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基于ASMAC协议的WSN开发包GKit的设计与实现.pdf

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西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页第1章绪论1.1 WsN研究背景与国内外研究现状随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现。由这些微型传感器构成的传感器网络wsN引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术等多个领域的关键技术,能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽而准确的信息,传送到需要这些信息的用户。例如,传感器网络可以向正在准备进行登陆作战的部队指挥官报告敌方岸潍的详实特征信息,如丛林地带的地面坚硬度、干湿度等,为制定作战方案提供可靠的信息。传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实而可靠的信息。因此,这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。传感器网络是信息感知和采集的一场革命。传感器网络作为一个全新的研究领域,在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。由于传感器网络的巨大应用价值,它已经引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划,投资34000 ooO美元,支持相关基础理论的研究。美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视,在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划,强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力,把传感器网络作为一个重要研究领域,设立了一系列的军事传感器网络研究项目。英特尔、微软等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作,纷纷设立或启动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣,纷纷展开了该领域的研究工作““”8㈨“1。传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。从2000年起,国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。目前,国内一些高等院校与研究机构己积极开展无线传感器网络的相关研究工作,主要有中科院计算所、西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页清华大学、中科院软件所、浙江大学、啥尔滨工业大学、中科院自动化所等。目前国内研究热点主要集中在网络协议、数据管理、数据融合等领域。1.2关键技术及研究目的1.2.1无线传感器网络的关键技术无线传感器网络作为当今信息领域新的研究热点,涉及多学科交叉的研究领域,有非常多的关键技术有待发现和研究,这些领域包括传感器领域、网络通信领域、无线传输领域、嵌入式计算领域、分布式信患处理领域、微机电系统领域等。本文主要是在网络通信、无线传输领域展开研究工作,下面对这些领域内一些正在研究的主要关键技术进行简述【6】【7】【8】。1.网络拓朴控制对于无线的自组织的传感器网络而言,网络拓朴控制具有特别的意义。通过拓朴控制自动生成的良好的网络拓朴结构,能够提高路由协议和MAC协议的效率,可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础,有利于节省节点的能量,延长网络的生存期。所以,拓朴控制是无线传感器网络研究的核心技术之一【91。2.网络协议由于无线传感器网络节点的计算能力、存储能力、节点的能量都十分有限,每个节点只能获取局部网络的拓朴信息,节点上运行的网络协议也不能太复杂。同时,传感器节点拓朴结构动态变化,网络资源也在不断变化,这些都对网络协议提出了更高的要求。无线传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络,目前研究的重点是网络层和数据链路层协议。