張　靜

(陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

基于支持無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)若干關(guān)鍵軟件技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)

張靜

(陜西國(guó)際商貿(mào)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器在結(jié)合了執(zhí)行、傳感和通信等功能后，在各行各業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。和傳統(tǒng)的通信設(shè)備相比，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器具有攜帶方便和耗能低等優(yōu)良特性，因此受到了人們的普遍歡迎。在結(jié)合了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器若干軟件技術(shù)后，研究和實(shí)現(xiàn)了基于支持無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)若干關(guān)鍵軟件技術(shù)的開發(fā)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器；γOS操作系統(tǒng)；若干關(guān)鍵軟件技術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)給人們的生活帶來(lái)了巨大的變化。目前，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，這種無(wú)線傳感設(shè)備可以進(jìn)入到人們無(wú)法進(jìn)入的環(huán)境中進(jìn)行工作，并可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作[1]；同時(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感設(shè)備還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)測(cè)，從而有效實(shí)現(xiàn)了以往不可能完成的目標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)得到了快速的發(fā)展。

1無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)研究

1.1集成化與微型化設(shè)計(jì)要求

在操作系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，大多數(shù)情況下提供的相關(guān)硬件設(shè)備都非常有限，因而在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)有效地實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)微型化，以滿足現(xiàn)階段對(duì)硬件設(shè)備的要求。微型化操作系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)還應(yīng)有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器相關(guān)硬件設(shè)備的具體要求，從而在硬件設(shè)備的物理層面上最大限度地實(shí)現(xiàn)物理控制的并行性分析。在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還應(yīng)滿足緊湊性的集成性設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)中的硬件和軟件能夠?qū)崿F(xiàn)模塊之間交叉性質(zhì)的結(jié)合，并為傳感、通信以及執(zhí)行這3種事件之間的集成化設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的可能性[2]。

1.2對(duì)操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用化要求

現(xiàn)階段，在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，由于受到設(shè)計(jì)資源的高度限制，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器在設(shè)計(jì)的過(guò)程中難以實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)通用化的設(shè)計(jì)要求；因此，在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)特定組件的集成設(shè)計(jì)要求，從而有效地實(shí)現(xiàn)組件設(shè)計(jì)的高度集成化。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，應(yīng)針對(duì)系統(tǒng)化的編程語(yǔ)言在組件設(shè)計(jì)中進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。

1.3對(duì)環(huán)境驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)要求

和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)要求不同，在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于無(wú)線傳感器常常被用在一些惡劣的環(huán)境中，因而其主要是應(yīng)用無(wú)線傳感器對(duì)環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和控制。針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)的特定設(shè)計(jì)要求，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意如下問(wèn)題：1)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)不是和人之間進(jìn)行相互驅(qū)動(dòng)，而是依據(jù)環(huán)境的因素來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器在大多數(shù)情況下都是由具體的事件來(lái)作為其驅(qū)動(dòng)的誘因，而且會(huì)依據(jù)環(huán)境的具體變化來(lái)做出具體的反應(yīng)；2)事件的達(dá)到以及針對(duì)事件的數(shù)據(jù)處理過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的，因而這就需要在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，找出一個(gè)恰當(dāng)?shù)姆椒◤亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)這一并發(fā)控制的需求，而這種并發(fā)控制的設(shè)計(jì)，大多數(shù)情況下很容易使系統(tǒng)中存在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的漏洞。

1.4對(duì)系統(tǒng)可靠性的設(shè)計(jì)要求

一些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于長(zhǎng)時(shí)間的使用，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳感器的部分零件發(fā)生損壞，例如：一些針對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在大多數(shù)情況下都是連續(xù)幾個(gè)月在無(wú)人的操作環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作；因而，有效地避免無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤，對(duì)數(shù)據(jù)采集工作來(lái)說(shuō)就變得非常重要[3]。同時(shí)，由于環(huán)境的不斷變化，而且在大多數(shù)情況下是一些非常惡劣的環(huán)境，很容易導(dǎo)致傳感器的節(jié)點(diǎn)受到相應(yīng)的干擾，從而使數(shù)據(jù)采集工作出現(xiàn)錯(cuò)誤。面對(duì)這樣的工作環(huán)境，這就要求在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分保證其系統(tǒng)的可靠性。

