wsn中基于geocast的能量感知路由.doc

太原理工大学硕士研究生学位论文 分类号 密级太原理工大学硕 士 学 位 论 文题 目 WSN中基于位置辅助多播的能量感知路由英文并列题目 Energy-aware routing based on geocast in wsn研 究 生 姓 名： 樊雷松 学 号： 2011510367 专 业： 计算机科学与技术 研 究 方 向： 无线传感网 导 师 姓 名： 强彦 职 称： 副教授 学位授予单位：太原理工大学论文提交日期_2014/04_地 址：_山西太原_太 原 理 工 大 学声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它子复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。签 名： 日期： 导师签名： 日期： WSN中基于位置辅助多播的能量感知路由摘 要在第三次信息革命中，物联网扮演着重要的地位。它的产业链可以细分为标识、感知、处理和信息传送四个环节，每个环节的关键技术有RFID、传感器、智能芯片和无线传感网络。本文针对无线传感网中的路由算法进行了研究，改进了DD算法，提出了一种基于位置辅助多播的能量感知路由。论文中介绍了基于位置辅助多播的能量感知路由的四个元素：能量兴趣、数据信息、能量梯度和路径加固。能量兴趣信息是一个查询，它包含两方面的信息：一个是用户需要什么，另一个是附近节点的能量值；数据信息描述了一个传感器事件，它由属性和值两个元组组成；能量梯度是一个转发状态，它根据邻居节点的能量标示了数据的转发方向；路径加固是确认最后转播数据所使用的路径的过程。与传统的定向WSN算法不同的是，兴趣信息带着源节点的能量信息。因此，当中介节点接受到兴趣，他们存储这些信息到缓存中为路径探索做好准备。在路径探索阶段，每个中间节点根据区域概率决定了是否转发探索数据，在网络中不出现死区的前提下，尽可能多的做到网络负载均衡，从而减少网络能耗。作者在开源的contiki嵌入式系统上实现了基于位置辅助多播的能量感知路由，通过模拟平台cooja的辅助，对网络的生命周期进行评估。实验使了1200个micaZ节点组成无线网络，分别对定向扩散路由算法、最小开销转发路由算法、LEACH路由算法和基于位置辅助多播的能量感知路由算法进行了评估。最后，表明在能耗的效率方面和网络的稳定方面，基于位置辅助多播的能量感知路由都是非常出色的。关键词：物联网，WSN，定向扩散，contiki，cooja，micaZIIENERGY-AWARE ROUTING BASED ON GEOCAST IN WSNABSTRACTIn the third information revolution, networking plays an important role. Its industrial chain covers identity, perception, processing and transmission of information, whoes key technology consist of RFID, sensors, smart chips and wireless sensor networks. In this paper, the wireless sensor network routing algorithm is studied, energy-aware routing based on geocast in wsn is proposed.The paper introduces the four elements of energy-aware routing based on geocast: interests of energy; data; gradient of energy and path reinforcement. Interests of energy is a query that contains two part of information: one is what you need, and the other is the value energy; data describes a sensor event, which is a tuple of attributes and values; energy gradient a forwarding state, which indicated by the forwarding direction of