國家973計劃項目無線傳感網(wǎng)絡的基礎理論及關鍵技術研究

匯報人：陳純、鄭扣根匯報單位：浙江大學 二○○七年六月課題一工作匯報匯報提綱研究內容工作總結開發(fā)團隊現(xiàn)狀分析設計方案課題進展未來展望研究內容研究目標無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點系統(tǒng)的體系結構研究具體包括節(jié)點硬件體系結構采用SoC技術或SIP技術研究微型節(jié)點節(jié)點微型操作系統(tǒng)硬件驅動、調度系統(tǒng)、存儲管理、軟件部署節(jié)點開發(fā)測試環(huán)境節(jié)點開發(fā)語言、節(jié)點集成開發(fā)調試環(huán)境、節(jié)點監(jiān)測平臺研究內容(節(jié)點硬件體系結構)目標以靈活、高效、可擴展和兼容性為目標的節(jié)點新型軟硬件體系結構任務在借鑒國內外已有節(jié)點平臺的基礎上，設計并構建新型節(jié)點平臺研究內容(節(jié)點微型操作系統(tǒng))目標以節(jié)省能源和最大化網(wǎng)絡生命周期為目標的任務調度機制以提高節(jié)點系統(tǒng)實時性為目標的并發(fā)模型以提高節(jié)點在異構網(wǎng)絡中的靈活性和動態(tài)性為目標的模塊可配置性以節(jié)點系統(tǒng)強壯性和穩(wěn)定性為目標的容錯機制，錯誤自檢、恢復機制以保證節(jié)點安全通信為目標的安全機制任務在節(jié)點平臺，如MicaZ上，設計并實現(xiàn)節(jié)點微型操作系統(tǒng)研究內容(節(jié)點開發(fā)測試環(huán)境)目標以開發(fā)、測試有效性為目標的模擬仿真理論和開發(fā)工具任務基于Eclipse開發(fā)平臺，開展節(jié)點開發(fā)平臺和節(jié)點監(jiān)控平臺的工作工作總結：開發(fā)團隊2007年浙江大學擬籌建傳感器網(wǎng)絡技術研究中心交叉中心聯(lián)合計算機學院、校網(wǎng)絡中心以及信息學院等多學科的力量，實現(xiàn)優(yōu)勢互補無線傳感節(jié)點小組作為課題一的主要承擔者具有教授3名，副教授5名，博士生7名，碩士生10名目前已在以下方面展開工作：靈活、可擴展的新型無線傳感節(jié)點硬件體系實時、安全、低功耗的無線傳感節(jié)點微型操作系統(tǒng)易用友好的無線傳感節(jié)點集成開發(fā)平臺及節(jié)點監(jiān)控平臺工作總結：現(xiàn)狀分析TinyOS為UCBerkeley開發(fā)的，專為無線傳感網(wǎng)絡設計的開源操作系統(tǒng)，目前最新版本為2.xSOS為UCLA開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點操作系統(tǒng)，目前最新版本為2.xMantisOS是由Colorado大學研發(fā)的面向傳感器網(wǎng)絡的微型操作系統(tǒng)，目前最新版本為0.9.5Contiki是由SwedishInstituteofComputerScience開發(fā)的開源節(jié)點操作系統(tǒng)，目前版本為2.x工作總結：現(xiàn)狀分析(系統(tǒng)體系)關鍵問題能夠提供一個高效的模塊化框架，以適合硬件的多樣性和應用的多樣性，同時使代碼重用達到最大程度現(xiàn)狀分析TinyOS采用組件模型SOS采用一個公有內核與一組模塊集合Mantis根據(jù)傳感網(wǎng)絡的程序設計提供代碼重用Contiki硬件資源的抽象以系統(tǒng)庫的形式實現(xiàn)，并和其他程序隨意地連接工作總結：現(xiàn)狀分析(并發(fā)模型)關鍵問題在資源極其受限的環(huán)境下，提供輕量級、方便易用的并發(fā)模型，減少運行堆棧和同步原語的開銷現(xiàn)狀分析事件驅動多線程說明TinyOS是不支持兩種并發(fā)對象：事件和任務；調度方式：FIFOSOS是不支持采用三個不同優(yōu)先級的FIFO任務調度隊列Mantis否支持提供線程；實現(xiàn)多線程搶占Contiki是支持內核基于事件驅動；可搶占的多線程以可選的函數(shù)庫來實現(xiàn)的工作總結：現(xiàn)狀分析(同步模型)關鍵問題并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)，導致數(shù)據(jù)的不一致，因此需要同步機制保證并發(fā)線程或者代碼的順序執(zhí)行現(xiàn)狀分析TinyOS通過nesC提供原子區(qū)域，將臨界代碼寫在原子區(qū)域中，通過語言層確保在原子區(qū)域內的代碼不能被中斷SOS允許和禁止中斷，從而確保原子性Mantis提供通用的進程/線程同步原語，稱為信號量Contiki為支持優(yōu)先實時執(zhí)行，不提供禁止中斷工作總結：現(xiàn)狀分析(內存分配)關鍵問題虛擬內存難以實現(xiàn)：節(jié)點沒有MMU動態(tài)內存分配：可能造成內存碎片現(xiàn)狀分析TinyOS完全靜態(tài)，內存在編譯時計算和分配SOS使用空閑鏈表進行管理，采用firstfit策略Mantis與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)類似，不建議用戶動態(tài)分配內存空間Contiki支持兩種：系統(tǒng)動態(tài)內存分配、預分配的內存塊分配工作總結：現(xiàn)狀分析(網(wǎng)絡管理)關鍵問題通常的TCP/IP協(xié)議是開銷很大，因此需要一種輕量級的通信框架，并提供通用、強大的功能現(xiàn)狀分析TinyOS使用輕量級ActiveMessage代替?zhèn)鹘y(tǒng)的TCP/IP棧，基于事件的處理機制，避免數(shù)據(jù)的忙等SOS所有通訊發(fā)生在模塊層，在不同節(jié)點的模塊之間的通訊通過消息傳遞Mantis以“commlayer”實現(xiàn)，為通訊設備驅動提供一致的接口，中斷驅動，能量高效Contiki結合了TCP/IP協(xié)議棧，提出了lwIP和uIP工作總結：現(xiàn)狀分析(網(wǎng)絡重編程)關鍵問題傳感器節(jié)點數(shù)量眾多，分布在很廣的區(qū)域，甚至是難以接近的環(huán)境中。節(jié)點的更新和故障修復難度很大，需要節(jié)點具備通過無線網(wǎng)絡更新自身軟件的能力現(xiàn)狀分析TinyOS支持整個映象更新。節(jié)點重啟后完成更新SOS支持運行時系統(tǒng)模塊的更新，模塊傳輸量小。更新后無須重啟Mantis支持整個映象更新。節(jié)點遠程調試，支持單個線程甚至變量更新的能力，但仍未實現(xiàn)Contiki支持運行時系統(tǒng)模塊的更新。支持在運行時對特定模塊和服務的加載和卸載工作總結：現(xiàn)狀分析(能量管理)關鍵問題傳感器節(jié)點節(jié)能至關重要，因此需要傳感器節(jié)點在沒有任務時進入低功耗睡眠模式，需要提供機制使得用戶程序能指定睡眠周期和睡眠時間點現(xiàn)狀分析TinyOS提供StdControl.stop命令用于關閉外圍設備；能量管理模塊主動檢查IO引腳，選擇進入不同的低功耗模式；在調度模塊判斷無任務運行時進入低功耗模式SOS在無任務運行時進入低功耗模式。只提供一種低功耗模式，該模式中大多數(shù)外設仍正常工作Mantis系統(tǒng)在無線程需要調度時進入低功耗模式，或在所有線程顯示調用sleep()后，進入低功耗模式Contiki無顯式低功耗模式，需要用戶程序自行實現(xiàn)。事件調度器提供事件隊列長度，便于用戶程序判斷工作總結：現(xiàn)狀分析(仿真支持)關鍵問題在部署前測試傳感網(wǎng)絡應用程序多平臺支持、能量模型現(xiàn)狀分析TinyOSTOSSIM，為TinyOS應用程序提供離散的事件模擬器SOSAvrora，和TOSSIM相似，提供指令運行周期MantisMANTIS的原型環(huán)境擴展超越了仿真，為網(wǎng)絡管理的開發(fā)和可視化節(jié)點的清楚的呈現(xiàn)提供了一個更大的環(huán)境Contiki在Contiki仿真環(huán)境中，每一個傳感器節(jié)點被自己的FreeBSD進程表示，在仿真環(huán)境中開發(fā)的應用程序能直接被編譯，并被運行在傳感器硬件上工作總結：現(xiàn)狀分析(平臺支持)TinyOSSOSMantisContiki(CPU)micamica2micazmica2dottelosatelosbeyeseyesIFXeyesIFXv1eyesIFXv2imote2intelmote2tinynodemica2micaztmotecyclopsmica2micazmica2dottelosbMSP4308-bitAVR工作總結：設計方案為開