2無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1對(duì)組件實(shí)現(xiàn)功能化的設(shè)計(jì)

為了有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的通用性，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)通過(guò)組件功能化的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)這一需求的設(shè)計(jì)，其中功能化的組件設(shè)計(jì)主要是由硬件抽象組件、核心調(diào)動(dòng)組件、基本應(yīng)用組件和系統(tǒng)功能組件等相關(guān)的組件設(shè)計(jì)而成[4]。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)框架示意圖如圖1所示。

圖1　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)框架示意圖

硬件抽象化組件主要負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器中的基本硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的組件設(shè)計(jì)，其中還包括對(duì)系統(tǒng)中最底層的傳感、通信、執(zhí)行以及電源等設(shè)計(jì)進(jìn)行控制。硬件抽象化組件通過(guò)具體命令來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的信息處理工作。硬件抽象化組件對(duì)上層的具體功能以及在底層中有關(guān)硬件的具體細(xì)節(jié)進(jìn)行了有效地隔離，從而為操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能化設(shè)計(jì)提供了必要的硬件設(shè)計(jì)接口，也給實(shí)現(xiàn)硬件的平臺(tái)設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的獨(dú)立性。

系統(tǒng)化的功能組件還能有效地實(shí)現(xiàn)在操作系統(tǒng)中基本化功能的設(shè)計(jì)，其中具體包括對(duì)動(dòng)態(tài)化的電源管理的DPM有關(guān)組件的設(shè)計(jì)和對(duì)動(dòng)態(tài)化電壓調(diào)整中DVS有關(guān)組件的設(shè)計(jì)[5]。系統(tǒng)功能組件的設(shè)計(jì)有效地實(shí)現(xiàn)了為上層設(shè)計(jì)中的有關(guān)組件提供相應(yīng)的操作系統(tǒng)化的具體服務(wù)類接口，同時(shí)也可以依據(jù)不同的組合和裁剪形式設(shè)計(jì)出具體的功能，從而有效地提高了系統(tǒng)化功能平臺(tái)設(shè)計(jì)的靈活性。

基本應(yīng)用組件實(shí)現(xiàn)了對(duì)有關(guān)操作系統(tǒng)中接口的設(shè)計(jì)，其中包括傳感、通信以及執(zhí)行等功能化的組件的設(shè)計(jì)。在對(duì)傳感組件進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，針對(duì)傳感器的設(shè)備進(jìn)行了有效地控制，同時(shí)又相應(yīng)增加了對(duì)信息采集和處理的功能。

2.2自定義組件模型的設(shè)計(jì)

一個(gè)良好的組件模型是有效地實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感操作系統(tǒng)實(shí)施組件化功能所需的良好基礎(chǔ)。在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，面向?qū)ο蟮挠嘘P(guān)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量軟件編程的最好方式之一[6]，因而在對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)組件模型進(jìn)行研究的過(guò)程中，就充分考慮到了這一設(shè)計(jì)的思想，設(shè)計(jì)并研究出了目前在設(shè)計(jì)過(guò)程中較為流行的面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)的組件模型以及相應(yīng)的編程模式，而且通過(guò)對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)中的相關(guān)編程語(yǔ)言支持之后，有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)AntC這一編譯過(guò)程。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示例如圖2所示。

圖2　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的γOS操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示例

從圖2可以看出，γOS操作系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)是在參考了Java/C++語(yǔ)言結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，并充分利用標(biāo)簽來(lái)對(duì)內(nèi)部函數(shù)以及公有函數(shù)進(jìn)行區(qū)分的，還對(duì)“event”事件標(biāo)簽進(jìn)行了重新區(qū)分和定義，同時(shí)，γOS操作系統(tǒng)的組件模型設(shè)計(jì)還具有如下幾方面的特點(diǎn)。

1)通過(guò)對(duì)任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以有效地完成對(duì)有關(guān)組件功能的實(shí)現(xiàn)。γOS操作系統(tǒng)組件中的有關(guān)任何形式的靜態(tài)功能函數(shù)的設(shè)計(jì)都是一種對(duì)任務(wù)的設(shè)計(jì)，這也可以保證在γOS操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行的目的[7]。