data according to the energy of the neighbor node; reinforcement is the path of the last verification process used by the data broadcast.Distinct from conventional router algorithm, the information of interest contain with the energy of source node. Therefore, when the intermediate node receives interest, they store the information in the cache, which is ready for the route search. In the route searching phase, each intermediate node determines whether to forward data based probability of the area. When there are no dead zones distinct from the network, make network load balancing as much as possible . By this way, we can reduce energy consumption.On the open source embedded systems - contiki, we implementation algorithm of energy-aware routing based on geocast , and with the auxiliary of simulation platform to make an evaluation of the network life cycle assessment. The wireless network of experiment consistent of 1200 micaZ nodes, which be respectively configured by directed diffusion algorithm, the Two-Tier Data Dissemination (TTDD), LEACH routing algorithm and Geographic Adaptive Fidelity (GAF). Finally, the experiment show that stability and energy efficiency and in the network of energy-aware routing based on geocast is excellent.KEY WORDS： Internet of Things, WSN, directed diffusion algorithm, contiki，cooja，micaVI目 录第一章 绪 论11.1 课题背景及意义11.2 本文研究内容及创新点2第二章 无线传感网的架构32.1 物联网32.2.1 物联网的发展背景42.2.2 物联网的本质和基本特征42.2.3 物联网的应用举例62.3无线传感操作系统72.3.1无线传感操作系统的介绍72.3.2无线传感操作系统的模型82.3.3 常见的无线传感操作系统92.4无线传感网络架构122.4.1无线通信的必备条件122.4.2无线网络节点的设计132.4.3无线网络架构的优势14第三章 路由算法设计163.1设计路由的挑战163.2典型的路由介绍与分析183.2.1扁平路由协议183.2.2分层的路由协议223.2.3基于位置的路由协议253.3 基于位置辅助多播的能量感知路由263.3.1算法过程263.3.2算法调优29第四章 ContikiOS下的算法实现314.1 ContikiOS的特点314.2 Contiki开发环境搭建334.3路由的实现344.3.1 能量兴趣的数据结构344.3.2 兴趣泛洪事件354.3.2 路径探索事件发送374.3.2 路径加强38第五章 应用Cooja模拟器仿真415.1 Cooja设计模式415.2 Cooja TimeLine425.3 Cooja 提供的接口435.4 Cooja 仿真过程455.4.1 给网络添加节点465.4.2 开始模拟475.5 Cooja 仿真数据分析48第六章 总结与展望516.1总结516.2展望51参考文献52致 谢.57攻读研究生期间取得的成果59第一章 绪 论1.1 课题背景及意义物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它将引领“第三次信息产业浪潮”，它不是对现有技术的颠覆性革命，而是通过对现有技术的综合运用，从而实现全新的商业模式。