0  引言

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內的大量廉價微型傳感器節點，通過無線通信方式組成一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協同感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀測者。無線傳感器網絡技術研究涉及到多個熱點學科的前沿領域，比如傳感器技術、現代網絡技術、嵌入式計算機技術、無線通信技術等。由于無線傳感器網絡在工業監測、環境檢測、醫療監護、軍事偵察等眾多的領域都有著廣闊的應用前景，因而引起了世界各國工業界，學術界和軍事部門的重視，并且迅速成為當今世界研究的熱點之一。

1  無線傳感器網絡的主要特點

傳感器網絡節點硬件一般都由數據采集、數據處理、數據收發和電源等四個單元組成。數據采集單元通過傳感器采集外界數據并將其轉化為數字信號；數據處理單元是節點的核心模塊，負責協調節點各部分的工作，如對數據采集單元采集的數據進行必要的處理和保存，以及數據收發單元工作模式的設置等；數據收發單元負責數據的無線傳輸以及與數據處理單元的數據交互。上述四大基本模塊與相應的操作系統、協議棧和應用程序共同構成一個基本的無線傳感器網絡節點，眾多的網絡節點分布在一起，就可以完成無線傳感網絡的基本功能。

在軟件設計方面，本系統以專用嵌入式實時操作系統為依托，來管理、協調傳感器節點各硬件部分的工作。上層應用以及各層的通信協議都以節能為中心，必要時可以犧牲其他的一些網絡性能指標來獲得更高的電源效率。圖1所示是一個傳感器網絡節點的基本組成。

傳統的無線網絡設計基本上都是為了同時滿足人們各種各樣的需要，如語音、視頻、圖像等。而無線傳感器網絡一般是為了某個特定的需要而設計的，它是一種基于應用的無線網絡，與移動通信網、無線局域網、Bluetooth相比，無線傳感器網絡具有以下主要特點：

(1)電源能量有限：無線網絡中，每個節點的電源都是有限的，網絡大多工作在無人區或者對人體有傷害的惡劣環境中，一般更換電源幾乎都是很困難的事。

(2)計算能力有限：傳感器網絡節點都采用具有嵌入式特性的處理器，但嵌入式處理器的處理能力，使傳感器節點的計算能力比較有限。

(3)無線傳感器網絡節點數量大，分布范圍廣，網絡中的傳感器節點十分密集，數量巨大，有時可能達到幾百，幾千，甚至更多。

(4)動態性拓撲：傳感器網絡的拓撲結構可能因為環境或節點電能耗盡等因素而改變，這就要求傳感器網絡系統能夠適應這種變化。
2 TinyOS操作系統

由于無線傳感器網絡節點的資源十分有限，傳統的嵌入式操作系統難以正常有效地運行和工作，特別對能量和內存的需求矛盾比較突出。因此，需要一種全新的嵌入式操作系統來滿足無線傳感器節點的基本需求。TinyOS操作系統就是美國加州大學伯克利分校的研究人員針對無線傳感器網絡設計的開源嵌入式操作系統。TinyOS操作系統主要使用了輕量級線程、主動消息通信、事件驅動模式、組件化編程等技術。

TinyOS操作系統最初使用匯編和C語言。但經研究人員進一步的研究及使用后發現，C語言并不能有效和方便地支持無線傳感器網絡應用程序的開發。因而在經過仔細研究和設計，并在對C語言進行了一定擴展的基礎上，提出了支持組件化編程的nesC語言，該語言可以把組件化、模塊化思想和基于事件驅動的執行模型結合起來。由于TinyOS操作系統和基于TinyOS操作系統的應用程序全部使用nesC語言編寫，因此，在介紹TinyOS操作系統之前，首先介紹一下nesC語言。

3 nesC語言

TinyOS和在其上運行的應用程序可以看成是一個大的“執行程序”，它由許多功能獨立且相互有聯系的軟件組件構成，圖2所示是nesC語言的一般程序框架。該系統中的一個組件一般會提供一些接口(假定組件名為ComA)，接口可以被認為是這個軟件組件實現的一組函數的聲明，是單獨定義的一組命令和事件，其他組件通過引用相同接口聲明來使用這個組件(ComA)的函數，從而實現組件間功能的相互調用，即組件的接口是實現組件間互連的通道。但若組件中實現的函數并未被它在接口中說明，就不能被其他組件所使用。nesC語言的定義中存在兩種不同功能的組件：其中組件接口中的函數功能專門在模塊的組件文件中實現，而不同組件之間的關系則是專門通過稱為配件的組件文件來描述的。