基于WSN的嵌入式操作系统HAA研究.pdf

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1、2 0 1 0 年第8 期中图分类号：T P 3 9 3文献标识码：A文章编号：1 0 0 9-2 5 5 2(2 0 1 0)0 8 0 0 1 3 0 3基于W S N 的嵌入式操作系统H A A 研究马润，刘斌(安徽科技学院理学院，凤阳2 3 3 1 0 0)摘要：研究了T i n y O S 操作系统的特点和体系结构，在此基础上对面向无线传感器网络的嵌入式操作系统的硬件抽象体系结构进行了深入分析和研究，并针对其实现机制中存在的问题，提出了改进策略，并给出了T i n y O S 下的实现机制，最后研究了面向W S N 的嵌入式操作系统的组件注册模型。关键词：无线传感器网络；操作系统；硬

2、件抽象；体系结构；T i n y O SR e s e a r c ho naW S N b a s e dH A Ao fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mM AR u n L I UB i n(C o H e g eo fS c i e n c e s，A n h u iS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yU n i v e r s i t y，F e n g y a n g2 3 3 1 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：T h i sp a p e ra n a l y

3、z e saW S N b m e dh a r d w a r ea b s t r a c t i o na r c h i t e c t u r eo fe m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m，r e s e a r c h e so ni t si m p l e m e n t a t i o nm e c h a n i s mo fT i n y 0 S，a n da l s op o i n t so u ts o m es h o r t a g e so ft h ei m p l e m e n t a t i o nm

4、e c h a n i s mo fT i n y O S T h e ns o m ei m p r o v i n gm e t h o d sa r ep r e s e n t e d，a c c o m p a n i e dw i t ht h er e a l i z a t i o no fT i n y O S K e yw o r d s：w i r e l e s ss e n s o rn e h m r k 8；o p e r a t i n gs y s t e m；h a r d w a r ea b s t r a c t i o n s；a r c h i t

5、 e c t u r e；T i n y O S0引言无线传感器网络(w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s，W S N)是集成了监测、控制以及无线通信等功能的网络系统，其传感器节点是一个深度嵌入式系统，且通过可携带电池供电。由于其硬件资源有限，处理、存储和通信能力相对较弱，在开发应用时，如果没有操作系统的支持，则需要直接针对硬件进行编程。这在工程实践中将产生许多问题：加大面向应用的开发难度，降低开发效率；程序员无法继承现有的软件成果，延长开发周期。现有的嵌入式操作系统，如V x W o r k s、L i n u x 和W i n C E 等，引入

6、硬件抽象增加轻便性，即：通过隐藏硬件的复杂性来简化应用程序开发，避免应用程序直接和硬件关联。但是，它们主要面向嵌入式领域相对复杂的应用，对于各种资源有限的W S N 节点而言，这些操作系统无法运行。解决这个问题，需要从传感器节点的底层硬件开始提出解决方案，既需要有良好的硬件抽象的驱动构架，又需要有灵活的底层驱动模块加载机制等。以T i n y O S 操作系统为例，对面向无线传感器网络的嵌入式操作系统的硬件抽象体系结构(H a r d w a r eA b s t r a c t i o nA r c h i t e c t u r e，H A A)进行了分析和研究，针对其实现机制，提出了改进

7、方案，并给出了T i n y O S 下的实现机制。1T i n y O S 体系结构T i n y O S 是一种面向W S N 的新型操作系统。T i n y O S 采用了轻量级线程技术、主动消息通信技术、组件化编程技术，它是一个基于事件驱动的深度嵌入式操作系统口J。T i n y O S 的设计目标是提高W S N的性能，发挥硬件的特点，降低其功耗，提高并发处理能力，简化应用的开发。T i n y O S 的体系结构如图l 所示。组件由下到上可分为硬件抽象组件、综合硬件组件和高层软件组件，上层组件对下层组件发出命令，下层组件向上层组件发出信号告知事件的发生，最低层的组件直收稿日期：2