智能感知、云计算和大数据是其关键技术。目前，我国物联网在安防、电力、交通、物流、医疗、环保等领域已经得到应用，且应用模式正日趋成熟1 2。物联网技术已经成熟，在我们的生活中所扮演的角色越来越重要作用，也带来了很多便利。事实上，廉价的传感器技术、无线通信的快速的进步，在成本和效益上，为大规模无线传感器网络的设计和开发提供了前提条件。并且带来了广泛的应用，包括民用、自然、工业和军事上的应用，还有健康和环境监测、地震监测、工业过程自动化和战场监视。物联网的交互应用，将会有不可估计的经济价值和市场潜力。随着传感技术、通信技术、嵌入式技术的发展、无线传感网的研究迅速成为热点。无线传感网络的简单部署、低功耗和自组织等能力，使得它成为一项有效收集数据的技术并运用于一些特定的条件下，比如：远程地理信息系统、有毒气体监控和森林火灾监测等 。与传统网络相比较，无线传感网的主要优点是：节点的数量多、监控范围广、网络自动配置、自动识别节点、具有很强的协作性。然而，随着传感器范围额扩大和传感任务的动态变化，无线传感网的性能更依赖于路由算法。许多新的路由算法被提出来。这些算法不仅考虑了WSN自身的特性，而且适应了特定的应用环境和架构需求。由于能量的限制和节点状态的突然改变，WSN中路由的发现和维护是不容易的。一些典型的路由策略被提出来，比如数据聚合，网内处理，簇，数据为中心的方法。纷繁复杂的路由协议能被分成扁平路由协议、分层路由协议、和基于位置的路由协议，也可以分成多路径路由协议、基于查询的路由协议、基于Qos的路由协议。在扁平路由网络中，所有的节点扮演着相同的角色，而在分层路由网络中，节点被分成簇，根据簇首做一些聚合，可以减少网络中的数据以节省能量。基于位置的协议利用节点的位置信息去传播数据。本论文中我们将讨论这些技术，我们的目的是为以后更加深入的研究做一个抛砖引玉的作用3 4。虽然WSN的路由算法不计其数，可是它自身的几个限制，比如：有限的电量，有限的计算能力，和有限的带宽。WSN路由的一个主要设计目标是，在尽可能的延长网络生命周期的情况下，传播信息。路由的设计要考虑到以下这些因素：节点发布、能量损耗、数据通告模型和故障容忍等。本文结合了能量感知路由算法和位置辅助算法的特点，提出了自己的设计思路。1.2 本文研究内容及创新点本文提出了基于位置辅助多播的能量感知路由。在定向泛洪路由的基础上，以不出现死区的前提下，减少了节点给邻居广播信息的数量。同时，加入了能量感知的技术，平衡了节点的生命周期长度。并在开源的Contiki嵌入式系统上实现了这一算法，通过模拟平台Cooja的辅助，测试了网络中数据的延迟情况，计算了网络死区的出现概率，对网络的生命周期进行评估。将为新一代的WSN技术革新画上举足轻重的一笔。文中各章节具体安排如下：（1）阐述物联网背景下无线传感网的背景及意义，并指出应用价值和市场前景。（2）描述了几种典型的物联网技术的应用，介绍了在无线领域嵌入式系统的发展状况，分析了常见的嵌入式系统，指出了这一领域的挑战。（3）详细介绍基于位置辅助多播的能量感知路由，阐述其兴趣泛洪阶段、能量梯度的建立阶段、路径探索阶段和路径重建的具体细节，同时介绍算法中区域概率的计算和本地区域的划定（4）详细介绍Contiki实现基于位置辅助多播的能量感知路由的过程，安装Contiki系统到Linux下，编译Contiki程序，对其进行硬件节点的仿真配置。（5）描述了如何利用第四章中Contiki实现的算法，搭载到Cooja平台上，模拟网络环境。展示了如何通过编程获取节点的各种参数。（6）总结本文的研究工作，同时指出今后研究的目标和方向。2第二章 无线传感网的架构2.1 物联网物联网（ IOT）中，一个场景、物体、动物或人都被提供了唯一的标识符，具有自动传输数据能力的人与物体可以交互。物联网从无线技术，微机电系统（MEMS ）和因特网的会聚演变而来。物联网，可以是一个人与一个植入他体内的心脏监视器，农场动物应用的生物芯片转发器，汽车中安装的用于提醒驾驶员的内置传感器，或任何其他自然界的可以分配IP地址设置并且具有通过网络传输数据的能力的人造物体。到目前为止，物联网由于其机器对机器（M2M）通信的能力，已经在制造业，电力，石油和天然气等公用事业大规模的应用。