TinyOS01：无线传感网络(WSNs)相关概念介绍

一、WSNs概述

由大量传感节点组成，通过无线通信的方式形成一种多跳自组的网络系统，这些传感节点能实时检测、感知、采集和处理监测环境的相关信息(人与物，物与物、无线自组网络)

1. 研究进展：

第一代：点对点传输、具有简单信号获取能力的传感器、连接传感控制器来构成网络
第二代：采用串/并口与传感控制器相连，使传感器网路有了综合的信息处理能力
第三代：智能
第四代：无线自组传感器网络

2. 无线传感网络的特征

无线网络的两种分类：需要有固定基站的网络(手机) + 无线自组网络(没有专门固定的基站、动态拓扑、自组；无线传感网络属于ad hoc NetWork)

1)无线传感器网络结构：传感器节点+汇聚节点+基础设施网络(internet、卫星)+管理节点(与用户交互)

传感器节点：自组织形成感知网络，采集到的数据经过多跳方式进行传输和处理，之后传给汇聚节点(采集数据 + 处理数据 + 路由功能；
汇聚节点：连接传感器网络与因特网等外部网络，实现将物理数据传给网络服务器数据
基础设施：连接汇聚节点和管理节点
管理节点：用户管理传感器数据

2)传感器节点结构(采集、处理、传输)
传感器节点的组成：电源模块、传感模块(信息的采集与转换)、计算模块(核心：处理数据，采用嵌入式处理器(单片机))、存储模块、通信模块、嵌入式模块(最基本的功能：数据采集、处理、传输功能)
嵌入式软件系统是无线传感器网络的重要支撑

二、无线传感器网络操作系统

1、无线传感网络对操作系统的需求
操作系统概念的简单介绍
操作系统：支撑应用程序运行环境和用户操作环境的系统软件(对硬件的管理和抽象)，即操作系统时对系统资源的进行管理和抽象的程序集合，用户通过操作系统能简单有效地利用系统资源
嵌入式系统：执行独立功能的专用计算机系统
嵌入式系统软件：

三、TinyOS操作系统简介

(基于组件编程、事件驱动的嵌入式操作系统)

1. 无线传感器网络专门的嵌入式操作系统 + 采用组件的架构方式(要用到的组件才会被编译、不用的话就不会被编译、减少内存的消耗)
2. 基于事件驱动的运行模型(并发 + 节能)
3. TinyOS组件库包括：网络协议、分布式服务、传感器驱动 、数据库获取驱动等

1、设计理念：

应用程序根据需要选配、修改和创建组件，组件与组件之间通过command(向下调用)和event(向上调用)相联系。因此TinyOS被称为事件驱动操作系统。
无分层，采用平面设计
组件化编程方式

2、技术特点(4个)

A)组件化编程
组件：对软件、硬件功能抽象，TinyOS系统看成是由组件构成的
B)事件(中断处理线程、硬件中断)驱动机制
TinyOS应用程序采用的是事件驱动机制，通过触发事件唤醒传感器工作；
事件相当于不同组件之间传递状态信息的信号(当事件对应的硬件中断发生时，会调用相关的事件处理程序，执行相关的操作任务)
C)轻量级线程技术及两层调度方式
TinyOS的两级调度体系：任务和硬件事件处理两级调度体系。
轻量级线程：即任务，任务之间相互平等，不能抢占，FIFO
硬件事件处理(数据包收发、数据的采集)：优先级高的可以抢占
D)基于事件驱动模式的最主动消息通信方式(不是很明白)
将消息作为函数的参数

3、体系结构：
A)TinyOS操作系统是采用nesC语言编写的
nesC语言：组件化编程 + 事件驱动理念 + 扩展的C语言 + 并发 + 两级调度方式(任务 + 事件(可抢占))
B) TinyOS体系结构：TinyOS本身提供了一系列组件供用户调用，可分为三层：
1) 硬件抽象组件：将硬件组件抽象到TinyOS的组件模型
2) 综合硬件组件：模拟高级硬件的功能，它包括的组件有：
感知组件：
执行组件：
通信组件：
3)高层软件组件：实现控制、路由、数据传输等应用层功能
总之，高层组件向底层组件发出命令，底层组件向高层组件报告事件；底层组件负责接收原始数据，高层组件对这些数据编码和解码，再高一层的数据辅助数据打包、路由和传输。
高层软件组件中的主(Main)组件介绍：节点上电后首先执行该组件(硬件的初始化、启动任务调度器、执行应用组件的初始化工作)
高层软件组件中的应用组件介绍：TinyOS程序开发的重点，实现程序的逻辑功能，例如数据采集、处理、收发
注意：应该把TinyOS和我们写的应用程序看成一个完整的无线传感器程序(TinyOS内核和应用程序会被一起编译成可执行的程序)。

4、版本说明
TinyOS2.x的内核模型重新开发，不向下兼容(但也可以移植)
TinyOS2.X还没从1.x引进的特色工具介绍：
A)TinyViz：显示仿真情况的用户界面
B)TinyDB：从无线传感网络中析取数据的查询处理系统

四、与其他操作系统的比较(这里只介绍TinyOS)

1、系统架构
事件驱动的系统，会将内核和应用程序一起编译成一个可执行程序
2、调度器(内存开销和能耗)
TinyOS实现了任务和事件的两级调度
对任务的调度：FIFO，任务之间不能抢占；
对事件的调度：事件能抢占任务，事件之间也能相互抢占
3、并发问题
操作系统中容易混淆的概念介绍（很多人分的都不是很清楚）：
进程同步：事情一件一件的做，完成这件事才能继续下一件事情，例如发信息的过程
进程异步：这件事情还没完成，可以做其他事情，譬如说边下载边浏览网页
并发：一个CPU执行多个程序
并行：多个CPU执行多个程序)
TinyOS提供的两个执行的线程：任务和事件
1)进程同步：nesC会检查数据竞争状态：异步函数(命令或事件)不能调用同步函数(命令或事件)；TinyOS使用原子块操作，把临界资源放在原子块中实现进程间的同步访问
2)进程通信：使用事件触发机制实现通信，传值或者指针(共享内存、纯局部的命名空间、所实现和调用的函数都是局部)
4、内存管理：静态分配管理内存，即在编译时为组件分配内存
5、远程节点重编程服务(实效、升级)：通过无线电(使用了XNP机制)
6、电源管理：显示能量管理模型(由高层组件管理设备状态)和隐式能量管理模型(设备自身管理自己的状态)
7、外部设备管理：将系统资源分为三种不同的抽象：独享资源抽象 、虚拟资源抽象、共享资源抽象
8、模拟服务：TinyOS的模拟器：TOSSIM(本来是要在硬件上显示的东西，通过模拟器以程序的形式显示)