8、0 1 0 0 3 1 7基金项目：安徼科技学院引进人才项目(Z R C 2 0 0 8 2 1 4)作者简介：马润(1 9 7 9 一)，男，讲师硕士，主要研究方向为网络环境下的控制系统。一1 3 一万方数据接和硬件交互。在调度机制方面，T i r O S 采用两级调度策略：第一级维护着命令和事件，主要是在硬件中断发生时对组件的状态进行处理；第二级维护着任务，负责各种计算，只有当组件状态维护工作完成后，任务才能被调度E 4 。图1T i n y o S 体系结构2面向W S N 的硬件抽象体系结构及其实现2 1 霞向骼N 的硬件抽象体系结构对T i n y O S 体系结构中的硬件抽象层作进

9、一步分析，提出了一种面向W S N 的硬件抽象体系结构，如图2 所示呤“J。它包括硬件描述层(H a r d w a r eP 础n m f i o nh y e r，H P L)、硬件自适应层(H 捌w 踟A d a p t a t i o nL a y e r，H A L)及硬件接口层(H a r d w a r eI I I-t e 以c eL a y e r，H I L)。H A A 中每一层都定义了清晰的责任并依赖底层提供的接口，底层硬件在操作系统中注册为独立接口。图2 面向W S N 的硬件抽象体系结构H A A 底层是硬件描述层H P L。H P L 是紧接硬件的瘦软件层，主要用

10、来表示O 针位或作为n e s C接口的注册点。除了硬件自身，H P L 通常没有状态(也就是不可变)。系统组件是其底层硬件的包装，系统组件对平台的依赖性是最强的。H P L 组件通常有一个“H P L+芯片名”前缀，例如，C C l 0 0 0 芯片一1 4 一的H P L 组件以H P L C C l 0 0 0 开始。H A A 中间层硬件自适应层H A L。H A L 建立在H P L 之上，提供高层抽象，比H P L 更容易使用，它是H A A 的核心，根据具体的硬件裁减抽象程度，但尽可能地提供底层的全部功能抽象，方便流水线式的开发和资源的维护效率。H A L 组件通常有一个芯片名前

11、缀，如，C C l 0 0 0 的H A L 组件以C C l 0 0 0 开始。H A A 最顶层是硬件接口层H I L。H I L 建立在H A L 上，并提供硬件独立的抽象，这意味着H I L 通常不提供H A L 所能提供的所有功能。H I L 所表示的抽象，屏蔽了应用程序接触硬件的差异性，应用程序可以使用，并且可以在多种平台下编译，实现跨平台应用程序接口。H I L 组件没有任何命名前缀。在T i n y O S2 0 下，平台是指一种芯片集和其上的一些紧凑的代码，当前T i n y O S 2 0 支持以下平台：e y e s l F X v 2、i n t e l l l l o

12、 t e 2、I I l i c a 2、m i c a 2 d o t、m i c a z、t e l o s b、f i n 删e、b m M e 3 等。在T i n y O S 或芯片集代码中，平台子目录通常包含一个p l a 怕n 的文件，这个文件提供选项传递给n e s C 编译器。例如，m i c a 2 p l a bf o 珊文件告诉n c c 在e e l 0 0 0 和a 廿1 1 1 2 8 芯片内查看目录，以及用a w g e e 区编译二进制微码。2 2H A A 在T i n y O S 下的实现机制T i n y O S 的应用运行环境一般由以下几部分实现：M

13、a i n 组件(调度程序)，一个可选择的系统组件集合(仅仅是应用需要的组件)以及为应用定义的组件J。T i n y O S 的这种体系结构使得用户可以快速便利地实现应用，用户不需要关心H P L 的具体实现细节和节点硬件所提供的功能，只需要使用系统组件层提供的服务来满足具体的应用需求。H I L 对硬件的独立抽象，增强了T i n y O S 的移植性。通过H A L 对硬件平台合理的描述，可使操作系统内核基本和具体的硬件无关，从而容易地实现不同平台间的移植，这样就简化了嵌入式O S 内核的移植工作，进而说明了T i n y O S 可以更好地满足W S N 节点硬件的变化。H A A 首次