麻省理工学院的执行董事凯文阿什顿，首先在介绍宝洁公司的时候提到物联网。以下是阿什顿如何解释物联网的潜力：“人有有限的时间，精力和准确性，所有这一切意味着他们不是很善于捕捉现实世界中的数据。如果我们有计算机知道一切事情，并且使用它们收集的数据帮助我们做那些没有预测到的事情，那么我们将能够跟踪和计数的一切物体，大大减少浪费，损失和成本。”物联网可以让我们在信息与通信技术领域里获得一个新的沟通维度，如图2-1所示6 7。图2-1 物联网中的连接维度Fig.2-1 Connecting dimensions in the Internet of things2.2.1 物联网的发展背景2003年，传感器网络技术被美国技术评论列为未来改变人们生活方式的十大技术之首。2005年11月，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）在ITU互联网报告2005：物联网，,报告指出:无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。 2008年，为了促进科技发展，寻找经济新的增长点，各国政府开始重视下一代的技术规划，将目光放在了物联网上8 9。2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。当年，美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点10。2010年10月，国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定将物联网技术纳入发展规划。2011年3月，物联网技术被列入了国家十二五重点专项规划。2012年2月，工信部颁布中国的第一个物联网五年规划物联网“十二五”发展规划。同时，大学生创建中国物联网技术高校联盟（现更名为“中国物联网校企联盟”），以此促进中国物联网技术的学习与发展。2013年物联网产业规模将达8000亿元，2020年中国物联网规模将超过5万亿。 2014物联网发展重点敲定 产业专项投资将超百亿, 据要求，今年在物联网发展方面的重点包括：着力突破核心芯片、智能传感器等一批核心关键技术；着力在多个领域开展物联网应用示范和规模化应用；统筹物联网产业链协调健康发展11。 2.2.2 物联网的本质和基本特征从物联网本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用。将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物能智慧对话，创造一个智慧的世界。因为物联网技术的发展几乎涉及到了信息技术的方方面面，是一种聚合行、系统性的创新应用与发展，才被称为是信息技术的第三次革命性创新。物联网的本质概括起来，我们认为主要体现在三个方面：一是互联网特征，即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络;二是识别与通信特征：即纳入联网的“物”一定要具备自动识别与物物通信(M2M)的功能;三是智能化特征：即网络系统应该具有自动化、自我反馈与智能控制的特点12 13。物联网有四个关键性的应用技术：RFID(RadioFrequencyIdentification)，传感器，智能嵌入技术以及纳米技术。射频识别(RFID)技术是物联网中非常重要的一项技术，是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，也是目前比较先进的一种非接触识别技术。以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势14 15。物联网产业在我国处于刚刚起步的阶段，RFID技术与应用已有5、6年的时间了。而RFID正是能够让物品“开口说话”的一种技术。在“物联网”的构想中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。作为物联网的核心基础之一，RFID产业能否健康发展将直接关系到物联网建设的成败。此外，与传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征：首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式16 17。2.2.3 物联网的应用举例物联网对教育，金融，交通的影响将是无穷尽的。早在1999年著名的科幻作家Neil Gross说过“在下个世纪，地球将穿上一个电子皮肤。 