无线传感网节点软件技术介绍

无线传感器网络的网络体系结构，也可以称为传感器网络的结构组成，如图1-2所示。

无线传感器网络系统通常包括传感器节点（Sensor Node），Sink网关节点（Sink Node）和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域（Sensor Field）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测到的数据经过多跳路由到达Sink网关节点，再利用互联网或卫星等传输到管理节点，最后用户通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

图1-2 无线传感器网络的体系结构

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，在不同应用中传感器节点的结构也不尽相同，但一般都由数据采集单元、数据处理单元、数据存储单元、数据传输单元、电源和嵌入式操作系统等部分组成，如图1-3所示。其主要特点介绍如下。

1）节点的设计面向应用，不同的应用领域对数据采集、处理、发送的要求有很大的差别，所以对传感节点的要求也不尽相同。比如，环境污染监测系统和智能仓库系统在网络拓扑结构、通信模型、数据传送模型等方面都有很大的区别。所以，传感节点的设计必须与应用领域密切结合。

2）节点的资源受限，具体表现在电池能源有限、计算及存储能力低、通信能力差等方面。由于节点都趋于微型化，因此必然导致节点所带电池的容量受到很大的限制，所以节点的节能设计是关键；节点的低成本导致了其处理和存储能力的不足；而节点的通信速度则很大程度上受到了无线通信带宽的影响。

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图1-3 无线传感器网络节点的基本组成

传感器节点的设计与实现包括硬件技术和软件技术两个方面。无线传感器网络节点软件实现技术与硬件平台密切相关，要充分利用硬件平台的处理能力，以尽量小的处理（能量）开销实现节点功能。相对于硬件技术而言，软件开发与实现更具有特色，本书将重点介绍无线传感器网络节点的软件实现技术。

无线传感器网络节点上软件应实现的功能主要包括：采集并处理传感器数据、组网通信（完成数据的传输或转发）、网内数据处理、全网时间同步、节点定位及支持上述功能的操作系统内核（管理硬件、多个并发执行任务的调度与同步）等。对于不同的无线传感器网络应用领域，某些软件功能可能不同，即便某些软件功能相同，其具体实现也可能不同。另外，无线传感器网络节点上通常没有用户接口部分。

无线传感器网络节点的软件部分包括嵌入式操作系统和应用，其中嵌入式操作系统是软件的重要组成部分，负责管理硬件与传感器、调度与同步、组网通信等，为应用及软件中间件提供安全的硬件资源和方便的硬件抽象描述，支撑应用软件的研发。图1-4给出了比较常用的无线传感器网络的软件功能体系结构示意图。

图1-4 无线传感器网络节点软件功能体系结构

在无线传感器网络节点上实现软件功能时，要充分考虑无线传感器网络的能量有限、计算能力有限、网络节点数量庞大、分布范围广、网络动态性强以及网络数据量大等特点。嵌入式操作系统是无线传感器网络节点软件中最重要的组成部分，从很大程度上来讲，整个无线传感器网络节点的软件开发都是围绕着嵌入式操作系统来进行的。目前，几种典型的应用于无线传感器网络的操作系统包括：美国加利福尼亚大学伯克利分校研发的TinyOS（Tiny Micro Threading Operating System）、美国科罗拉多大学开发的MOS（MANTIS OS）等，也有研究者试图将传统的嵌入式操作系统如µCOS、µClinux进行改进并应用于无线传感器网络。目前，研究和应用比较多的是TinyOS。TinyOS具有微型化、支持轻量级并发操作、灵活、低功耗等优点，已经被世界上成千上万的研发人员所采纳。