CN103645941A - 一种新型无线传感器网络操作系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型无线传感器网络操作系统，包括硬件设备初始化程序、操作系统初始化程序和多任务调度控制系统。其中多任务调度控制系统包括系统管理单元、任务存储栈单元、任务运行栈单元、任务栈管理器、任务调度器和时间管理单元。该系统针对当前常见无线传感器网络平台特点设计，并研究无线传感器应用程序特点，制定出相应的处理机制，使单片机资源通过操作系统调度得以充分利用；该系统提供任务加载函数，提高了应用程序开发速度；该系统引入时间片调度，提高了处理器的运行效率；该系统将改变无线传感器网络应用程序开发难度大和入门门槛高的局面，其市场应用前景广阔。

Description

一种新型无线传感器网络操作系统

 

技术领域

本发明涉及一种应用于微处理器的网络操作系统，具体地说涉及通信与控制技术的基于单片机的网络操作系统。

背景技术

无线传感器网络系统主要由若干分布于特定监测区域内功能不同的传感器节点组成，每个节点功能的实现包括硬件设计与软件设计两大部分，其中软件程序设计可决定节点的功能及工作效果。由于目前很多无线传感器网络平台硬件部分都包含一种主控单片机作为数据处理核心，且由于单片机数据处理能力有限，所以目前很多节点软件程序部分通常会结合某款操作系统进行相应开发，使用操作系统可以在很大程度上提高单片机芯片的工作效率。

目前应用于无线传感器网络的操作系统主要有：1、美国加州大学伯克利分校开发的TinyOS无线传感器网络操作系统；2、TI德州科技公司为其CC2430及CC2530等无线单片机片上系统量身定做的Z-STACK协议栈内置操作系统；3、中国科学院无线通信研究室为使用Atmega 128+CC2420的GAINZ节点开发的GOS操作系统；4、其他移植版嵌入式操作系统等。

以上操作系统多数没有实现处理器的严格分时复用，虽可进行任务调度，但采用任务级轮换方式，前一任务完成运行才会调度下一任务。采用这种调度方式，处理器运行效率相对较低，且系统实时性相对较差。

此外，使用上述操作系统进行程序开发时，程序设计人员必须学习相当多的操作系统相关知识，理解操作系统基本概念才能进行程序设计，如任务、事件及调度等；对于某些操作系统除需了解这些知识外，还必须学习某种特定编程语言才能进行开发。因此，对使用操作系统进行程序开发或编写包含操作系统程序的系统设计者有较高的要求，导致部分初学者对操作系统相关的程序设计敬而远之。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题而设计的一种新型无线传感器网络操作系统，使用该操作系统进行程序开发时，用户几乎无需掌握操作系统相关知识，只需学习单片机基本编程所使用的C51语言即可进行应用应该设计，可降低包含操作系统的程序开发难度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种新型无线传感器网络操作系统，包括硬件设备初始化程序、操作系统初始化程序和多任务调度控制系统。其硬件初始化程序包括单片机初始化、无线射频单元初始化、用户操作指示电路初始化、传感器设备初始化和上位机通信电路初始化五部分组成；操作系统初始化程序包括设置系统运行状态、初始化时间片、初始化单片机计数器、初始化运行任务编号、初始化任务存储栈和运行栈、加载任务函数到任务栈存储区和加载运行任务到运行任务栈区；多任务调度控制系统包括系统管理单元、任务存储栈单元、任务运行栈单元、任务栈管理器、任务调度器和时间管理单元；系统管理单元用于控制当前操作系统中任务总数及各任务的运行状态，包括系统中现有任务数量、正在运行的任务号、系统时间片数据、运行中的任务状态数据及操作系统当前状态数据；任务存储栈单元通过任务存储栈保存任务初始状态数据及任务运行断点数据，包括任务入口地址数据和断点寄存器值；任务运行栈单元通过任务运行栈存储任务运行时的动态数据，包括函数嵌套及中断压栈数据；任务栈管理器转移或清除任务栈中存储的数据；任务调度器实现切换当前运行任务号及任务运行栈数据更新；时间管理单元通过单片机计数器实现中断操作，由中断发生间隔控制系统运行节拍实现多任务轮转运行。

