面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)綜述

1、第24卷第6期 2007年6月計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件Computer Applications and Software面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)綜述王 漫1何 寧1裴 俊1馮改玲1劉海濤21(上海市計(jì)算技術(shù)研究所上海2000402(中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所上海200050摘要 相比一般的嵌入式系統(tǒng),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)操作系統(tǒng)的體積大小、能量利用率、節(jié)點(diǎn)相互間通信以及可重配置、 可靠性和適應(yīng)性等方面提出了更高的要求。由于這些特點(diǎn),針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也出現(xiàn)了各種各樣的操作系統(tǒng)。闡述了無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及其對(duì)操作系統(tǒng)的要求,并介紹了當(dāng)前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域所應(yīng)用的幾種操作系統(tǒng)

2、,提出了零操作系統(tǒng)的概念, 也對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的版權(quán)進(jìn)行了一些討論,最后對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)當(dāng)前現(xiàn)狀及發(fā)展作了總結(jié)。關(guān)鍵詞 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式操作系統(tǒng)綜述A REVmW oF EM舊EDDEDoPERA哪G SYS田EMS FoR砸陽(yáng)LESS SENSoR NETWoRKSWang Manl He Nin91Pei Junl Feng Gailin91“u Haita027(跏口啦毹脅缸眥e o,c0唧眥打曙矗加腸肜,肌口,動(dòng)以2DD舛D,吼i眥2(Sk,唱彘口i協(xié)脅吮0廠M優(yōu)峙筘把m口蒯蜘嗍踟n廳,lozDg,zk醌i棚e A幽砂曠&如n鯽,啦口i 20DD,佩iMAbs缸ac

3、t Compared with tlle general embedded system,the opemting system f缸wireless sensor networks(WSNis more restrict in the as pectsof code 8ize,energy emciency,network protocol,reco耐iguration,reliability and ad印tion,et a1.The characteristics of WSN and me de-m明d of the叩eratingsystems are described.SeVer

4、a王operating systems f西WSN are intmduced,aIld the concept of zero operating system is put fonrard.The license of叩en source operating system is discussed,and a conclusion to the present status and devel叩ment of opemtil唱systems forWSN is made.Keywords Wireless se璐or mtworks EIIl:bedded operating system

5、s Review0引 言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)¨“o是當(dāng)前國(guó)際上備受關(guān)注的由多學(xué)科高 度交叉的新興前沿研究熱點(diǎn)領(lǐng)域,是信息感知和采集的一場(chǎng)革 命,被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。所謂無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)¨t21是指由大量部署在作用區(qū)域內(nèi)的、具有無(wú)線通信與計(jì)算 能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn),通過(guò)自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自 主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn) 距離很短,一般采用多跳的無(wú)線通信方式進(jìn)行通信。傳感器網(wǎng) 絡(luò)可以在獨(dú)立的環(huán)境下運(yùn)行,也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到Intemet, 從而真正實(shí)現(xiàn)“無(wú)處不在的計(jì)算”的理念,圖1是無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)模型。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用

6、前景,可以應(yīng)用 在國(guó)防軍事、工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、醫(yī)療救護(hù)和救災(zāi) 搶險(xiǎn)等領(lǐng)域。圖1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成單位¨o是節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)主要由傳 感器模塊(感測(cè)環(huán)境、處理器模塊(對(duì)感測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地處 理、無(wú)線通信模塊(負(fù)責(zé)與鄰近節(jié)點(diǎn)交換消息和能量供應(yīng) 模塊組成。在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí),傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中 已成熟的解決方案可以借鑒過(guò)來(lái),但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也有其 自身的一系列特點(diǎn),主要體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密集度高,數(shù)量巨大, 各節(jié)點(diǎn)之間要相互協(xié)調(diào),每個(gè)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和通 信帶寬都有限,應(yīng)用類型多種多樣,工作環(huán)境惡劣等。另外無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)普遍采用電池供電,降低能耗