14、应用基于M S P 4 3 0 平台捧J，在T i n y O S1 1 7 下实现。下面以晶钟(C r y s t a lC l o c k)为例进行说明。在W S N 中，实时的低功耗的晶钟为微控制器提供稳定的定时和中断功能，晶钟具有毫秒级的分辨率，它通过定时警报器将微控制器从低功耗睡梦状态中唤醒。因此，必须为晶钟定义警报器和定时器。在H A L，通过接口(i n t e 血c e)和配置(c o W m-d o n)定义了警报器接口：万方数据i n t e r f a c eA l a r m T M i l l ila s y n cc o m m a n du i n t 3 2 _

15、 tg e t()；a s y n cc o m n l a n db o o li s S e t()；a s y n cc o m m a n dv o i dc a n c e l()；a s y n cc o m m a n dv o i ds e t(u i n t 3 2 一tD，u i n t 3 2 一td t)；a s y n ce v e n tv o i df i r e d()；c o n f i g u r a t i o nA l a r m C p r o v i d e si n t e r f a c eA l a r m T M i l l ia sA l

16、a r m T i m e r-M i l l i：p r o v i d e si n t e r f a c eA l a r m T 3 2 k h za sA l a r m T i m-e r 3 2 k h z；p r o v i d e si n t e r f a c eA l a r m T 3 2 k h za sA l a r m 3 2 k h z l；p r o v i d e si n t e r f a c eA l a r m T S 2 k h za sA l a r I I l 3 2 k h z 2；，p r o v i d e si n t e r f

17、a c eA l a r m T M i c r oa sA l a r m M i c m l；p r o v i d e si n t e r f a c eA l a r m T M i c ma sA l a r m M i c m 2；p r o v i d e si n t e r f a c eA l a r m T M i c r oa sA l a r m M i c r 0 3；接口是一个双向通道，表明接口具有的功能和事件通知能力是双向的，向调用者提供命令和实现命令者进行事件通告。在接口中命令(c o m m a n d)和事件(e v e n t)实现不同的功能，命令是接

18、E l 具有的功能，事件是接口具有通告事件发生的能力。接口体现事件驱动功能和模块化。通过事件通告让使用接口者对事件进行响应；任何满足接口功能的实现者都可被其它需要这个接口功能的组件调用。配置被用来把其它模块组装起来，把其它模块提供的接口和该模块使用的接口连接起来。在配置文件中使用p r o v i d e s 语句表明这个组件可以提供哪些接口，实现这些接口的命令和事件通知。在这些接口下面是H P L。如果没有H P L，硬件的自适应性将受到特定微控制器的寄存器和资源的约束。溢出标记(f l a g s)、当前硬件时间以及系统寄存器设置都是通过H P L 访问的。H A L 使用这些基本要素构造

19、在H A L 可访问的各种报警器接口。在H I L，提供了平台无关的定时器事件，这些事件提供了应用程序的通用接口，定时器的代码如下：i n t e r f a c eT i m e r c o n n l l a n dr e s u h _ ts e t P e r i o d i c(u i n t 3 2 _ td t)；c o m m a n dm s u l t _ ts e t O n e S h o t(u i n t 3 2 _ td t)；c o m m a n dr e s u l t _ ts t o p()；c o m m a n db o o li s S e t()

20、；c o m m a n db o o li s P e r i o d i c()；c o m m a n db o o li s O n e S h o t()；c o m m a n du i n t 3 2 _ tg e t P e r i o d()；e v e n tr e s u l t _ tf i r e d()；3 组件注册模型从分析H A A 在T i n y O S 下的实现机制，可以看出，操作系统的主要任务之一是为应用程序员提供与底层硬件细节无关的、统一的、尽可能抽象的计算处理环境。随着W S N 节点硬件的日益多元化，硬件抽象组件将越来越多，如何灵活地使用这些组件，

21、需要操作系统提供良好的组件注册机制。目前，一些主流的面向W S N 的嵌入式操作系统主要采用g e t命令和s e t 命令来实现组件注册，这种方式在获取和释放节点资源方面缺乏灵活性。一种有效的解决途径是在面向W S N 的嵌入式操作系统中，引入并实现组件注册模型。i re y 酷l F X 蝴缸t d m o t e 2“m i c a 21：m i 瑚2 d 0：m i e a Z：t d o s bi。f i n y n o d e=。b 抽o d e 3：调度模块组件挣制块缀件往虢西数-盥颦避鳐蕊墓：翼蠖?。!磊荐I!害翻丽图3T i n y O S 组件注册模型对于T i n y O

