步策略等。ST-MAC協(xié)議數(shù)據(jù)包格式定義基于主動(dòng)消息機(jī)制；媒體訪問控制策略、網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)策略和時(shí)鐘同步策略基于主從模式和TDMA機(jī)制實(shí)現(xiàn)；節(jié)能偵聽策略則利用TDMA機(jī)制的時(shí)間片劃分以減少節(jié)點(diǎn)偵聽時(shí)間，節(jié)約能量。實(shí)驗(yàn)表明，ST-MAC在應(yīng)用中取得了良好的效果，包括自適應(yīng)的能耗控制，取得了較低的能量消耗；有效的媒體訪問控制，取得了相對(duì)較高的數(shù)據(jù)包傳輸成功率；公平的帶寬分配，解決了傳

7、感器網(wǎng)絡(luò)的公平性問題；可接受的自適應(yīng)能力，以支持傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化。 ●創(chuàng)新點(diǎn)4：提出和設(shè)計(jì)了支持γOS操作系統(tǒng)的系統(tǒng)編程語言AntC。為了實(shí)現(xiàn)γOS的設(shè)計(jì)理念，提出和設(shè)計(jì)了支持超微型嵌入式操作系統(tǒng)γOS的系統(tǒng)編程語言AntC。AntC直接支持γOS的組件模型、微線程系統(tǒng)架構(gòu)、任務(wù)調(diào)度機(jī)制以及網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制。AntC的貢獻(xiàn)是：通過實(shí)現(xiàn)一個(gè)包含事件驅(qū)動(dòng)執(zhí)行、彈性并發(fā)模型和面向組件程序設(shè)計(jì)等特征的編程模式，來滿足這個(gè)領(lǐng)域的程序設(shè)計(jì)的