所述的一种新型无线传感器网络操作系统，其系统管理单元中其任务数量用于表示此时操作系统中加载的任务数量，通过计算获得任务存储栈的使用情况；其正在运行的任务号表示当前系统中相应编号的任务正处于运行态，任务运行栈中的数据为该编号对应的任务数据；系统时间片数据表示当前运行任务的剩余时间片；运行任务状态数据表示正在运行任务可能处于的所有状态，包括就绪、冻结、结束和延时四种状态，是操作系统任务控制的必备任务属性，该属性也将存入任务存储栈的高地址区；操作系统当前状态数据表示系统的运行状态，包括启动、停止、死锁和空闲四种状态，用于指示操作系统当前的运行状况。 

所述一种新型无线传感器网络操作系统，其系统任务存储栈单元的任务入口地址为2字节，采用小端存储模式；断点寄存器值设置20字节，为静态存储空间，使用单片机片内存储区，实际使用中可根据需求设定，创建多个任务时，此部分空间按对应倍数增加。

所述一种新型无线传感器网络操作系统，其系统任务存储栈单元的任务入口地址为2字节，采用小端存储模式；断点寄存器值设置22字节，为静态存储空间，使用单片机片外存储区，实际使用中可根据需求设定，创建多个任务时，此空间按对应倍数增加。

所述一种新型无线传感器网络操作系统，其任务运行栈单元其任务运行栈存储空间设定为44字节，为单个任务静态存储栈的二倍，任务运行栈采用小端存储模式；在用户任务运行时，单片机CPU部分通过调度SP堆栈指针访问任务运行栈空间来控制用户任务运行，同时运行栈中只存储一个任务的运行数据，通过SP指针采用寄存器间接寻址进行访问，SP指针寄存器为8位，间接访问单片机片内存储区。

所述一种新型无线传感器网络操作系统，在系统初始化时，任务栈管理器通过变量控制将任务存储栈及运行栈内数据全部填零清除以保证用户任务正常加载和运行；在任务调度器进行任务切换时，任务栈管理器将任务运行栈内数据转存入任务存储栈中，并将新运行任务数据存入任务运行栈，实现任务运行数据切换。

所述一种新型无线传感器网络操作系统，其调度时首先判断任务运行栈中有效数据数量是否大于单个任务存储栈存储单元数量，如大于则不进行调度，反之则进行调度；当程序正在进行传感器平台设备相关调度时则不进行任务调度；当进行任务调度时，任务调度器首先将运行寄存器压栈并切换运行任务号，检测任务运行栈区，计算断点SP指针数据并存储于任务存储栈最高地址单元，然后根据SP指针位置调用任务栈管理器将运行栈数据保存到任务存储栈中。

所述一种新型无线传感器网络操作系统，其时间管理单元采用时间片轮转法调度机制，为抢占式调度；当系统开始运行时，系统自动分配时间片并切换至需运行的任务，使之进入运行状态；当发生计数器中断，则时间片数自减，当时间片用完时任务调度器进行任务调度工作。

所述一种新型无线传感器网络操作系统，其时间管理单元增加中断累加器用于控制无线通信协议的时序。

本发明的有益效果是该系统针对当前常见无线传感器网络平台特点设计，并研究无线传感器应用程序特点，制定出相应的处理机制，使单片机资源通过操作系统调度得以充分利用，特别是处理机资源完全通过操作系统分配，使用户任务平等运行。

该系统提供任务加载函数，开发人员只需掌握基本编程技术和少量操作系统相关知识即可使用本函数将自己编写的应用任务添加到系统中实现相应功能。用户无需掌握任务号和任务状态控制等内容，此部分控制完全由操作系统内核功能完成。这种设计大幅降低了包含操作系统程序设计的难度，提高了应用程序开发速度。