网络层的路由协议决定数据的传输路径;数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构,控制传感器节点的通信过程和工作模式【10】。3.时间同步时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。无线传感器网络本质上是一种分布式网络,这种分布式系统的协同工作需要节点问的露毫交通大学颈士磺究生学俊论文 第3爨澍蠲露步,燕溅羹移魏车辆速度嚣要计冀不疑蕊感嚣捡潮攀辞黪对蘑差f鞋{。4.定位技术经嚣臻惠是糖感嚣节点采集数援巾不越缺少静部分,没嚣位置信息数黢测数摇逶豢没有意义。稳定事薛发生熬经萋或聚繁数据鹣繁点袋置是藉感器瓣络最蒸奉鹣功耱之~。蠹予簧惑黎节患存在爨源有蔽、随瓠帮署、遥蘧瑟受环境干扰甚至节点失散等特点,宠豫机制必须满足自缀级健、健壮性、熊瀵蹇效、分蠢式计熬等蘩寒‘控】。5.数据融合簧感嚣弱终存农戆蹩蛰素。减少穆赣懿数器燕鼗够蠢效蘧萤謇爱量,嚣救在及鑫个蕊感嚣节点采集鼗摇鹃过鞭中,可裂建节点的本逡诗算帮存穑熊力处理数糖的融合,去除冗余信息,从简达到节省能量的胬的。由于传憋嚣节点的易失效性,传感器网络也需麟数据融合技术对多份数据进行综合,撼麓信息弱漆确度旧。S。鼗莛警溪从数据存储的角度来看,传感瓣阙络可被视为一种分布式数据库。酞数撰蓐豹方法在绩感器瘸终中遗行数戮黪毽,可以将存鼹焱礴终中熬数攥鲍澎辑视图与网络中的嶷现进行分离,使传感器瓣络静用户其祷要关心数据套谢的逻辑结构,无需关心实现细节f14】。7。秃壤遥穰技术传感嚣网络需骤低功耗短距离的觅线通信技术。IEEE802.掩.4“踮标凇建针对低速举无线个人域网络的无线邋情标准,搬低功耗、低成本作为设计的主要强栎,鲁在为个人或者家魔藏潮内不弼设备提供统一标准。密予lE£嚣802。{5。≤标穗鼹簸络特薤与嚣线健惑器鼹终存在疆多攘戳之楚,薮帮分磷究羲撬怒宅终为戈线薏巷器瓣臻熬燹绞逶僖平套。{,2。2嚣线传感鼹阚络开发包寨琨豹必要性目前程无线传感器潮络的各个研究领域里均涌现出丈蟹的理论研究成槊,尤其憋在网络邋信领域,已经提出大量的MAc协议和潞由捺议方寨。西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页但是这些方案都是基于一定的假设,只适合于特定的应用场景。不同的MAC协议或路由协议方案,其实现的机制不同,对于网络性能如功耗、吞吐量、延迟、扩展性、带宽利用率等有不同的取舍。这些协议方案的性能分析比较大部分都是通过计算机软件仿真得到的网络运行的数据和结果,软件仿真对于无线传感器网络节点硬件平台的计算能力和存储能力等并没有合适的仿真手段。此外,软件仿真对于信道等受现实环境影响较大的网络运行条件的仿真也存在误差。对于无线传感器网络这一全新的研究领域,对于已有的大量理论成果,需要一个可实际运行的开发平台,在这些平台上实现研究成果方案,最后将网络部署在特定的环境中,让网络运行较长周期,全面获取各种真实的网络数据来评估网络的性能““。对传感器网络中的其他关键技术研究,如时间同步、定位技术、数据融合、数据管理等,也需要一个易于开发和实现一些应用方案、算法的开发平台,只有通过这样一套平台,算法才能在真实的网络环境中进行验证,才能确保理论研究成果的可实现性和实用性。提供一套无线传感器网络开发平台,研究人员可以在上面快捷地实现新算法,并提取数据,进行性能分析““。实现一套可靠的无线传感器网络开发平台,用户也可以在上面快速开发各种应用,从而实现将理论研究成果在工程领域的应用,推动无线传感器网络的产业化进程。1.3本文研究工作与内容安排本文通过对无线传感器网络研究的热点进行分析,提出并实现了一套通用的无线传感器网络开发包。阐述了通用平台的体系结构和设计原理,将重点放在如何在此平台上开发新的MAC协议、路由协议以及其他算法和应用上。最后对此平台进行了性能分析。论文的第一章介绍了无线传感器网络的起源发展以及国内外研究现状,然后介绍了无线传感器网络在网络通信领域的关键技术研究,在此基础上引出了实现无线传感器网络开发包的必要性。第二章主要介绍本文工作的背景和相关工作,首先介绍了现有的无线传感器网络硬件开发平台。然后重点分析了Tiny0S的实现原理和设计思路。最后对已有的无线传感器网络MAC协议方案进行了简要的分析比较,引出了本文工作的重点。西南交通大学硕士研究生学位论文 第5页第三章主要介绍基于AsMAc协议的无线传感器网络开发包GKit的设计原理。首先给出了GKit的总体设计架构。然后详细讨论了GKit内核任务调度器和ASMAC协议栈的设计方法。第四章重点介绍了GKit在GAINs节点上的实现过程,对GKit的各个主要模块的实现方法和流程进行了详细说明。本文还在GKit中实现了SMAC协议,并通过在GAINs上的实验对AsMAc和sMAc协议进行了性能分析比较。