无线传感器网络基于μC/OS-II的低功耗改进
引言
无线传感器网络是由一个个具有数据采集、计算和通信能力的传感器节点，通过自组织网络形成的一个动态、自适应的分布式计算平台。每个传感器都是典型的嵌入式系统，具有存储容量小、运算能力差、功耗低、易失效的特点。因此，它对传统嵌入式应用开发者提出了更高的要求，迫切需要系统软件的精心设计，以满足其可靠性和持久性的要求。无线传感器网络的特点决定了尽可能地降低系统功耗成为系统设计的核心要素之一。为此，在目前开发的一些传感器网络操作系统中，都把功耗管理作为一个重要的模块来设计。例如美国加州大学伯克利分校的TinyOS，加州大学纽约分校的SOS和美国科罗拉多大学的Mantis OS等专为传感器网络节点设计的操作系统都有自己的低功耗管理策略。
本文主要从软件的角度研究降低无线传感器网络系统功耗的机制与策略，提出了基于μC/OS-II的低功耗改进策略。这对于延长无线传感器网络系统生存周期和普及应用有着重要意义。
1 低功耗软件系统设计原理
嵌入式系统中，在硬件平台已经确定的情况下，软件系统主要从CPU和外部设备两方面来降低功耗。
CPU相关的功耗管理可以通过控制CPU的工作模式来实现。CPU一般有运行模式、空闲模式、休眠模式、睡眠模式和掉电模式，分别对应CPU内部的不同工作频率。它们之间的转化关系以及功耗消耗顺序如图1所示。省电的原则就是处理器只有在有用户操作或任务处理时才处于运行模式，其他时间都处于睡眠模式，以最大程度地提高电源效率。
外围设备的功耗管理，可以根据系统在进入特定功耗模式时所发出的事件进入设备相应的功耗模式来实现，也可以由用户设定外围设备控制器来使能外围设备，达到控制外围设备功耗的目的。在最近的研究中，已经开始考虑同时动态改变处理器的电压和频率来进一步降低功率，这是一个更为复杂、更为系统的工程，涉及从硬件到操作系统以及应用层的有关内容。
2 无线传感器网络操作系统的低功耗策略
无线传感器网络操作系统是传感器节点硬件和应用软件的结合部分，对功耗的管理模块也在此实现。该模块设计的好坏直接决定着整个传感器网络系统寿命的长短。下面介绍几种典型无线传感器网络操作系统的功耗管理方式。
TinyOS是美国加州大学伯克里分校开发的，一个专为无线嵌入式传感器网络设计的开放源代码的操作系统。它具有基于组件的特性，在传感器网络天生就严格限制内存的条件下，可以用最小代码快速来创新和实现。其功耗管理主要体现为以下几点：
◇ TinyOS的每项服务都可以通过StdControl.stop命令被停止；
◇ 控制外围设备的构件可以将外围设备切换到低功耗模式；
◇ TinyOS的HPLPowerManagement构件通过检查处理器的I/O引脚和寄存器状态，将处理器置于相应的低功耗模式；
◇ 调度器会在就绪任务队列为空时，自动将处理器置于低功耗模式。
SOS是加州大学纽约分校开发的一个采用动态重编程思想，实现在单个节点动态装卸代码模块的无线传感器网络操作系统。与TinyOS类似,它提供一般的抽象接口来管理传感器节点外围设备的功耗状态，且调度器也会在就绪任务队列为空时自动将处理器置于低功耗模式。
Mantis OS是美国科罗拉多大学开发的是一个以易用性和灵活性为主要目标的无线传感器操作系统，支持快速、灵活地搭建无线传感器网络原型系统。它通过管理与 Unix系统类似的SLEEP函数来实现能量的优化配置。当所有的用户线程都睡眠后,调度器就可以控制系统进入低功耗模式，从而避免进入耗费能量的忙等待状态。具体任务调度过程如图2所示。
Contiki是瑞典科学院开发的一款专门为8位机设计的轻量级操作系统。它没有显式的功耗管理策略,但是它将控制权转交给各个应用模块，由调度器提供当前状态下事件队列的信息。这些信息可以帮助应用程序在没有事件任务调度时关闭处理器,进入低功耗模式。
3 基于ATmega128L和μC/OS-II的低功耗策略
3.1 硬件特性
本低功耗模型中,数据处理单元选用Atmel公司的ATmega128L微控制器。它采用低功耗CMOS工艺生产的基于RISC结构的8位微控制器，是目前 AVR系列中功能最强大的单片机，具有丰富的资源和极低的功耗。它具有片内128 KB的程序Flash和4 KB的数据SRAM，可外扩到64 KB的E2PROM；8个10位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时/计数器，并可在多种不同的模式下工作；8个PWM通道，可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器；UART、SPI、I2C总线接口和JTAG接口。除了正常操作模式外，还具有6种不同等级的低功耗模式。每种模式具有不同的特点，如表1所列。