7、、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命始 終是一大挑戰(zhàn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件主要完成節(jié)點(diǎn)資源的管理以及節(jié) 點(diǎn)之間的相互通信。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬于嵌入式系統(tǒng)的一 種,在嵌入式系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中,很多情況下不采用操作系統(tǒng), 工程師直接對(duì)硬件進(jìn)行編程操作,不需要任何通信技術(shù)或安全 架構(gòu)的支持。開發(fā)人員將負(fù)責(zé)系統(tǒng)的各個(gè)方面,設(shè)備的每個(gè)方 面都需要開發(fā)人員進(jìn)行編碼。在這種情況下,應(yīng)用開發(fā)人員必 須非常熟悉底層硬件,或許還曾經(jīng)參與硬件的設(shè)計(jì)。不采用操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā),效率低下,對(duì)研發(fā)人員的素質(zhì)要 求非常之高,大大增加了產(chǎn)品的面市時(shí)間,且產(chǎn)品性能得不到有收稿日期:20070214。本文受“E一上?！笨萍脊リP(guān)項(xiàng)目資助(編 號(hào):05D

8、zi5004。王漫,高級(jí)工程師,主研領(lǐng)域:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),普適 計(jì)算,協(xié)同計(jì)算。第6期 王漫等:面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)綜述 45力保證。對(duì)于一般應(yīng)用開發(fā)人員來(lái)說(shuō),應(yīng)該將主要時(shí)間和精力 集中在創(chuàng)造產(chǎn)品的附加價(jià)值方面,而不是底層的應(yīng)用架構(gòu)和細(xì) 節(jié)。操作系統(tǒng)可以對(duì)底層硬件進(jìn)行抽象化,與硬件的相關(guān)問(wèn)題 都由驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)處理,這樣應(yīng)用開發(fā)人員多半就不需要知道 具體的實(shí)際硬件細(xì)節(jié)。因此在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)可以 大大縮小開發(fā)的難度,減少開發(fā)時(shí)間,降低成本。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō),除了應(yīng)該具有一般嵌 入式操作系統(tǒng)的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)物理硬件的抽象外,還應(yīng)該負(fù)責(zé)管理 節(jié)點(diǎn)各種資源(電源、傳

9、感器以及射頻等,實(shí)現(xiàn)模塊的動(dòng)態(tài)調(diào) 度、消息管理等功能,甚至還應(yīng)該實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議等功能。采用 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可以大大降低開發(fā)人員的難度,但是 如果將現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)直接應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),則 有兩大致命問(wèn)題,一是現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)沒(méi)有考慮能量供 應(yīng)問(wèn)題,二是現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)占用存儲(chǔ)空間大,因此有必 要采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)專用的操作系統(tǒng)。1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及其對(duì)操作系統(tǒng)的 要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)除了具有傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的共同特征以外, 還具有很多其它特點(diǎn),這些特點(diǎn)都影響著操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 (1傳感器節(jié)點(diǎn)電源能量、通信能力、計(jì)算存儲(chǔ)能力有限 傳感器采用電池供電,能量有限,因此節(jié)能設(shè)計(jì)非常

10、關(guān)鍵。無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)以“多跳”方式傳輸數(shù)據(jù),通信范圍只有幾十米。傳 感節(jié)點(diǎn)由于體積、成本以及能量的限制,處理器和存儲(chǔ)器的能力 和容量有限,因此計(jì)算能力十分有限。目前一個(gè)典型的傳感器 節(jié)點(diǎn)采用2節(jié)AA電池供電,8位或16位處理器,RAM空間一 般小于10K。而n鷦h一般在100K左右。這就要求操作系統(tǒng)不 僅要體積小,能運(yùn)行在有限的資源下,還要求操作系統(tǒng)在節(jié)能的 要求下對(duì)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信進(jìn)行管理。(2網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模、自組織、動(dòng)態(tài)性、可靠性等特點(diǎn)傳 感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可能達(dá)到幾百萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常有新節(jié)點(diǎn)加入或 已有節(jié)點(diǎn)失效,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化快。這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)操 作系統(tǒng)具有可重新配置和自適應(yīng)性、高健

11、壯性和容錯(cuò)性等性能, 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí),操作系統(tǒng)必須能對(duì)這種變化作出 反應(yīng),同時(shí)網(wǎng)絡(luò)在需要的時(shí)候也能夠主動(dòng)對(duì)自己進(jìn)行更新。 (3應(yīng)用相關(guān)性強(qiáng)不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物 理量,對(duì)系統(tǒng)的要求也不同,其硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 有很大差別。這要求操作系統(tǒng)具有良好的移植性能,能滿足各 種各樣的硬件平臺(tái),同時(shí)能夠提供各種不同的功能,滿足實(shí)際 需要。2現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,目前已經(jīng)出現(xiàn)了好幾種應(yīng)用 于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng),選擇幾種主要的介紹如下。 2.1Tinyos表l nnyoS支持的部分硬件平臺(tái)特性硬件平臺(tái) MCU RAM FLASH RF芯片Te