该系统在无线传感器平台引入时间片调度，提高了处理器的运行效率，同时由于时间控制机制引入到系统中，使用户自主编写协议的开发更加方便，协议时序控制可通过系统机制完成，简化了用户代码，提高了程序运行效率。

随着计算机技术的发展，无线传感器网络系统已成为我们日常生活触手可及的组成部分，从楼宇安防系统到智能家居，这种小型专用网络以其独有的优势占领着专用无线设备领域的市场。而无线传感器网络程序开发通常因为操作系统的存在使其对于普通用户来说难度较大。本无线传感器网络操作系统将改变应用程序开发难度大这一局面，市场应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明一种新型无线传感器网络操作系统逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示（不带斜影线的部分为本发明所描述的操作系统部分），本发明一种新型无线传感器网络操作系统采用时间片轮转机制进行任务调度，系统按功能划分包括系统核心及外围控制两部分，系统核心部分负责任务调度和切换控制，是实现操作系统功能的主要部分。本操作系统核心针对无线传感器网络程序特点设计，采用较大的任务栈区存储空间以满足复杂的任务函数设计要求，同时配合单片机原有资源添加时间控制机制，实现处理机调度自动化。

外围控制部分包括传感器平台硬件设备初始化和操作系统初始化两部分，为用户编写的任务函数运行创造了初始环境，使平台上的应用程序稳定可靠运行。全部初始化操作完成后单片机程序进入操作系统控制态，全部任务函数皆由系统内核负责调度和控制，实现了平台任务控制自动化。

一、系统核心部分设计

1、   系统任务存储栈单元设计

系统任务存储栈用于保存任务初始状态数据及任务运行断点数据，包括任务入口地址数据和断点寄存器值。其中任务入口地址为2字节，采用小端存储模式。断点寄存器值根据目标处理器不同共设置20字节，实际使用中可根据需求设定。此部分存储区共22字节，为任务静态存储空间，可使用单片机片内存储区或片外存储区。创建多个任务时，此部分空间按对应倍数增加。

2、   任务运行栈单元设计

任务运行栈用于存储任务运行时的动态数据，包括函数嵌套及中断压栈数据。本操作系统主要针对无线传感器网络平台，其任务函数设计通常较复杂，为增加任务函数嵌套层数，本任务运行栈存储空间设定为44字节，为单个任务静态存储栈的二倍，有效遏制因存储空间不足引起任务栈溢出导致用户程序运行错误的情况出现。与任务存储栈相同，为保证各存储单元相互对应，任务运行栈仍采用小端存储模式。在用户任务运行时，单片机CPU部分通过调度SP堆栈指针访问任务运行栈空间来控制用户任务运行，同时运行栈中只存储一个任务的运行数据，提高了处理器的运行效率。由于任务运行栈通过SP指针采用寄存器间接寻址进行访问，且SP指针寄存器仅有8位，所以任务运行栈设计使用单片机片内存储区。

3、   任务栈管理器设计

任务栈管理器用于转移或清除任务栈中存储的数据。当系统初始化时，任务栈管理器通过变量控制将任务存储栈及运行栈内数据全部清除（置零），以保证用户任务正常加载和运行。当任务调度器进行任务切换时，任务栈管理器将任务运行栈内数据转存入任务存储栈中，并将新运行任务数据存入任务运行栈，实现任务运行数据切换功能。

4、   任务调度器设计

任务调度器是整个操作系统的重要组成部分。本操作系统任务调度器实现两种调度功能，即切换当前运行任务号及任务运行栈数据更新功能。当任务调度时机成熟时，任务调度器首先将运行寄存器压栈并切换运行任务号，检测任务运行栈区，计算断点SP指针数据并存储于任务存储栈最高地址单元，然后根据SP指针位置调用任务栈管理器将运行栈数据保存到任务存储栈中。由于本操作系统主要应用于单片机类处理芯片，任务调度时机根据运行栈数据量及运行状态决定，如程序正在进行传感器平台设备相关调度时则不进行任务调度，所以任务存储栈不会出现溢出状况。