它将利用互联网作为支架来支持和传送它的感觉。”如果经过科学家的努力这些就能成为现实18 19。 (1)传感和连接，BodyGuardian远程监控系统，该系统用于监控病人，它具有一个非侵入性，耐磨人体感应器，使医生能够监测病人的生理数据，随时随地的知道病人的情况。同时，它是一种移动灵活的心脏监测技术，使医生能够监测病危人员的数据，并有助于保持病人及其医疗团队之间的持续连接。 患者佩戴BodyGuardian控制单元，一个高度便携，轻巧耐磨，无线人体感应器。绷带状的补丁携带一个小电池供电的监控传感器，病人有完全的流动性，使患者去他们的正常生活不受任何限制。医生和临床医生可以通过网络或一台iPad随时随地安全地访问病人的数据和审查提示。另外，医生可以针对病人，允许个性化的跟踪和护理，支持个性化的警报阈值20 21。(2) 远程监控和管理您的家庭和减少您的每月帐单和资源使用情况。智能家具设备，让您即刻开启和关闭任何来自世界各地的，或者只是你的客厅插入式的电器。通过消除待机功耗节约能源，测量并记录任何设备的用电量，并通过更有效地利用和调度增加电器的使用寿命22。 (3) 优化运营，提高生产效率，节省资源和成本。当建造建筑的时候，将一个嵌入式数据采集器融入建筑的混凝土内,这样的思想是SmartPile EDC结构的设计初衷。SmartPile传感器用于测试固化、运输和安装期间的混凝土的质量。超坚固耐用的无线传感器被浇注并固化到建筑中，使用微小震动提供的电能，它们能检测建筑的质量。该SmartPile EDC进行数据收集汇总，并传播数据给在现场处理的智能结构工作站。由于这个过程是自动的，它能让混凝土检查过程中节省时间。SmartPile传感器使用的了微型震动供电设备，可以持续长达五年的运作。这使得建筑工程从节约成本和安全施工得到了有效的保障23。(4)更好的管理措施。Open Source Lion Tracking Collars项目旨在建立一个开放源码的野生动物追踪项圈系统，以帮助自然资源保护子生活在肯尼亚南部的最后2000狮野。该系统由两部分组成：一个跟踪项圈，它利用了GPS/ GSM模块进行定位和追踪野生动物。研究人员和马赛牧民通过短信知道狮子的具体位置。这个项目的另一个亮点是其所涉及的技术的在线文档都是公开的。该项目是让人与动物更和谐的共同生活，目前专门着眼于野生动物保护，以减少狮子捕食家畜的造成的经济损失24。(5) 记录微小的能量变化，AirCasting是一款记录你的健康和环境数据的智能手机平台。每个AirCasting会话可以让你捕捉环境信息，发布关于你自己的故事，并通过CrowdMap分享。 使用AirCasting Android应用程序，AirCasters可以记录自己的手机话筒声音水平，温度，湿度，一氧化碳（CO）和二氧化氮（NO 2）记录的人体心率，呼吸频率，活动水平。用AirCasting CEO的话说就是“这真是一个奇妙的旅程” 25 26。2.3无线传感操作系统本节介绍了在无线领域嵌入式系统的发展状况，分析了常见的嵌入式系统，指出了这一领域的挑战。首先介绍了无线传感器嵌入式系统的关键作用和在无线传感网络中所扮演的角色。然后，呈现了嵌入式开源系统的特征，解释了：“为什么将嵌入式开源系统（EOSS）应用于无线传感器网络，为什么现有的一些嵌入式系统不是我们的选择。”嵌入式开源系统（EOSS）设计和架构比较独特，本节将在比较和讨论的过程中剖析它们，并对重要的设计问题进行了介绍，给出了支持的实例。在本节的结尾读者应该明白相关的EOS对无线传感器网络的性能的影响，不同的平台和他们背后的设计问题，同时了解为何使用Contiki这一开源的系统实现路由算法。2.3.1无线传感操作系统的介绍嵌入式系统是完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。反过来讲封装在设备内部的电脑需要一个操作系统来管理其资源，比如内存和能量。一个操作系统，它管理一个嵌式系统称为EOSS 。EOSS通常被赋予了特定的功能。其使用范围的领域从工业机械到消费类电子产品。一些具体的例子是工业控制器，机器人，网络，移动电话和手持设备，计算器，军事火箭发射器，甚至航天器，所有这些都旨在执行一套独特的任务。这种专业化使EOS比通用操作系统（OS ）尺寸更小。这是由于EOS微控制器所造成的27 28。大多数情况下，由于每个操作码执行不同的任务并提供不同的硬件功能，单一操作系统无法管理各种嵌入式系统。因为有些系统需要实时操作和能源效率，其它系统可能需要安全性或低生产成本，所以EOSS诞生了，它是专为系统设计而考虑，。