12、los(Rev A MSP430F1492K 60K CC2420Telos(Rev B MSP430F1611lOK 48K CC2420Mica2Dot ATMECAl28L 4K 128K CCl000Mica2ATMEGAl28L 4K 128K CClooOMica ATMEGAl034K 128K TRlooOMicaZ ATMEGAl28L 4K 128K CC2420Eyes MSP430F1492K 60KTRl00l1moce Skv MSP430161110K 48K CCM20Tinyos51是由加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的開源微型操作系 統(tǒng),專為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),目前在

13、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。Tinyos基于組件的架構(gòu)使其能夠快速 實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用。Tinyos的組件庫(kù)包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù) 、傳感器驅(qū)動(dòng)以及數(shù)據(jù)獲取工具等,一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)是由 這些庫(kù)組合起來(lái)的,不用的組件不會(huì)引入進(jìn)來(lái),從而達(dá)到減少內(nèi) 存需求的目的。Tinyos采用了事件驅(qū)動(dòng)模型,這樣可以在很小 的空間中處理高并發(fā)事件,并且能夠達(dá)到節(jié)能的目的,因?yàn)閏Pu 不需要主動(dòng)去尋找感興趣的事件。目前Tiny0S已經(jīng)可以運(yùn)行在很多硬件平臺(tái)上,在Tiny0S 網(wǎng)站上公開原理圖的硬件平臺(tái)有Telos(Rev A,Telos(Rev B, Mica2Dot。Mica2,Mica,此外,還有

14、一些商業(yè)和非商業(yè)組織也有 一些硬件平臺(tái)可運(yùn)行Tinyos,主要有歐洲的Eyes“,MoteIV提 供的Tmote sky8J,Cmssbow公司一1的Micaz以及Imel公司的 iMote10。TinvOs目前也在實(shí)際項(xiàng)目中得到了廣泛的應(yīng)用,在其官方 網(wǎng)站上列出了數(shù)十個(gè)采用了TinyOs的項(xiàng)目,并且正在不斷更 新中。2.2MANTIs oSMOSMaJltis OS1¨是由美國(guó)科羅拉多大學(xué)MAN,11S項(xiàng)目組為無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)的源代碼公開的多線程操作系統(tǒng)。它的內(nèi) 核和API采用標(biāo)準(zhǔn)c語(yǔ)言,提供Linu】【和windows開發(fā)環(huán)境,易 于用戶使用。M粕tis 0s提供搶占式任務(wù)

15、調(diào)度器,采用節(jié)點(diǎn)循環(huán) 休眠策略來(lái)提高能量利用率,目前支持的硬件平臺(tái)有Mic82,Mi caZ以及Telos等,其對(duì)RAM的最小需求可到500B,對(duì)nash的 需求可小于14KB。MANTIS最近又有新的發(fā)展,在2006年5月30日和31日 召開的的嵌入式網(wǎng)絡(luò)傳感器(EmNets 2006會(huì)議上,MANrns項(xiàng) 目組提出了一種增強(qiáng)Tinyos性能的系統(tǒng)構(gòu)架TinyMOs¨“,在這 個(gè)架構(gòu)上,TinyOs作為一個(gè)線程運(yùn)行在MA肌s 0s上。通過(guò) MANl'Is 0S,7nnyM0s在Tinyos中增加了優(yōu)先級(jí)和多線程功 能,并且從TinyOs的主線程中引入了從線程概念,應(yīng)用于主線

16、 程的大量計(jì)算任務(wù)。MANTIs項(xiàng)目組計(jì)劃于2006年夏天左右 發(fā)布TinyMOs架構(gòu)。MANTIs 0s也有一些成功的實(shí)際應(yīng)用,在2006年6月19日到22日召開的國(guó)際移動(dòng)系統(tǒng)(MobiSys 2006會(huì)議上,一個(gè)應(yīng) 用了MANTIs 0S的稱之為火災(zāi)探測(cè)網(wǎng)絡(luò)(FireWxNet¨刊的項(xiàng) 目獲得了大會(huì)的最佳論文獎(jiǎng)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是在2005年8月和9月,醞ANTIs項(xiàng)目組與蒙大拿大學(xué)合作,在愛(ài)達(dá)荷州的比特魯特 國(guó)家森林公園部署的。它由3個(gè)采用MANrlls os無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)組成,并且由一個(gè)802.11主干網(wǎng)支撐起來(lái),被部署在森林 火災(zāi)高發(fā)地帶用以檢測(cè)天氣狀況。在一系列嚴(yán)酷的測(cè)試條件

