基于TinyOS的无线传感器网络体系结构

发布时间:2008/6/3 0:00:00 访问次数:543

来源：单片机及嵌入式系统应用作者：武汉理工大学林喜源

摘要无线传感器网络wsn（wireless sensor network）由部署在监测区域内大量廉价的传感器节点组成，通过无线通信方式形成multihop自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。本文从分析无线传感器节点mica和其上运行的操作系统tinyos出发，着重描述无线传感器网络节点应用程序体系结构和消息通信机制。

关键词 tinyos 无线传感器 nesc mica节点

1 节点组成

节点是无线传感器网络中部署到研究区域中用于收集和转发信息、协作完成指定任务的对象。每个节点上运行的程序可以是完全相同的，唯一不同的是其id。

1.1 节点构成

无线传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线电通信模块和能量供应模块4部分组成，整个结构如图1所示。

图1 无线传感器节点构成框图

本质上，无线传感器节点就是一个网络化的分布式嵌入式系统，通过无线信道实现网络间的通信。为了减少通信量，在本地完成必要计算进行数据融合，从而协作完成部署空间数据的采集。在应用上体现以网络为中心，节点的功能通过网络来体现。因而传统的嵌入式设计思想在无线传感器网络中遇到许多挑战：节点中运行程序存在大量并行和节点协同计算。

1.2 节点特点

无线传感器网络是应用相关性网络，不同应用领域使用不同的网络技术实现。由于无线传感器节点是用于监测的，分布密度大且范畴广，因此必须低成本、低功耗和小尺寸。从现有技术条件来看，值得考虑的是节点成本和能源补给。节点不可能采用太高的频率，因为频率与能量的消耗是正相关的，频率高则能量消耗大。另外无线电通信模块能量消耗也大，传送距离同能量消耗也是正相关的，因而须在发送距离和节点数之间做出权衡。

1.3 mica节点

加州大学伯克利分校主持开发的低功耗无线传感器节点mica，处理器芯片采用atmel公司的avr系列（ti公司的 msp430也是不错的选择），无线电收发模块采用tr1000或cc10000，外加相应传感器接口，实现了无线传感器节点，如图2所示。节点间通过无线电方式进行通信，协作完成指定任务；节点自身通过adc通道来感知外界数据。

图2 mica节点实物图

mica节点上可感知多个不同物理量：光强度、温度、地磁强度等。http://www.tinyos.net/网站提供了其实现的硬件布线图，加州大学伯克利分校研发人员为这个平台开发出微型操作系统tinyos和编程语言nesc，同时国内外很多大学和机构利用这一平台进行相关问题的研究。

无线传感器网络与现在传感器技术最大的不同在于，将现有的传感器技术进行网络化，使传感器技术应用更好，为现在传感器技术提供更新的解决方法。

2 节点上微型操作系统

无线传感器网络节点存储容量有限。通过研究发现，要满足其自身网络运行的需要，可以使用一种新的嵌入式系统和嵌入式软件来实现。

2.1 操作系统需求

从对节点结构分析不难看出，无线传感器节点硬件简单，可以直接在硬件上进行编程。但这在工程实践中产生许多问题：应用程序开发的难度大大增加，程序员必须对硬件十分了解；程序员无法继承现有的软件成果，延长开发周期；无法形成规模化，使用新的芯片，上层模块都必须改写。

从现有软件技术来看，无线传感器可以直接使用现有的嵌入式操作系统。现有嵌入式操作系统大多是实时操作系统，很少考虑能源供应，而无线传感器一个致命点就是能源供应无法解决；现有嵌入式操作系统大多所占用空间很大，而无线传感器另一个致命点又是存储容量有限。

无线传感器节点有两个突出特点：一个是消息到达的并发性，很密集，即存在多个需要同时执行的逻辑控制，需要操作系