研究EOSS的领域越来越多，由于新的嵌入式的出现系统域，使他们更无处不在，无孔不入。一个新兴的领域形成了29 30。2.3.2无线传感操作系统的模型(1)事件驱动模型事件驱动的系统是基于一个非常简单的机制，在网络系统中有广泛的应用。这是因为事件驱动模型补充了网络设备的工作方式。一个事件驱动的系统由一个或多个事件处理程序组成。处理程序主要是等待一个事件发生，因此它们被设计成无限循环。一个事件可能是一个传感器被触发，一个包的到达，或者一个定时器的时间到期。每个事件都可以有一个指定处理程序等待它发生。当一个事件发生时，相关联的事件处理程序 要么启动相应处理该事件或添加事件后执行的缓冲区。 事件从一个FIFO方式的缓冲区中删除。如果有更高优先级的事件发生时，这个模型中的任务可以被抢占31 32。这种设计使其编程思想类似与nodejs语言中的的回调函数，巧合的是nodejs是事件驱动的阻塞式的编程。图2-2显示了事件驱动的系统的执行模型。图2-2 事件驱动模型Fig.2-2 The event driven model(2)线程驱动模型线程驱动模型是一种基于流程的模型。进程在CPU上的运行看似并行的方式，即每个进程被赋予一定的资源，也就是CPU的使用时间。当资源耗尽，这个进程所使用的资源被抢占，另一个进程进入CPU开始工作。在实践过程中，抢占的方式在线程驱动系统不是唯一的解决方式。我们可以使用CPU共享的方式提供虚拟的CPU，而不是一个CPU。主线程驱动系统的主要部分叫做系统的核。内核提供的所有的系统服务，如应用程序所需的资源分配。分配资源的调度器是系统的主控制器，它是建立在内核中。它决定何时运行进程中，何时抢占进程。图2-3显示了线程驱动模型系统33 34。图2-3 线程驱动模型Fig.2-3 The thread driven model2.3.3 常见的无线传感操作系统(1)TinyOS为了解决无线传感器网络的资源约束，TinyOS采用事件驱动方式为模型，它是目前流行的标准无线传感器网络操作系统。 TinyOS的内存被设计的非常小，其中核心操作系统可以容纳不到200个字节的内存。 TinyOS为了减少对堆栈的使用，它允许一个CPU时间片内只能有一个事件运行，这就是事件驱动的核心思想。另一个事实是，它消除了不必要的线程之间的上下文切换，这种切换造成了能量的低利用率。 TinyOS是由一组可重用的系统组件和一个节能调度策略构成，因此它没有内核。每个组件是由四个部分组成，命令、事件处理程序、任务包和一个固定大小存储空间。命令和事件必须预定义组件支持提高模块化。因为要将组件组织起来，所以需要明确组件间的协议，例如：接线（wiring）和绑定（binding）等都是TinyOS的组件间定义的协议。TinyOS的组件是由命令、事件、任务和帧组成的35 36。（2）MOSMOS（Management Operating System）是无线传感器网络领域的第一个线程驱动的操作系统。它的开发者相信线程驱动模型最好的适合WSN的高并发的需求。这种设计模式消除了有界缓冲区“生产者与消费者”问题。 MOS线程设计是为适应复杂的网络传感器任务。例如在无线传感器网络中，某些节点必须执行安全的加密算法。在一个系统中，只允许短的任务，其他时间敏感的任务可能不被执行。 相比事件驱动EOSS即实时操作，MOS提供了一个独特的特点。实时操作允许对时间敏感的任务在其指定的期限内执行，因此是更加可预测。线程驱动系统被认为内存占用量大，以使它们在无线传感器网络中作用不大，但是MOS的开发人员能够缩小一个经典的线程驱动的操作系统以至于它适合500字节的RAM。MOS架构是一个传统的分层架构37 38。图2-4显示了MOS的架构。 图2-4 MOS系统的框架Fig.2-4 MOS system framework（3）RETOSRETOS系统它被设计时考虑四个目标：提供线程驱动，高度容错的应用程序，动态重构和网络安全。RETOS的独特之处是用来切割能源消耗和空间占用的优化技术。 RETOS开发者使用一种简单的编程模型，从而选择了线程驱动模型。然而，他们也相信这个模型可以得到须优化，以用于无线传感网。RETOS通过两种双模式操作和应用程序代码检查技术提供了系统的鲁棒性。双模式操作提供内核和用户执行逻辑的分离。应用程序代码检查提供了静态分析，编译后的代码能动态检查运行时的行为。双模式操作是通过切换用户协议栈到内核堆栈实现的，也可以通过实时查看线程的状态来实现。应用程序代码检查可以防止应用程序从它的外边界直接访问硬件内存。为了减少RETOS的内存分片，它使用两种技术：单内核堆栈和堆栈大小的分析。