17、下,MANlrIs Os的各個(gè)部分,包括內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)、任務(wù)循環(huán)以及 應(yīng)用支持能力等各方面都運(yùn)行得很好。計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件 2007年2.3SoSs0S【14o是由加州大學(xué)洛杉磯分校網(wǎng)絡(luò)和嵌入式實(shí)驗(yàn)室 (NEsL為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開發(fā)的操作系統(tǒng)。sOs使用了 一個(gè)通用內(nèi)核,可以實(shí)現(xiàn)消息傳遞、動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理、模塊裝載 和卸載以及其他的一些服務(wù)功能。sos的動(dòng)態(tài)裝載軟件模塊功 能使得它可以創(chuàng)建一個(gè)支持動(dòng)態(tài)添加、修改和刪除網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功 能的系統(tǒng)。sos的開發(fā)者主要有三大目標(biāo)。一是要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可重配 置,在無(wú)線傳感器領(lǐng)域,重配置功能可以使得網(wǎng)絡(luò)在部署和初始 化后,還能在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上對(duì)軟件進(jìn)行修改,這就使得網(wǎng)絡(luò)在被

18、部 署以后,還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新,在節(jié)點(diǎn)上添加新的軟件模塊以 及去除不再需要的軟件模塊。隨著網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越龐大,越來(lái)越難 以更新,可動(dòng)態(tài)配置顯得非常重要。二是創(chuàng)建一個(gè)能為開發(fā)人 員提供各種通用服務(wù)的快速開發(fā)系統(tǒng)。許多無(wú)線傳感器應(yīng)用往 往需要一些非常通用的服務(wù),比如從內(nèi)存數(shù)據(jù)包管理到應(yīng)用服 務(wù)協(xié)議(如鄰機(jī)發(fā)現(xiàn)協(xié)議等。最后一個(gè)目標(biāo)是吸收傳統(tǒng)操作 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想并且將他們應(yīng)用到資源非常有限的傳感器節(jié)點(diǎn)中 來(lái),便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。sOs采用標(biāo)準(zhǔn)c寫成,可以使用標(biāo)準(zhǔn)c調(diào)試工具如GDB 等。其內(nèi)核支持各種通用服務(wù),如動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配,簡(jiǎn)單內(nèi)存碎片 回收以及優(yōu)先級(jí)調(diào)度等等。S0s采用真正的模塊化系統(tǒng)開發(fā), 應(yīng)用模塊在

19、網(wǎng)絡(luò)被部署后仍然保持模塊化特性。目前sos支 持的硬件平臺(tái)主要有crossbos公司的Mica系列平臺(tái)和耶魯大 學(xué)xYz節(jié)點(diǎn)。2.4Contil【icontiI(i¨5”1是瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所Ad砌Dunkels等人 專為內(nèi)存資源非常有限的嵌入式系統(tǒng)如網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)等開發(fā) 的一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)。contil【i完全用c語(yǔ)言寫成,源代碼開 放,支持網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),具有高度的移植性,代碼量非常小,支持從8位微控制器構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)到老式的8位家用電腦。自從 2003年5月推出以來(lái),comiki已經(jīng)被移植到了20種不同類型 的硬件平臺(tái)。contiki提供一個(gè)簡(jiǎn)單的事件驅(qū)動(dòng)內(nèi)核,支持原型進(jìn)程以及

20、 可選的搶占式多任務(wù),通過(guò)傳遞消息來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信,具有動(dòng) 態(tài)進(jìn)程結(jié)構(gòu),支持加載和卸載程序。使用恤IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)本地 TcP/IP協(xié)議,可以在直接相連的終端和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連的終端 (如虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和Telnet上實(shí)現(xiàn)圖形化界面系統(tǒng)。當(dāng)前contil【i的一個(gè)基本系統(tǒng)(支持多任務(wù),網(wǎng)絡(luò)和圖形界 面編譯后代碼大小為32K,而一個(gè)較為完整地支持web服務(wù) 器,web瀏覽器等功能的系統(tǒng)編譯后代碼大小約為64K。目前 能夠運(yùn)行Contiki的最小系統(tǒng)只有2K RAM,它能夠運(yùn)行基本系 統(tǒng)、web服務(wù)器、虛擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)服務(wù)器和一個(gè)小的虛擬 桌面。2.5MagnetoSMaglletosm o是由康奈爾大學(xué)

21、為自組織和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 開發(fā)的分布式操作系統(tǒng),其目標(biāo)是為自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供一個(gè) 節(jié)能,適應(yīng)性強(qiáng)并且效率高的操作系統(tǒng)。Magnetos為一個(gè)由各 種各樣節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò),提供一個(gè)單一的Java虛擬機(jī)系 統(tǒng)映像。系統(tǒng)能夠自動(dòng)將應(yīng)用程序分割成各種組件,并且以利 于節(jié)能、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的方式將這些組件自動(dòng)放置和遷移到最 合適的節(jié)點(diǎn)上。MagIletos最大的特點(diǎn)是采用了虛擬機(jī)的思想,目前可運(yùn)行在x86筆記本和StrongARMD的PDA上,如iPAQ,Axims和Jor-nadas等。2.6TRoN與T-Engi恥與前面幾種專門針對(duì)無(wú)線傳感器應(yīng)用而重新開發(fā)的操作系 統(tǒng)相比,TRON(ne Real

22、time 0perating system Nucleus最明顯 的特點(diǎn)是它是一個(gè)通用的嵌入式操作系統(tǒng),卻在無(wú)線傳感器領(lǐng) 域得到了廣泛的應(yīng)用。TRON【l引是由日本東京大學(xué)坂村建教授于1984年提出的 計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)規(guī)范,是目前在全世界應(yīng)用最廣泛的嵌入式操 作系統(tǒng)。TRON廣泛使用在移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、傳真機(jī)、汽車 引擎控制等領(lǐng)域,成為實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算環(huán)境的重要的嵌入操作系 統(tǒng),并且,在使用了計(jì)算機(jī)的電器、家具、住宅、大樓、城市、博物 館等設(shè)計(jì)上,也被廣泛地使用。TRON已經(jīng)安裝到全球3040億臺(tái)家用電子產(chǎn)品中,占據(jù)全球微處理機(jī)嵌入式操作系統(tǒng)市場(chǎng) 約60%(windows大約只安裝了1.5億套。成

23、為低價(jià)高性能嵌 入式開源實(shí)時(shí)系統(tǒng)的典范?！癟RON項(xiàng)目計(jì)劃”為了向世界推廣,一直采用自由開源、 “弱標(biāo)準(zhǔn)化”的方針,也曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)多種版本的開發(fā)環(huán)境及操作 系統(tǒng)式樣。為了實(shí)現(xiàn)更為理想的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式計(jì)算結(jié) 構(gòu),TRON項(xiàng)目計(jì)劃開始了一次新的革命啟動(dòng)了TEngine 項(xiàng)目計(jì)劃?！癟.Engine”ll釗(T引擎是為在短時(shí)間內(nèi)高效開發(fā)實(shí)時(shí)嵌 入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的,由標(biāo)準(zhǔn)化硬件結(jié)構(gòu)(T-En西ne與標(biāo)準(zhǔn)開源 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)核心(TKemel組成的嵌入式系統(tǒng)的開放式標(biāo)準(zhǔn) 平臺(tái)。目前T.En百ne硬件結(jié)構(gòu)有四種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn):TEngine(標(biāo)準(zhǔn) T引擎,uTEn百ne(微型T引擎,nTEngine(微毫T引擎

24、,pT-En西ne(微微T引擎。其中pT.En舀ne面向普適計(jì)算環(huán)境中最 小的硬件單元如開關(guān)、照明器件、傳感器、鎖以及閥門等器件。 T.En西ne的軟件環(huán)境主要包括T哪onitor、TKemel、Tkemel的各 種擴(kuò)展、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)以及中間件等外圍軟件幾個(gè)部分。在T En西ne基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)規(guī)范中,不對(duì)開發(fā)環(huán)境進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。但為了確 保軟件的兼容性,有必要規(guī)定源代碼及二進(jìn)制代碼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 形式。因此,關(guān)于源代碼及對(duì)象代碼的形式,規(guī)定以gcc中的內(nèi) 容為準(zhǔn)。為將TEn西ne這種體系結(jié)構(gòu)向世界推廣,2002年成立了T En西ne論壇,已經(jīng)在全世界擁有479家會(huì)員公司(截至2006年8月lO日。2.7上海