22、 S 操作系统，为满足W S N 运行特点，可通过任务(t a s k)和中断处理事件(i n t e r r u p th a n d e re v e n t)策略、二级调度机制、主动消息通信技术来实现组件注册模块归J，如图3 所示。组件的注册和引用采用基于主动消息通信的事件和命令方式，不区分内核和用户方式的调用机制。当组件进入时，向系统组件控制块注册组件，通知系统组件实现的二进制映像地址等。组件控制块主要用来存储硬件抽象的关键信息，采用二元组(m o d u l eI D，i n t e r f a c eI D)索引。组件的注册功能可以提高系统的灵活性，方便了系统升级、移植等，在系统资

23、源受限的情况下，起到良好的作用，如节约内存空间等。系统在具有硬件抽象注册功能的情况下，也对应用程序的可移植性起到很好的帮助作用。(下转第1 8 页)一1 5 万方数据话务量A 相等，从而计算出话务员的基准数量y，乃：历A(8)乃2 和(8)y，如果是小数，其值取整数+l。话务员配置情况l：有足够的星级话务员，即能够为该班次分配)，i 个星级话务员，则该班次的话务员人数配置为抓。)+蝣，)。其中欺。)为星级话务员数量，数量上等于式(8)的计算结果乃，；(，)为仅因人力资源储备原因而非业务因素配置的实习话务员数量，其数量由企业的人力资源储备政策决定。话务员配置情况2：有，个星级话务员，但钦。)乃，

24、即缺少乃一欺。)个星级话务员，此时就需要由熟练级话务员或实习级话务员补充。如果熟练级话务员足够，则全部由熟练级话务员补充，其数量为，辄)-等竽(9)S 2则该班次的话务员人数配置为乃(。)+钦2)+靠，)，其中，i，)为仅因人力资源储备原因而非业务因素配置的实习话务员数量，其数量由企业的人力资源储备政策决定。话务员配置情况3：星级话务员和熟练级话务员的总人数均不足，即欺，)+欺2)邑 乃，则需要由实习级话务员补充。其数量为，非业务因素配置的实习话务员数量，其数量由企业的人力资源储备政策决定。对于星级话务员人数为O 或者熟练级话务员人数为0 的情况，同理计算，此处从略。3结束语呼叫中心为了提高服

25、务水平，必须保证大多数呼叫在短时间内得到应答，而要达到这个目标，最直接的做法就是安排更多的坐席人员上班。但另一方面，由于人力成本是呼叫中心运营开销中的最大支出。在我国人力成本占总成本的比重接近5 0 6 1的情况下，单纯依靠增加人力来提高服务水平并非好的选择。为了尽可能节约人力资源的同时保证高质量的服务，要决策好呼叫中心的中长期规划问题，如确定提供哪些服务、电话线路数、人员招募培训等。首先利用历史上呼叫的分布规律预测将来一段时间内的业务量，然后根据科学的配置算法来确定坐席人数，制定排班调度表。参考文献：1】宋俊德呼叫中心的过去、现在与未来 J 计算机世界，2 0 0 1，5 C 2 朱红芳呼叫

26、中心排班人员数目决策的实证研究 D 天津大学硕士学位论文，2 0 0 6 3 E m s tAT，J i“gH。K r i d u u n n o o a h yM，e tn 1 S t a f fs c h e d u l i n ga n dm 曲耐n g A 硎w a p p l i c a t i o n s，m e t h o d sa n dm o d e l s J E u r o p e-蛐J o u m a lo fO p e r a t i o n a lR 绷地h，2 0 0 4，1 5 3(1)C 4 刘童孙吉贵，张永刚，等用周期模型和近邻算法预测话务量时抽，=拦皆，裟