2)γOS操作系統(tǒng)組件可以對(duì)外提供各種類型的接口設(shè)計(jì)，同時(shí)也可以使用外部接口和內(nèi)部的接口。γOS操作系統(tǒng)組件還可以提供對(duì)組件接口進(jìn)行描述的具體功能，同時(shí)γOS操作系統(tǒng)在對(duì)組件設(shè)計(jì)接口進(jìn)行描述的過(guò)程中，能給使用者提供具體的功能，還能對(duì)那些完成任務(wù)需要的具體功能進(jìn)行描述。

3)γOS操作系統(tǒng)中的組件在設(shè)計(jì)的過(guò)程中使用了雙向接口的設(shè)計(jì)，因而可以清楚地定義對(duì)系統(tǒng)中命令處理以及事件處理的有關(guān)概念。這樣，通過(guò)γOS操作系統(tǒng)中的1個(gè)接口能描述出2個(gè)不同組件之間具有的復(fù)雜關(guān)系。

4)在γOS操作系統(tǒng)中的各個(gè)組件之間，通過(guò)對(duì)有關(guān)接口進(jìn)行靜態(tài)的連接的概念，可以有效地提高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及運(yùn)行的效率，并對(duì)程序的靜態(tài)分析具有一定的促進(jìn)作用。

γOS操作系統(tǒng)是在組件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上建立起來(lái)的，基于γOS操作系統(tǒng)溫度傳感器的設(shè)計(jì)模型示意圖如圖3所示。1個(gè)組件可以包括4個(gè)相互關(guān)聯(lián)的部分：命令處理函數(shù)集、事件處理函數(shù)集、組件變量集以及任務(wù)集。采用這樣的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以有效地劃分γOS操作系統(tǒng)中具有的層次性。

圖3　基于γOS操作系統(tǒng)溫度傳感器的設(shè)計(jì)模型示意圖

3結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)以其自身特有的優(yōu)勢(shì)在工程設(shè)計(jì)、科學(xué)研究以及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和采集的工作中取得了突破性的進(jìn)展。本文基于γOS操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)的又一突破性的研究，對(duì)未來(lái)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)的發(fā)展具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] Puschner P, Burns A. A review of worst-case execution-time analysis[J]. Real-Time Systems, 2000, 18(2/3): 115-128.

[2] Ghosh S, Melhem R, Mossé D, et al. Fault-tolerant rate-monotonic scheduling[J]. Real-Time Systems, 1998, 15(2): 149-181.

[3] Chen M, Lin K. Dynamic priority ceilings: A concurrency control protocol for real-time systems[J]. Real-Time Systems, 1990, 2(4): 325-346.

[4] Ghazalie T M, Baker T P. Aperiodic servers in a deadline scheduling environment[J]. Real-Time Systems, 1995, 9(1): 31-67.

[5] 汪淑麗.基于支持向量機(jī)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的入侵檢測(cè)系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng),2012(7)：73-76.

[6] 趙煒,唐振民,紀(jì)淑標(biāo),等.基于網(wǎng)絡(luò)編碼的傳感網(wǎng)多徑路由模型分析[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2012(3)：875-879.

[7] Banimelhem O, Khasawneh S. GMCAR: Grid-based multipath with congestion avoidance routing protocol in wireless sensor networks[J]. Ad Hoc Networks, 2012, 10(7):1346-1361.

責(zé)任編輯鄭練

A Number of Key Software Technology Research and Implementation

based on the Support of the Wireless Sensor Network Gamma OS Operating System

ZHANG Jing

(Shaanxi Institute of International Trade, Xianyang, 712000, China)

Abstract：With the continuous development of computer technology, wireless sensor network in combination with the execution, sensing and communication has been widely used in all walks of life. Compared with the traditional communication equipment, wireless sensor network has the characteristic of easy carrying and low energy consumption, so it has been widely accepted. In combination with a number of the wireless sensor network software technology, research and realize some key software based on support wireless sensor gamma OS operating system.

Key words:wireless sensor network, gamma OS operating system, some key software technology

收稿日期：2015-01-13

作者簡(jiǎn)介：張靜(1979-)，女，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TP 316；TP 212.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A