25、市計(jì)算技術(shù)研究所的WMN oS上海市計(jì)算技術(shù)研究所獨(dú)立開發(fā)了無(wú)線微網(wǎng)節(jié)點(diǎn)專用操作 系統(tǒng)wMN 0s,可以穩(wěn)定運(yùn)行在自行研制的Z205、z305等硬件 模塊上,目前已經(jīng)在多個(gè)項(xiàng)目上得到了應(yīng)用。圖2是wMN 0s操作系統(tǒng)模型。由圖可知,wMN Os主要 由任務(wù)調(diào)度模塊和中斷調(diào)用模塊組成,任務(wù)調(diào)度模塊主要負(fù)責(zé) 一般任務(wù)的調(diào)度,如傳感器管理、電源管理以及無(wú)線通訊管理, 中斷調(diào)用主要負(fù)責(zé)突發(fā)事件的處理,節(jié)點(diǎn)內(nèi)存則劃分為系統(tǒng)堆 棧、系統(tǒng)變量和用戶變量三個(gè)區(qū)域,任務(wù)調(diào)度器根據(jù)系統(tǒng)變量 來(lái)對(duì)各個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度,通過(guò)這種比較簡(jiǎn)單的方法實(shí)現(xiàn)了多任 務(wù)無(wú)線傳感器操作系統(tǒng)。wMN 0s所需的節(jié)點(diǎn)資源也非常之 小,最小可

26、在lK RAM上運(yùn)行。目前上海市計(jì)算技術(shù)研究所已 經(jīng)(或即將在此操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有:一級(jí)星型網(wǎng)絡(luò) (sLSN,二級(jí)樹型網(wǎng)絡(luò)(DLTN,一級(jí)并行無(wú)線微網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈(SP-wM data.1ink,多級(jí)并行無(wú)線微網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈(MPwM data一1ink,多第6期 王漫等:面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)綜述 47匯聚節(jié)點(diǎn)的自組織基站網(wǎng)(MSOBN。操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 內(nèi)存分配圖2wMN 0S操作系統(tǒng)模型3當(dāng)前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源非常受限制,傳統(tǒng)的嵌入式 操作系統(tǒng)很難直接應(yīng)用,并且由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的歷史 非常之短,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議還未形成標(biāo)準(zhǔn),硬件平臺(tái)和應(yīng)用方向也多

27、種 多樣,這就使得目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的發(fā)展空前繁榮, 除了上面所介紹的幾種之外,佛吉尼亞大學(xué)計(jì)算機(jī)系的一個(gè)中 國(guó)博士生3也剛剛在網(wǎng)上公布了自己的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作 系統(tǒng)內(nèi)核t.kemelL20以2o并計(jì)劃在2006年8月公布預(yù)覽版本,浙 江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院也提出了自己的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) ZUOS23。而另一方面,除Tinyos和TRON外,這些操作系統(tǒng)的用戶 非常之少,基本上只有開發(fā)者自己在研究并使用。但是即使是 Tinyos和TRON,相對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)于操作系統(tǒng)的 苛刻要求來(lái)說(shuō),也遠(yuǎn)未達(dá)到完善的地步,需要不斷加以改進(jìn),Ti nyOS的開發(fā)者在2006年7月初剛剛發(fā)布了T

28、inyOS2.0的beta 版本。此外其他不少人也提出了很多改進(jìn)意見(jiàn),2005年11月 在柏林工業(yè)大學(xué)通信網(wǎng)絡(luò)研究組(TKN技術(shù)報(bào)告上,斯坦福大 學(xué)Philip IJevis等人針對(duì)Tinyos等操作系統(tǒng)在硬件平臺(tái)支持、應(yīng) 用服務(wù)創(chuàng)建和可靠性等方面的弱點(diǎn),提出了一種他操作系 統(tǒng)2“,他們稱之為第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。尤他大學(xué)計(jì)算 機(jī)學(xué)院的John Regehr等人在2006年6月30日的技術(shù)報(bào)告上針 對(duì)Tinysos不能提供內(nèi)存保護(hù)、不安全的弱點(diǎn),提出了可以增強(qiáng) Tinyos內(nèi)存安全的方法“。. 傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)(包括嵌入式操作系統(tǒng)由于硬件相對(duì)統(tǒng) 一,應(yīng)用領(lǐng)域也有很多共性,在長(zhǎng)期的發(fā)展過(guò)程中,