發(fā)人員提供一個方便、快速的節(jié)點級開發(fā)環(huán)境提供低功耗、高效性和靈活性，以適合于WSN節(jié)點硬件平臺本身的特點提供OS的可靠性，以適用于條件惡劣、無人照看的環(huán)境工作總結：設計方案(總圖)工作總結：設計方案(系統(tǒng)體系)為解決硬件多樣性、應用多樣性等問題，采用構件化的軟件架構核心構件：公共內核通用構件：時鐘同步、節(jié)點定位等專用構件：WirelessSensorNetworkApplication構件之間的交互引用使用編譯時綁定實現(xiàn)代碼微型化運行時綁定實現(xiàn)二進制代碼共享，進而實現(xiàn)系統(tǒng)靈活性工作總結：設計方案(硬件驅動和I/O模型)硬件驅動層旨在充分表述硬件的功能，并抽象出盡可能一致的訪問接口硬件I/O模型歸結為硬件訪問接口統(tǒng)一為同步I/O系統(tǒng)以輪尋的方式訪問硬件設備異步I/O系統(tǒng)在訪問結束后自動通知用戶ioctl硬件設備控制read硬件設備同步讀write硬件設備同步寫begin_read硬件設備異步讀begin_write硬件設備異步寫工作總結：設計方案(并發(fā)模型)為減少能量消耗、內存消耗，SenSpireOS采用事件驅動的調度模型提供了兩種不同的執(zhí)行環(huán)境，可以滿足不同實時等級的任務對不同編程方式的需求事件執(zhí)行環(huán)境高實時性，具有run-to-completion語義向用戶提供callback回調注冊機制任務執(zhí)行環(huán)境較低實時性，能被事件和高搶占級別的任務搶占可以以ActiveMessage的形式投遞到不同任務隊列工作總結：設計方案(并發(fā)模型)SenSpireOS是事件驅動的節(jié)點操作系統(tǒng)，因此消息分發(fā)和消息處理是設計關鍵消息分發(fā)的設計考慮為安全性(消息隊列的一致性)和穩(wěn)定性(防止消息隊列溢出)消息處理的設計考慮為高效性和靈活性采用三層消息分發(fā)體系硬件中斷控制器在中斷發(fā)生后根據(jù)中斷向量表執(zhí)行相應的中斷處理例程內核利用中斷調度將ISR中top-half的執(zhí)行權轉交到bottom-half在bottom-half中投遞任務到任務調度隊列在一個任務中也可以投遞另一個任務到任務調度隊列工作總結：設計方案(同步模型)目的：解決并發(fā)訪問數(shù)據(jù)可能造成的不一致兩種同步原語可以解決不同執(zhí)行單元之間的同步事件與事件之間順序執(zhí)行，不需要同步事件比任務優(yōu)先級高，不需要考慮被任務搶占任務比事件優(yōu)先級低，使用[ENTER/LEAVE]_CRITICAL_SECTION()原語，可以暫時提高任務優(yōu)先級，使搶占不立即發(fā)生任務之間有不同優(yōu)先級，使用傳統(tǒng)的同步控制原語，如互斥量，可以解決任務之間的同步工作總結：設計方案(事件調度)針對目前節(jié)點OS實效性差的缺陷，將中斷處理例程分為前半部分(top-half)和后半部分(bottom-half)Top-half由內核或硬件驅動層實現(xiàn)，保證無數(shù)據(jù)競爭和強實效性Bottom-half向用戶提供了事件執(zhí)行環(huán)境，具有run-to-completion的語義其主要優(yōu)勢為為開發(fā)者提供了安全，無數(shù)據(jù)競爭的事件執(zhí)行環(huán)境，可以在其中實現(xiàn)具有很高實效性的操作向開發(fā)者提供了回調注冊機制，系統(tǒng)不需要依靠消息投遞和任務調度機制，減少了一定的開銷工作總結：設計方案(任務調度體系)針對TinyOS等任務調度實時性差，調度策略替換困難等缺陷，采用了兩層調度體系元調度器(Meta-Scheduler)：其調度對象為子調度器子調度器(Child-Scheduler)：可以有自己的調度策略可以實現(xiàn)多種不同的調度策略TinyOS的FIFO調度：一個元調度器+一個FIFO的子調度器SOS的三個優(yōu)先級的FIFO調度：一個元調度器+三個優(yōu)先級FIFO的子調度器如果每個任務對應一個子調度器則可以實現(xiàn)搶占的優(yōu)先級調度其優(yōu)勢為可以解決TinyOS非搶占FIFO造成的長任務可能阻塞短任務的情形避免了MantisOS為每個任務分配一個堆棧的SRAM開銷工作總結：設計方案(任務調度策略)兩層調度體系可