在一个线程驱动的系统中，每个线程都需要一个用户和内核堆栈。在RETOS内核栈减少到一个共享的内核堆栈。这意味着，不允许内核级的抢占发生。然而存储器Catche命中显著降低。堆栈大小分析被用于确定对于每个堆栈的存储器定量。这些因素使得RETOS系统在实时的性能方面也非常优秀39 40。（4）ContikiContiki有一个类似事件驱动的内核，并且它提供了用于处理进程的优化线程。Contiki系统包括一个内核，库程序和用于加载进程的加载器。它不提供一个硬件抽象层。相反，它允许设备驱动程序和应用程序直接与硬件通信。内核包含一个基于优先级策略的调度器。通过每次发生事件时调度相应的事件处理程序，调度器调度事件到运行。调度还不断轮询调度处理。这些都是处理程序不断轮询的事件。轮询处理程序通常驱动硬件和轮询硬件更新。过程通信是通过发送事件的完成，总是通过内核。内核支持两种类型的事件：同步和异步。同步要求事件处理程序立即运行，并须完成运行。异步是不同的计算形式，因此它们可以在以后的时间被调度。不同于以往的操作系统，电源管理不被调度器控制。在Contiki系统中 ，电能管理是留给应用程序的。Contiki事件队列的尺寸留给了程序员。程序员可以使用它来确定何时该系统可以进入休眠模式。TinyOS的编程语言是NesC而Contiki的编程语言是C，进程是应用程序或服务。服务是实现功能的程序，一个服务也可以被令一个进程使用。多个应用程序可以使用相同的服务。服务和应用程序可以在运行时替换使用的Contiki 的程序加载器。通信协议栈就是Contiki服务的一个例子。由于服务是可更换的，我们可以在运行时改变路由协议。服务由服务层管理。服务层监视运行的服务，并且可以被用来找到可用的服务。每个服务都有一个接口，指示它的id 。应用程序使用这些服务过链接存根库的函数。而根库使用服务层发现服务进程。一旦该服务运行，它的ID被缓存，否则请求中止。服务也可以使用相同的机制调用其他服务。图2-4显示了通信栈利用动态加载的方法分成两个不同的服务41 42。图2-5 Contiki系统的框架Fig.2-5 Contikisystem framework2.4无线传感网络架构2.4.1无线通信的必备条件建立一个低功耗无线网络是一个挑战，构建一个多跳的网络框架是无线通信的必备条件。本节的重点是探索这一通用的架构，解决无线传感器网络的需求。这个架构被设计为具有通信子系统，允许其根据具体应用灵活优化通信协议，而同时获得高带宽和效率。我们首先描述与通过无线链路通信相关联的基本操作。这暴露了一些核心的设计挑战，包括无线传感器网络并发的性质。为了解决一系列的核心挑战，我们提出开发一个通用架构的无线传感器节点。2.4.2无线网络节点的设计无线设备，如手机， 802.11无线网卡和蓝牙功能的设备都通过一个专用的协议处理器来解决并发性和解耦问题。应用程序和协议级处理可以并行进行，因为他们在不同的物理硬件上运行。协议处理器实时的处理调制和解调的无线电信道，将编码数据进行传输。它处理格式化的分组的原始数据流细，处理器可以轻松的处理这些数据流。例如，蓝牙接口（HCI ）的主机频道通过UART提供了一个高层次的分组接口43 44。该接口将数据包同步，信道编码和媒体访问控制（MAC）协议都封装起来，应用程序只需要调用它们即可。协议处理器的速度被设置，以满足所需的通信协议的规定45 46。专用通讯协议处理器只是传统设计问题中的一部分。此外，低效的芯片到芯片的通信机制也是它的一个缺点。最后，使用专用的协议处理器导致低效的资源利用率。目前的sky、micaZ等无线网络节点使用基于资源池的架构，这样就能动态的分配节点的资源。它们都应用了专用硬件加速器来高速处理数据解决性能和效率的问题，图2-6显示了硬件的架构图2-6 节点的硬件结构Fig.2-6 The hardware structure of the node架构的核心是处理模块，它被协议理模块和功能模块分时的利用。处理模块支持良好的并发性，它支持多任务的切换。这个运算模块包含多个寄存器，这样CPU就能快速的在进程之间进行切换。运算模块的另一个特别之处就是它同一个共享区域互连。内存、I/O端口、数模转换器和硬件加速器也是与共享区域互连的。这样数据就能在处理器和协议模块、功能模块之间快速的传输。协议模块与功能模块之间的数据传输不需要通过CPU，功能模块的数据可直接给协议模块，这样处理模块只是策划了数据的流向而不需要自己处理数据。硬件加速器是这个模块的真正强大的所在，多个加速器分别实现通信协议的基元，然后通过软件配置就能使用多种通信协议。硬件加速器支持优化通信的射频电量、快速的加密解密数据、数据的认证47 48。