29、產(chǎn)生了很多 具有大量用戶的著名操作系統(tǒng)(如window,Li砌e,Palmos等。 相對(duì)于這些著名的操作系統(tǒng),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可以稱 之為非著名操作系統(tǒng),由于這些操作系統(tǒng)發(fā)展歷史非常短,很多 功能都在不斷完善中,有很多是從設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和封裝好的各 種子程序演變而來(lái),并沒(méi)有操作系統(tǒng)的名稱,因此這里提出一個(gè) 零操作系統(tǒng)的概念,特指那些正在不斷發(fā)展完善,用戶非常之 少,一般僅限于開發(fā)者本身使用的操作系統(tǒng),有些單位甚至不稱 其為操作系統(tǒng)。零操作系統(tǒng)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展是有利 的,便于各單位在自己的專用硬件上進(jìn)行各種開發(fā),上面介紹的 上海市計(jì)算技術(shù)研究所的wMN Os是零操作系統(tǒng)的典型代表。5結(jié)

30、束語(yǔ)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)而開 發(fā),采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng),可以大大降低開發(fā)難度,縮 短開發(fā)時(shí)間。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身領(lǐng)域的一系列特點(diǎn),除 了TRON來(lái)自傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)以外,其他的操作系統(tǒng)都 是專為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)的。從前面的介紹也可看出,無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)目前正在蓬勃發(fā)展之中,盡管種類非常 之多,但大部分還需要進(jìn)一步完善,本篇論文因此也提出了零操 作系統(tǒng)這概念。此外,在使用開源操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)時(shí),還應(yīng) 該注意軟件的許可證問(wèn)題,否則可能帶來(lái)一些不必要的麻煩。 總的來(lái)講,盡管現(xiàn)在有非常多的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)可供 選擇,但大部分都還不是很成熟,實(shí)際應(yīng)

31、用中各單位大多采用自 己的零操作系統(tǒng)。當(dāng)前在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)領(lǐng)域除了要 繼續(xù)對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件資源限制、能量利用率等問(wèn)題進(jìn)行研究外,還需 要對(duì)可動(dòng)態(tài)配置更新、自適應(yīng)性、安全性等一系列問(wèn)題展開深入 研究。參考文獻(xiàn)1Akyildiz I F,su w,saIlk鋤subramaJli枷Y,cayirci E.A Survey on sensor Networks.IEEE Communications Magazine,2002,40(8:102一 114.2Jason Hi,et a1.system Architecture Directions fbr Networked Sens0硌, In

32、Proeeddings of the NintII IIItemational Conference on Architectud Support for Pm昏r秈ing Langllages aIld 叩emtings Systems(AS PLOS.2000:93104.7Job Mulder,Ste脅Dul啪n,et.a1.,PEEROSSystem software for Wire less Sensor Networks.Preprint,Aug.2003.48計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件 2007年1314 15 1617 18 19 20 2122 23 24 25Eric Tmmple

33、r,Richard Han.A SystematicFr鋤ework forEvolving Tin yOS.EmNet 2006,Harvard University,C鋤bridge,MA.Carl Hanung,Richard HaIl,et a1.FireWnNet:A MutiTiered PonableWireless System forMonitoringWeather C0nditions in WildlaIld Fire Environmnets,MobiSys06,Uppsala,Sweden,June 2006:1922.Ad蛐Dunkels,Bj咖G渤vall,Th

34、iemo Voigt conti ki.A Lightweight and Flexible Operating System fbr Tiny Networked Sensors.In Proceed ings of t11e First IEEE Workshop on Embedded Networked Sensors 2004(IEEE EmNetSI,Tampa,norida,USA,November 2004.http:/www.ten酉ne.o唱.Gu Lin,Stankovic John A.tkemel:A Translative OS Kemel for Wire-les

35、s Sensor Networks.Gu Lin,Stankovic John A.tkemel:A Na【umlizing OS Kemel for Low Power Cost-Effective Computers.Levis P,Gay D,et a1.r12:A Second Generation 0S For Embedded Sen-sor Nelworks.Technical R印ort TKN05007,Telecommunication Networks Gfoup,Technische UniveI弓it苴t Berlin,November 2005.John Regeh

36、r,N砒aII C00叫der,et a1.Memory Safety aIld untnlsted Ex. ten8ions for Tinyos,2006Tecbnical Re叫s,School of computillg,u niversity of Utall.Salt k山e City.(上接第29頁(yè)按照本文1.3節(jié)所述的方法,可以抽取出表1述的相關(guān) 規(guī)則。表l規(guī)則抽取表示規(guī)則編號(hào)對(duì)應(yīng)指標(biāo)的規(guī)則1IF營(yíng)運(yùn)能力>7OR長(zhǎng)期償債能力>6THEN預(yù)警2IF長(zhǎng)期償債能力>3.5THl琳預(yù)警3IF營(yíng)運(yùn)能力(=7AND長(zhǎng)期償債能力<=3THEN正常4IF 4<營(yíng)運(yùn)

