無線傳感器網絡實時性研究.pdf

1、無線傳感器網絡是21世紀備受關注的研究熱點之一，已廣泛應用于軍事國防、醫(yī)療護理、城市管理、地震監(jiān)測、設備監(jiān)測、建筑物結構監(jiān)測等明顯帶有實時性需求的領域。
　　 本課題來源于風機設備健康監(jiān)測、地震監(jiān)測和輸油管道泄漏監(jiān)測三大無線傳感器網絡應用領域。由多個無線傳感器節(jié)點實時采樣各種振動信息后，通過自組織無線多跳的方式轉發(fā)給中心基站節(jié)點，最終將信息傳輸給服務器處理，從而診斷風機故障源、地震P波及輸油管的事故發(fā)生點。每次采樣都需要多個無線

2、傳感器節(jié)點達到高精度的時間同步，含故障信息的振動波具有稍縱即逝、不可再現(xiàn)的特性，因此對無線傳感器網絡的實時性提出較高要求。
　　 目前，為了提高無線傳感器網絡的實時性，主要從五個方面考慮即無線傳感器硬件平臺、操作系統(tǒng)、程序設計語言、通信協(xié)議和時間同步算法。本文主要是從無線傳感器網絡專用實時操作系統(tǒng)層面進行研究，結合風機健康診斷、地震和輸油管道泄漏監(jiān)測等三種應用需求，對無線傳感器網絡實時操作系統(tǒng)的體系結構和內核相關服務如任務管理、

3、任務間通信與同步機制、內存管理、調度機制、中斷管理、能量管理、時間管理等進行了全面深入的分析和研究，構建了一個適合強實時監(jiān)測系統(tǒng)的操作系統(tǒng)模型。
　　 由國外開發(fā)的運用于無線傳感器網絡的小型商業(yè)操作系統(tǒng)大都成本高、結構復雜、源代碼不公開，并不適合強實時監(jiān)測系統(tǒng)。而對于源碼公開的TinyOS、T-Kernel和μC/OS-Ⅱ。TinyOS是單任務內核，沒有搶占機制，實時性無法保證，而μC/OS-Ⅱ、T-Kernel雖然都是搶占式調

4、度但內存占用空間大，顯然都不適合。因此，急需引入實時性強、內存開銷又小的操作系統(tǒng)。
　　 關于操作系統(tǒng)體系構架設計問題，本文是通過分析嵌入式操作系統(tǒng)常用的幾種體系結構組成特點，為達到高效、簡單、靈活、安全的要求，在設計操作系統(tǒng)時選用了層次式體系結構，同時采用模塊化的設計方法。
　　 為達到強實時目標，本文重點研究了調度機制和中斷管理機制。強實時監(jiān)測系統(tǒng)任務可分為軟實時任務和強實時任務。為了使強實時任務能得到及時調度，同時

5、要兼顧到公平性原則，本文提出了一種混合式調度:軟實時任務采用時間片輪轉的調度算法，強實時任務是采用基于優(yōu)先級的搶占式調度。就目前這三種應用而言，強實時任務共有四個優(yōu)先級，按優(yōu)先級從高到低排列是能量狀態(tài)監(jiān)測任務、傳感采樣任務、射頻管理任務和MAC任務，并且強實時任務都有對應的中斷向量從而減少了任務切換次數(shù)，提高了系統(tǒng)實時性。
　　 針對中斷管理機制，因強實時監(jiān)測系統(tǒng)的中斷響應能力要快且穩(wěn)，因此為可屏蔽中斷建立了統(tǒng)一的中斷入口，同時