5、   时间管理单元设计

时间管理单元通过单片机计数器中断实现，由中断发生间隔控制系统运行节拍。本操作系统任务运行采用时间片轮转法调度机制，为抢占式调度。当系统开始运行时，系统自动分配时间片并切换需运行的任务，使之进入运行状态。如发生计数器中断，则时间片数自减，当时间片用完时任务调度器进行任务调度工作。采用时间片轮转调度机制可使处理及资源平均分配，任务运行几率相等，提高了处理器的利用率。考虑无线传感器网络需配合相应无线通信协议使用，时间管理单元部分加入中断累加器用于控制协议的时序，从而方便开发人员进行协议设计。

6、   系统管理单元设计

系统管理单元用于控制当前操作系统中任务总数及各任务的运行状态，其中包括系统中现有任务数量、正在运行的任务号、系统时间片数据、运行中的任务状态数据及操作系统当前状态数据。其中任务数量用于表示此时操作系统中加载的任务数量，也可通过计算获得任务存储栈的使用情况；正在运行的任务号表示当前系统中相应编号的任务正处于运行态，任务运行栈输数据为该编号对应的任务数据；系统时间片数据表示当前运行任务的剩余时间片，是抢占式任务调度机制必备的系统参数之一；运行任务状态数据表示正在运行任务可能处于的所有状态，包括就绪、冻结、结束和延时四种状态，是操作系统任务控制的必备任务属性，该属性也将存入任务存储栈的高地址区；操作系统当前状态数据表示系统的运行状态，包括启动、停止、死锁和空闲四种状态，用于指示操作系统当前的运行状况。

二、外围控制部分设计

1、硬件初始化控制设计

由于本操作系统面向应用对象为无线传感器网络系统，所以硬件初始化为操作系统需提供的功能。此部分包括单片机初始化、无线射频单元初始化、用户操作指示电路初始化、传感器设备初始化和上位机通信电路初始化五部分组成。因为硬件初始化为一次性操作，当系统启动后通常只需运行一次，故以上三种控制部分均采用普通函数控制。

2、操作系统初始化设计

当无线传感器网络硬件上电以后，单片机加载内部程序并进入运行态，此过程除需完成上述硬件设备初始化操作外还必须对操作系统中任务的运行环境初始化。主要的初始化操作包括：设置系统运行状态（改为运行态）、初始化时间片（设置为初始时间片）、初始化单片机计数器（设置工作模式并装入初值）、初始化运行任务编号（从第一个任务开始编号）、初始化任务存储栈和运行栈（用零填充）、加载任务函数到任务栈存储区（形成任务运行的初始状态）和加载运行任务到运行任务栈区（加载第一个运行的任务到运行栈区）。完成此部分设计后操作系统可以自动创建任务运行的原始环境。然后调整单片机SP堆栈指针通过寄存器间接寻址控制其调用已经加载到运行栈的任务使之进入运行状态，系统初始化完成。任务加载功能和系统启动控制通过函数实现，用户只需调用即可使用全部系统功能。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下得出的其他任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种新型无线传感器网络操作系统，包括硬件设备初始化程序、操作系统初始化程序和多任务调度控制系统；其特征在于：硬件初始化程序包括单片机初始化、无线射频单元初始化、用户操作指示电路初始化、传感器设备初始化和上位机通信电路初始化五部分组成；操作系统初始化程序包括设置系统运行状态、初始化时间片、初始化单片机计数器、初始化运行任务编号、初始化任务存储栈和运行栈、加载任务函数到任务栈存储区和加载运行任务到运行任务栈区；多任务调度控制系统包括系统管理单元、任务存储栈单元、任务运行栈单元、任务栈管理器、任务调度器和时间管理单元；系统管理单元用于控制当前操作系统中任务总数及各任务的运行状态，包括系统中现有任务数量、正在运行的任务号、系统时间片数据、运行中的任务状态数据及操作系统当前状态数据；任务存储栈单元通过任务存储栈保存任务初始状态数据及任务运行断点数据，包括任务入口地址数据和断点寄存器值；任务运行栈单元通过任务运行栈存储任务运行时的动态数据，包括函数嵌套及中断压栈数据；任务栈管理器转移或清除任务栈中存储的数据；任务调度器实现切换当前运行任务号及任务运行栈数据更新；时间管理单元通过单片机计数器实现中断操作，由中断发生间隔控制系统运行节拍实现多任务轮转运行。