27、：黼嚣麓篇电子科技燃版则该班次的话务员人数配置为1)+欺2)+社，2 0 0 4 乃(3)+)，f(3)，其中y7(3)为仅因人力资源储备原因而 6 弓志勇通信企业管理 z 2 0 0 5 责任编辑：刘新影一H H-H H o H“_ H 1 0-_ H H o H _ H H m H H H”H o-_-H _ H-I d-H 卜_，-(上接第1 5 页)4结束语H 从能够有效满足W S N 应用程序的运行要求，使得对应用程序的改进和移植更加方便。H 从的三层设计对于应用程序开发者来说，优点是显著的：(1)通过隐藏硬件细节的复杂性更加简化了应用程序的开发工作；(2)当一个应用程序在多个平台上

28、运行时，层次结构非常清晰；(3)水平方向分解简化了移植，允许复用实现跨不同平台子系统。针对H A A 的实现机制中存在的问题，提出“利用组件注册模型完善操作系统的功能”的解决方案，组件注册模型的建立及其实现进一步完善了操作系统的功能，使得对组件的管理更加灵活，组件的可移植性和兼容性进一步增强。随着时间的推移和W S N 技术应用的不断深入，该方案将被证明是强有力的和高效的。参考文献：1 陈渝，孙云峰无线传感器网络操作系统研究进展 J】中国计一1 8 一算机学会通讯，2 0 0 6，2(5)：2 5 3 1 2 孙利民，李建中，陈渝，等传感器网络 M】北京：清华大学出版社。2 0 0 5 3 李

29、丽娜，石高涛廖明宏传感器网络操作系统T i n y O S 关键技术分析 J 哈尔滨商业大学学报：自然科学版，2 0 0 5，2 1(6)：7 2 4 7 2 7 7 4 6 4 陈喜贞，王书茂，徐勇军T i n y O S 内核调度机制及改进策略 J 计算机工程2 0 0 6，3 2(1 9)：8 5 8 7 5 李晶，王福豹，段渭军无线传感器网络中T i n y O S 的研究 J 计算机测量与控制，2 0 0 6，1 4(6)：8 3 8 8 4 0 6 H i l lJLS y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rw i r e l e s s n f

30、 l o rn e t w o r k s D P h Dt h e s i s，B e r k e l e yU n i v e n j i t y，2 0 0 3 7 I d r i 8P，M a d d e nS，G a yD，e ta 1 T h ea 卿c eo f n e t w o r k i n ga b-s t r a c t i o n sa n dt e e h n i q u 髑i nT i n y o s C P r o c e e d i n go ft h eF i r s tU S E N I X A C MS y m p o s i u mo nN e t w

31、 o r k e dS y s t e m sD e s i g na n dI r a-p l e m e n t a t i o n，2 0 0 4 8 E B O L h t r p：w w w p o L 如t r e c o l n p a p e r 州8 I 舫籼p 越 9 林喜源基于T i n y O S 的无线传感器网络体系结构 J 单片机与嵌入式系统应用，2 0 0 6(9)：4 4 4 7 责任编辑：刘新影万方数据基于WSN的嵌入式操作系统HAA研究基于WSN的嵌入式操作系统HAA研究作者：马润，刘斌，MA Run，LIU Bin作者单位：安徽科技学院理学院,凤阳,233

32、100刊名：信息技术英文刊名：INFORMATION TECHNOLOGY年，卷(期)：2010,34(8)参考文献(9条)参考文献(9条)1.Hill J L System architecture for wireless sensor networks 20032.李晶;王福豹;段渭军 无线传感器网络中TinyOS的研究期刊论文-计算机测量与控制 2006(06)3.陈喜贞;王书茂;徐勇军 TinyOS内核调度机制及改进策略期刊论文-计算机工程 2006(19)4.李丽娜;石高涛;廖明宏 传感器网络操作系统TinyOS关键技术分析期刊论文-哈尔滨商业大学学报(自然科学版)2005(06)5.孙利民;李建中;陈渝 传感器网络 20056.陈渝;孙云峰 无线传感器网络操作系统研究进展期刊论文-中国计算机学会通讯 2006(05)7.林喜源 基于TinyOS的无线传感器网络体系结构期刊论文-单片机与嵌入式系统应用 2006(09)8.查看详情9.Levis P;Madden S;Gay D The emergence of networking abstractions and techniques in TinyOS 2004 本文链接：http:/