37、能力<=5AND長(zhǎng)期償債能力>=3THEN預(yù)警IF營(yíng)運(yùn)能力<=3AND 3<長(zhǎng)期償債能力<3.5AND NoT 5(盈利能力<=5AND短期償債能力<=11HEN正常IF盈利能力>8AND營(yíng)運(yùn)能力(=4AND長(zhǎng)期償債能力>3 6THEN正常為了便于比較,對(duì)于同樣的數(shù)據(jù),本文采用了Rx算法抽 取規(guī)則,共抽取8出23條規(guī)則。表2所示的是兩種方法的比 較。從中可以看出,復(fù)雜度最低的是sRE算法,總共才6條規(guī) 則,但是已經(jīng)能夠達(dá)到90%的覆蓋率;Rx算法的覆蓋率最高, 其覆蓋率是100%,但規(guī)則數(shù)最多,誤判率也最高。表2各種方法效果一覽覆蓋情況 誤

38、判情況方法 規(guī)則數(shù)樣本數(shù) 覆蓋率 誤判數(shù) 誤判率 RX 2363100%46.3% SRE 65790.5%35.26%從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出,sRE抽取出的規(guī)則最精煉,只要少 數(shù)幾條規(guī)則就可以達(dá)到較高的分類效果,而Rx算法抽取出的 規(guī)則非常復(fù)雜,不僅規(guī)則數(shù)量多,而且規(guī)則的前件也較多,不如 SRE簡(jiǎn)練。3結(jié)語(yǔ)本文提出了一種新的基于結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)則抽取方法 sRE,并將其應(yīng)用于銀行貸款風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警實(shí)例中,在與Rx算法進(jìn) 行比較分析后,可以看出,sRE抽取出的規(guī)則不僅規(guī)則數(shù)量少, 而且形式簡(jiǎn)單,因此sRE是一種有效的方法,更適合實(shí)際中決 策的需要。參考文獻(xiàn)1Lu Hon舀un,setiono Rudy

39、,Liu Rudy. Efbctive Da8Mi而ng using Neural NetworksJ.IEEE T阻nsactions on Knowledge卸d Dat8En 西neeri“g,December 1996,8(6:102l一1036.2Setiono R.Extracting RIIles fmm Neural Ne附orks by Pmning明d Hid den unit splittingJ.Neural c蚴putation,1997(9:205225. 3saito K,Nak蛐no R.Medical dia驢ostic expert system based

40、 on PDP modelA. IEEE Pmceedings of IEEE Intemational Corlference on Neural Networksc.1988,1:55262。4“Min Fu.Rule Generation f南m Neural Ne附orksJ,IEEE T舢sac tions on systems,Man,And cybemetics,1994,24(8:118一131. 5cmven M w,鈾avljk J w.Extractjng tree.structured re】present“on of trained ne【worksA.Advance

41、s in Neuml Infonnation Proc systems c.MA,1996:2430.6LangK J,witbrock M J.Leaming to tell two spirals apanA.In proc.of the 1988connectionist summer sch00lC, Morg粕Ka止 mann,San Mateo,CA,1988:5259.7A Van Ooyen.Impmving the cove唱ence 0f the BackPmpagation A190一 dthmJ.Neural Networks,1992(5:465471.8R0y A.

42、0n connectionism,rule extraction,aJld brainlike leaming J.IEEE T舢sactions on Fuzzy systems,2000,8(2:222227. 9Bart Baesens,Rudy setiono,christophe Mues,et a1. using Neural Network Rule Extraction and Decisi蚰7Ihbles for CreditRisk Ev8lua. tionJ.Management science,2003,49(3:312329.10Baoan Yang,Ling x L

43、i,Hai Ji,et a1.An eady w鋤ing system for loan risk assessme呲using anificial neural networksJ.KnowledgeBased systems 200l(14:303306.11楊保安,季海.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)銀行貸款風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究 J.系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐,200l,2l(5:7074.¨州互1 面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)綜述 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次數(shù)： 王漫， 何寧， 裴俊， 馮改玲， 劉海濤， Wang Man， He Ning， Pei Jun， Feng Gailing， Liu Haitao 王漫,何寧,裴俊,馮改玲,Wan