2.根据权利要求1所述的一种新型无线传感器网络操作系统，其特征在于：系统管理单元中其任务数量用于表示此时操作系统中加载的任务数量，通过计算获得任务存储栈的使用情况；其正在运行的任务号表示当前系统中相应编号的任务正处于运行态，任务运行栈中的数据为该编号对应的任务数据；系统时间片数据表示当前运行任务的剩余时间片；运行任务状态数据表示正在运行任务可能处于的所有状态，包括就绪、冻结、结束和延时四种状态，是操作系统任务控制的必备任务属性，该属性也将存入任务存储栈的高地址区；操作系统当前状态数据表示系统的运行状态，包括启动、停止、死锁和空闲四种状态，用于指示操作系统当前的运行状况。

3.根据权利要求1所述的一种新型无线传感器网络操作系统，其特征在于：系统任务存储栈单元的任务入口地址为2字节，采用小端存储模式；断点寄存器值设置20字节，为静态存储空间，使用单片机片内存储区，实际使用中可根据需求设定，创建多个任务时，此部分空间按对应倍数增加。

4.根据权利要求1所述的一种新型无线传感器网络操作系统，其特征在于：系统任务存储栈单元的任务入口地址为2字节，采用小端存储模式；断点寄存器值设置22字节，为静态存储空间，使用单片机片外存储区，实际使用中可根据需求设定，创建多个任务时，此空间按对应倍数增加。

5.根据权利要求1所述的一种新型无线传感器网络操作系统，其特征在于：任务运行栈单元其任务运行栈存储空间设定为44字节，为单个任务静态存储栈的二倍，任务运行栈采用小端存储模式；在用户任务运行时，单片机CPU部分通过调度SP堆栈指针访问任务运行栈空间来控制用户任务运行，同时运行栈中只存储一个任务的运行数据，通过SP指针采用寄存器间接寻址进行访问，SP指针寄存器为8位，间接访问单片机片内存储区。

6.根据权利要求1所述的一种新型无线传感器网络操作系统，其特征在于：在系统初始化时，任务栈管理器通过变量控制将任务存储栈及运行栈内数据全部填零清除以保证用户任务正常加载和运行；在任务调度器进行任务切换时，任务栈管理器将任务运行栈内数据转存入任务存储栈中，并将新运行任务数据存入任务运行栈，实现任务运行数据切换。

7.根据权利要求1所述的一种新型无线传感器网络操作系统，其特征在于：调度时首先判断任务运行栈中有效数据数量是否大于单个任务存储栈存储单元数量，如大于则不进行调度，反之则进行调度；当程序正在进行传感器平台设备相关调度时则不进行任务调度；当进行任务调度时，任务调度器首先将运行寄存器压栈并切换运行任务号，检测任务运行栈区，计算断点SP指针数据并存储于任务存储栈最高地址单元，然后根据SP指针位置调用任务栈管理器将运行栈数据保存到任务存储栈中。

8.根据权利要求1所述的一种新型无线传感器网络操作系统，其特征在于：时间管理单元采用时间片轮转法调度机制，为抢占式调度；当系统开始运行时，系统自动分配时间片并切换至需运行的任务，使之进入运行状态；当发生计数器中断，则时间片数自减，当时间片用完时任务调度器进行任务调度工作。

9.根据权利要求1所述的一种新型无线传感器网络操作系统，其特征在于：时间管理单元增加中断累加器用于控制无线通信协议的时序。

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