以實現(xiàn)多種調度策略調度策略太簡單：系統(tǒng)缺乏實時性調度策略太復雜：系統(tǒng)時間、空間開銷太大SenSpireOS的調度策略一種在滿足任務集可調度性條件下，最小化系統(tǒng)開銷的靜態(tài)分析方法一種FIFO+DM(DeadlineMonotonic)的經(jīng)驗調度策略不同調度策略的可調度排序不同調度策略的調度開銷工作總結：設計方案(資源訪問控制)目的：解決一個硬件資源如何滿足多個使用者的問題，即資源仲裁問題SenSpireOS使用資源訪問接口來同步資源訪問內核對每個資源采用資源服務優(yōu)先級隊列實現(xiàn)資源訪問控制resource_tuart(UART0);uart.begin_read(buffer,

sizeof(buffer), callback_read_finished);工作總結：設計方案(內存管理)為了實現(xiàn)靈活的系統(tǒng)架構，支持動態(tài)內存管理采用靜態(tài)內存分配和動態(tài)內存管理結合的方法，實現(xiàn)一定的可預測性一定的靈活性實現(xiàn)多種動態(tài)內存管理機制空閑列表多級空閑列表Buddy系統(tǒng)位圖以實現(xiàn)管理開銷、執(zhí)行開銷之間的權衡工作總結：設計方案(網(wǎng)絡管理)目的：為WSN應用提供輕量級、易用穩(wěn)定的通信接口工作內容定義兼容一致的數(shù)據(jù)包格式高效拓撲發(fā)現(xiàn)機制代碼分發(fā)協(xié)議數(shù)據(jù)收集協(xié)議安全的通信機制工作總結：設計方案(網(wǎng)絡重編程)采用基于動態(tài)可加載模塊的形式模塊格式經(jīng)過裁剪的ELF文件只傳送和加載可能用到的ELF一些部分并對用到的一些文件段進行裁剪加載過程對于最終需要加載的部分，寫入EEPROM重定位過程，則在加載時完成工作總結：設計方案(網(wǎng)絡重編程)其優(yōu)勢為解析工作放在基站完成，減少節(jié)點工作量只傳送可能用到的段，減少傳送能量消耗.data段接收后直接申請并寫入內存，省去寫入EEPROM過程.text段等收到.reloc段后，在EEPROM完成重定位，直接寫入ROM基站解析ELF決定要傳送的段節(jié)點接收ELF段文件.data段申請RAM.text段寫入EEPROM.reloc段EEPROM完成重定位寫入ROM工作總結：設計方案(能量管理)目的：為了有效地利用節(jié)點受限的能量外設資源的能量管理顯示能量管理：通過ioctl函數(shù)顯式管理外設的能量隱式能量管理：根據(jù)外設的服務隊列決斷是否開關外設處理器的能量管理應用場合：任務隊列為空睡眠模式的選擇保證任務的正確執(zhí)行在上述前提下，選擇耗電最少地睡眠模式采取外設引用位圖作為睡眠模式選擇依據(jù)工作總結：設計方案(節(jié)點開發(fā)語言)目的：降低手工編碼難度、提供靜態(tài)分析優(yōu)化語言特性以較低開銷建立靈活抽象編程語言支持(CSpire)合SenSpireOS，簡化代碼編寫兼容C語言支持類、對象、事件等抽象元素擬提供高級的靜態(tài)分析，產(chǎn)生優(yōu)化的程序代碼工作總結：設計方案(節(jié)點開發(fā)測試環(huán)境)目的：集成開發(fā)工具鏈，縮短節(jié)點應用開發(fā)周期節(jié)點應用開發(fā)環(huán)境項目管理編譯調試節(jié)點軟件部署ISP(InSystemProgramming)OTAProgramming(OverTheAirProgramming)節(jié)點仿真節(jié)點監(jiān)測工作總結：設計方案(節(jié)點開發(fā)測試環(huán)境)工作總結：總結(1)TinyOSSOSMantisSenSpire實時性調度方式FIFO3個優(yōu)先級FIFORR分層調度體系中斷屏蔽是是是否易用性編程方式事件驅動事件驅動線程方式事件驅動編程語言nesCCCC/CSpireIDEEclipseplugins--planning微型化SRAM(Blink)0(data)51(bss)366271632449961034FLASH(Blink)241041090172008510關鍵特性主流節(jié)點OS工作總結：總結(2)TinyOSSOSMantisSenSpire靈活性網(wǎng)絡重編程Mate擴展支持支持支持動態(tài)內存分配否支持支持支持移植性CPU支持