第而童对会文的工作进行了总结和展望。西南交通大学硕士研究生学位论文 第6页第2章wSN开发平台与MAC协议佶感器网络具有很强的应用相关性,在不同应用要求下需要配套不同的网络模型、软件系统和硬件平台。可以说传感器网络是在特定应用背景下,以一定的网络模型规划的一组传感器节点的集合,而传感器节点是为传感器网络特别设计的微型计算机系统。无线传感器网络开发平台是在传感器网络硬件平台上为用户进行应用开发提供的一套开发工具,一般都提供基本的无线通信功能和传感数据采集功能,这就需要一套适合传感器网络应用的嵌入式软件系统,包括实时微内核、无线传感器网络通信协议和硬件驱动等单元。2.1无线传感器网络硬件平台概述2 1 1无线传感器网络节点和网络体系结构一个典型的传感器网络的体系构建包括分布式传感器节点群、接收发送器、因特网和用户界面等。其中,传感器网络节点的基本组成和功能包括如下几个单元传感单元由传感器和模数转换功能模块组成、处理单元由嵌入式系统构成,包括处理器、存储器、嵌入式操作系统等、通信单元出无线通信模块组成、以及电源部分,如图2.1所示。此外,可以选择的其它功能单元包括定位系统、移动系统以及电源自供电系统等【l“。图2-1典型的传感器网络节点体系结构图2-1典型的传感器网络节点体系结构嚣南交通夫学娥士疆究生学位论文 第7燹在传感器丽终中,节点通过飞机稚撤,人工布置等方式,大量部署在憋知对象内部或者附近,这些节点通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息,可以实现对任意地点信息在任意时间的采繁,处理和分析。这种以自组织形式构成的网络,通过多跳中继方式将数攥传强si呔节点,最矮嵇强si呔链路将整个区域肉嚣数据传送到远程控铡中心送行集中楚瑾,一个藏登懿簧惑器穗终靛俸系结橡毽摇分枣式传感器节点群、sink节点接收发送器、因特嘲和用户界面等,如图2.2所示。在传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围,而sink节点的发射能力较强,具有较高的电能,可以把数据发回遮稷控制节点[18]【19】【20】。豳2.2一个典型的传感器网络体系结构2.{。2无线黄惑鼗鬻络苇轰分类目前实用化的传感器网络节点不多,其开发原型往往都是美国国家支持项目的附属产品,阐内出现的传感器节点很多也是以这必原型为基础开发出来的。下面简要介绍国外在传感器网络研究中比较常用的传感器节点原型。1.Mica系列节点艇ie8系魏繁点楚翔鲻大学整克翻分校磺裁赘建予蕊戆器题终骚变鹣演零帮测试平台的试黢节点。该平台的软件和硬件设计都燎公歼的,目前已经成为研究传感器网络的主流试验平台[21]【22】。Mica系列节点包括Mica、Mica2、Mica2dot、Micaz辞,这些节点已经由美国crossbow公司批量生产,并在全世界范围内销售【231。Mica系列节点谯疆{孛土通常由两个模块组藏,一个摸块是运算窝通信乎螽,是一个模块是棱西南交通大学硕士研究生学位论文 第8页感器平台。两者之前通过自定义接口插槽进行连接。这种统一定义的接口可以使不同的通信平台和不同的传感器平台之间实现自由组合。就计算与通信平台而言,Mica系列采用的处理器都是Atmel公司的产品,前三款节点的无线模块采用了挪威chipcon公司的CClooO芯片,Micaz采用了ClliDcon公司的CC2420芯片,如图23所示[24】。因为Mica系列节点开发较早,在研究领域应用广泛,所以很多传感器板与Mica系列节点兼容。Crossbow公司有丰富的与Mica系列节点兼容的传感器板产品,可以从公司网站的产品资料中下载阅读。图23 Mica系列传感器网络节点2.其他兼容节点基于Mica系列节点的原型,国外许多其他研究机构又开发出了许多其他传感器节点,如BTnodes,Imote,EYESIFx,下面进行一些简单的介绍。BTnodes是由瑞士联邦理工大学ETH开发的面向分布式自组网的软硬件原型系统。该项目受NCcRMIcs wG2资助【25】。BTnodes采用的处理器与Mica系列相同,无线模块也采用了挪威Chipcon公司的CClooO芯片,这样便于Mica系列的软件在BTnodes上进行移植。BTnodes一个比较突出的特点是在节点上增加了一块美国zEEvO公司生产的蓝牙芯片zv4002,节点可以实现支持蓝牙1.2规范的无线组网。BTnodes对Mica系列节点的软件平台内核进行了扩充,同时也有一套跟BTnodes配套的软件平台。Imote系列节斟”】是由美国Intel公司开发的传感器节点。Imote采用32位的高性能处理器ARM7TDMI,处理单元的计算能力远远超过AtIIlel公司西南交通大学硕士研究生学位论文 第9页的8位处理器。 