第一章 无线传感网与TinyOS

    现代微电子技术、无线通信技术、计算机技术和信号处理技术的进步以及互联网的迅猛发展极大地推动了低功耗多功能传感器的快速发展。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）作为信息获取技术新的发展方向的代表应运而生。无线传感器网络的诸多特点使其应用范围非常广泛，涉及军事应用、工业监视与控制、环境监测、医疗监护、智能家居或建筑、交通控制管理等诸多领域，具有广阔的市场和产业前景。美国《商业周刊》（Business Week）预测：WSN和其他三项信息技术将会在不远的将来掀起新的产业浪潮；美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）提出了“网络就是传感器”（Network is Sensor）的论断；美国《今日防务》杂志甚至认为WSN的应用和发展，将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。在国内，各大科研院所也纷纷展开了该领域的研究工作，一份有关我国未来20年预见技术的调查报告显示，信息领域的157项技术课题中有7项与传感器网络直接相关，由此可见人们对WSN的重视程度。

    无线传感器网络节点是一个资源受限的嵌入式系统，其自身的一些特点决定了现有的一些嵌入式操作系统都不能很好地适用于该网络的节点，因此它需要拥有适应其自身特点的专属操作系统。近年来，无线传感器网络作为国内外研究的热点领域，已经吸引了大量优秀的科研团队参与研究，许多国内外的知名大学和研究机构都纷纷开发出了具有自主知识产权的WSN操作系统，比如：美国加州大学伯克利分校开发的TinyOS、首尔大学开发的SenOS以及我国中科院计算机研究所开发的GOS操作系统等。本书以TinyOS操作系统为研究对象，重点介绍了TinyOS编程语言的特点；深入分析了该系统中各个模块的功能；详细剖析了TinyOS应用程序的运行流程；最后，给出一个具体的开发实例，使读者对该操作平台的运行规律有一个更加清晰的认识。

    1.1  无线传感网

    无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量低成本、低功耗的传感器节点组成，这些传感器节点协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并通过一个多跳的、自组织的无线网络将信息传输到汇聚节点，然后再利用Internet、卫星等通信方式将信息发送给用户。WSN比较典型的工作方式：将大量传感器节点抛撒到感兴趣区域内，节点之间通过自组织的形式快速形成一个无线网络。随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点借助内置的传感器测量周围环境中的热、红外、雷达和地震波等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多部署者感兴趣的物理参数。在无线传感器网络中，节点既是信息的采集和发出者，也充当信息的路由，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关是其中一个特殊的节点，可以通过互联网、移动通信网络、卫星等与监控中心进行通信，也可利用无人机飞越网络上空，通过网关节点来采集数据。

    1.1.1  无线传感网的提出与发展

    1．无线传感网的提出

    无线传感器网络的研究起源于20世纪70年代，最早应用于军事领域。1978年，美国国防部高级项目研究署（Defense Advanced Research Projects Agence，DARPA）的分布式传感器网络（Distributed Sensor Networks，DSN）项目开启了现代传感器网络研究的先河，如图1-1所示。

图1-1  分布式目标跟踪试验床构成

    通过卡耐基梅隆大学、麻省理工学院等大学研究人员的努力，DSN项目在信号处理、节点实验平台等很多方面取得了一定的进展。20世纪80～90年代，WSN的研究依然主要集中在军事领域，并成为了网络中心战中的关键技术，其中比较著名的系统包括：美国海军研制的协同交战能力系统（Cooperative Engagement Capability，CEC）、远程战场传感器网络系统（Remote Battlefield Sensor System，REMBASS）和战术远程传感器系统（Tactical Remote Sensor System，TRSS）等。1994年加州大学洛杉矶分校的William J. Kaiser教授向DARPA提交了研究建议书“Low Power Wireless Integrated Microsensors”，这对推动WSN的研究具有里程碑式的意义。1998年G. J. Pottie 从网络研究的角度重新阐释了WSN的科学意义。由于WSN巨大的应用价值，无线传感器网络的学术研究在世界范围内逐渐展开，其中最为著名的项目有：MIT的uAMPS和NMS项目；UC Berkeley的PicoRadio和Smart Dust项目；哈佛大学的Code Blue项目；南加州大学的SCADDS项目等。美国自然科学基金委员会分别于2003年和2004年设立并推出了“嵌入式智能传感器研究中心”（Center Of Embedded Networked Sensing，CENS）和“网络技术与系统”（Networking Technology And Systems，NeTS）研究项目，取得了一系列杰出的研究成果。

    在我国，国家自然科学基金委员会、科技部、工业和信息化部等对无线传感器网络的研究极为重视，国家自然科学基金委员会于2003年开始对WSN的研究进行资助，并于2004年将其列为重点科研项目。国务院在制定《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》时将“传感器网络及智能信息处理”列为未来信息产业及现代服务业的重点方向之一。在国家的大力支持下，包括清华大学、北京邮电大学、中科院计算机研究所、沈阳自动化所等国内多所高校和科研机构积极地展开了对WSN各方面的研究工作。

    2．无线传感网的研究进展

    无线传感网络的研究起于美国军方。20世纪90年代末期，在美国军方资助下，现代意义上的无线传感网络得以产生并逐步发展。从2000年起，国际上开始出现一些有关无线传感网络研究成果的报道。由于无线传感网络的巨大应用价值，许多国家的军事界、工业界和学术界等业界已经开始对其广泛关注，并相继启动了许多无线传感网络的研究计划。

    根据研究侧重点的不同，可以将无线传感网络技术从产生到现在大致划分为两个阶段。第一个阶段主要致力于小型化、低功耗、传感器节点的开发和研制，出现了大量的传感节点平台和初级应用示范系统，其中Motes硬件平台及其配套的TinyOS操作系统应用最为广泛，已为全球400多家研究机构所采用。第二个阶段主要致力于开展大量针对无线传感网络通信协议及其支撑技术的深入研究工作，如MAC协议、路由协议、传输层协议、定位技术、时间同步等。同时，美国各大高校和研究机构及其他各国的相关研究机构也都开始了对无线传感网络中的信息处理、数据查询等问题的细化研究。