和BTnodes一样,Imote系列节点也使用了ZEEVO公司的蓝牙芯片,支持蓝牙规范。Imote系列节点没有开发自己的软件平台,而是对Mica系列节点的软件平台内核进行了扩充,从而在该平台下开发可以在Imote系列节点上运行的无线传感器网络应用程序。EYEsIFx系列节点【27]是由德国Infineon半导体公司开发的传感器节点。EYESIFx采用TI公司的专门针对极低功耗应用的8位处理器MSP430,无线模块采用了Infineon的TDA5250。EYEsIFx系列节点既有自己的配套软件平台,同时也对Mica系列节点的软件平台内核进行了扩充,支持多种软件环境。从对现有节点的调查结果来看,MICA系列节点是目前传感器网络研究领域硬件平台的主流,主要是从研究角度出发,开源的TinyOs【28】软件平台对MIcA系列节点有很大的推动效应。但是就国内研究机构而言,首先,传感器网络的应用仍是一个需要研究的领域,不同应用对硬件平台的设计有不同的要求。硬件平台并不是以MIcA系列节点为标准。开发低成本、高性能、高集成度的微型传感器节点仍是传感器网络研究领域一个很有挑战性的课题。其次MIcA系列节点的价格昂贵,不宜于在各高校和研究机构普及推广。所以有其他系列的节点出现,中科院计算所结合自身的技术背景,开发了面向传感器网络的低功耗处理器LPP和兼容MICA系列的GAⅢS系列节点[29】,本文的研究工作就是在GAINS系列节点上展开的。2.2无线传感器网络软件平台概述wSN是一种分布式的自组织网络计算机系统,它由大量廉价的、能量有限的多功能微型传感器节点组成。由于WSN的特殊性,导致其对操作系统的需求相对于传统的操作系统有较大差异。因此,需要针对wsN的特点,研究和设计面向wSN的操作系统wSNOS和相关软件。。同其它操作系统一样,wsN0s是为了提高软件的重用性、降低应用开发的难度,它应该提供物理设备的抽象和高协调性的通用函数实现。其独特性在于资源极端受限处理器速度、存储器大小、内存大小、通讯带宽、资源数量以及电源受限、设备的特殊性和缺乏一致的抽象层次。因此,wsN0s的设计目标是高效地使用传感器节点的有限资源,且能够对各种特定应用提供最大的支持。其设计策略应该是一个资源库,从中抽取一部分组成应用。在西南交通大学硕士研究生学位论文 第10页面向wsN的操作系统支持下,利用有限资源对整体系统进行高效率的事件处理、能源管理、命令处理和工作描述。此外,在传感器网络中,单个传感器节点有两个突出特点一是它的并发性很密集,即可能存在多个需要同时执行的逻辑控制,需要操作系统能够有效地满足这种发生频率、并发程度很高、执行过程比较短的逻辑控制流程;另外,传感器节点的模块化程度很高,要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制,且在保证不影响整体开销的前提下,应用程序的各个部分能够比较方便地进行重新组合。在wSNOS的研究上,许多大学、研究机构或商业组织都参与其中。到目前为止,已经开发出一些面向WSN的操作系统,例如针对AtMegal28设计的、非抢占多线程、支持动态堆栈分配的Nu“OS。“,支持BTnodes系列节点;基于事件驱动的PEEROS”“,支持EYEsIFx系列节点。但使用最广泛的当属加州大学伯利克分校倚托sm越dust””项目开发出来的TinyOS。据统计,世界上有超过500家公司或研究机构在使用Tinyos进行学术研究或商业开发。这一方面是由于其开源,已被成功移植到很多硬件平台上,使用上比较成熟;另一方面,还因为它有~个活跃的开发团体。本文主要以TinyOs为研究对象来展开工作。TinyOS是专为无线传感器网络设计的轻量级、低功耗的嵌入式操作系统。它采用基于组件的架构方式,以快速实现各种应用。TinyOS的编程语言为nesC。“,其程序采用模块化设计,这使得它能适应硬件的多样性,允许应用程序重用一般的软件服务与抽象。目前,它已经被成功的应用到多种硬件平台上,具有很高的应用价值和研究意义。“。2.2.1 Ti nyOs总体架构和特点分析TinyOS采用基于组件的编程模型,应用程序由一个或多个组件构成。组件包括两类模块module和配置con丘guration,组件间通过配置文件连接在一起,形成一个可执行程序。组件提供或使用接口,这些接口是双向的并且是访问组件的唯一途径。每个接口都定义了一系列函数,包括命令comm姐d1和事件evem两类。对于命令,接口的提供者必须实现它;而对于事件,接口的使用者必须提供实现。组件的功能模块如图2.4所示,它包括一组命令处理函数、一组事件处理函数、一组任务集合和一个描述状态信息和固定数据结构的框架13”。除了wsNOS提供的处理器初始化、系统调度和C运行时库c
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