3.2 软件特性
μC/OS-II是一个简单、高效的嵌入式实时操作系统内核，它具有可抢占的实时多任务调度系统功能，而且提供了用于任务间同步、互斥、通信的系统服务。这些功能可以根据不同需求进行裁减，它的最小化内核能编译到2 KB，目前已经被移植到x86、ARM、PowerPC、MIPS等众多体系结构上。基于短小精悍、可移植性强的特点，μC/OS-II很适用于无线传感器网络节点芯片。
3.3 μC/OS-II在ATmega128L上的移植
（1） 定义基本配置
◇ 定义编译器相关的数据类型；
◇ 定义允许和禁止中断宏；
◇ 定义栈的增长方向；
◇ 定义用于任务切换的宏OS_TASK_SW()。
（2） 实现OS_CPU_A.ASM文件的系统结构相关函数
OSStaerHighRdy： 负责获取新任务的堆栈指针，并从堆栈指针中恢复新任务的所有处理器寄存器。
OSCtxSW： 负责保存当前任务的处理器寄存器到堆栈中，并根据需要恢复任务的堆栈指针恢复处理器寄存器。
OSIntCtxSW： 在中断时保存当前任务的处理器寄存器，恢复新任务的处理器寄存器。
OSTickISR： 定时中断函数。
3.4 μC/OS-II的低功耗改进策略
μC/OS-II是一个可抢占的多任务嵌入式实时操作系统。任务调度采用64级位图优先级算法，每个优先级只允许有一个任务，因此，除去系统保留的8个任务，μC/OS-II共允许用户使用56个优先级不同的任务。这种优先级算法有利于保证系统的实时性，使高优先级任务及时得到响应。但是，这种多任务并发调度并没有考虑低功耗的应用,在资源极其有限的无线传感器网络中很难发挥作用,因此需要对它作些改进。
在μC/OS-II中,当系统中没有其他任务被调度执行时,调度器开始执行空闲任务。该任务执行一个忙等待操作,不断地循环等待中断，因此处理器一直处于运行状态，消耗较多能量。
为保证系统功耗管理的高效率和灵活性，我们提供了相应的机制来确保应用对功耗模式的直接控制，主要包括以下三方面内容：
第一，在设计应用程序时，可以根据需要设置系统的功耗工作模式。在μC/OS-II中为应用程序提供了专门的系统调用接口。
第二，系统在运行过程中，能够根据系统的工作状态自动进行功耗管理，从而使系统工作于与系统状态相适应的功耗模式。
当系统中没有其他活动任务时，空闲任务得到执行，系统自动进入空闲模式；如果有外部事件发生，则系统将回到运行模式。系统在空闲模式的工作时间超过预先设定的值时，系统自动进入休眠功耗模式；如果发生了需要系统应用处理的外部事件，则系统将自动回到运行模式。在休眠模式下，如果没有发生需要系统处理的事件，则系统自动进入睡眠模式。对于睡眠模式，若发生外部事件，则系统回到休眠模式。若该事件对系统来说为有效事件，则系统将进入运行模式。当有任务睡眠时，将该任务挂入睡眠队列。当系统中所有任务都睡眠时，系统进入睡眠模式。当睡眠队列中有任务睡眠时间到期时，触发中断，激活CPU，重新开始调度。
第三，可以使能或不使能某种特定的功耗模式。
在具体实现过程中，采取了如下策略：
① 在μC/OS-II内核中扩展了一个睡眠任务队列。该队列接收睡眠的任务，并将这些任务按照睡眠时间长短进行排序。如果位于队列头的任务睡眠时间到期，则从队列中取下该任务，并重新调整队列中的睡眠时间。
② 修改μC/OS-II内核的任务调度器，当就绪队列中没有任务执行时，不再执行消耗能量的空循环操作。它首先判断是否有任务被挂起在I/O操作上。如果是，则让系统进入休眠模式。此时，如果外部有效I/O操作发生，则系统恢复运行模式。如果所有任务都调用了SLEEP函数，则使系统进入睡眠模式，然后由睡眠任务队列维护的外部定时器来负责唤醒睡眠的系统。
③ 实现任务睡眠和功耗模式切换等相关函数。
④ 实现并封装功耗模式使能、切换等相关函数，提供相应接口供用户任务显式调用。
4 性能测试结果
改进后的μC/OS-II已移植到ATmega128L开发板上，系统运行稳定。表2和表3分别为改进前和改进后在各种软件状态下测得的系统功耗。
5 结论
无线传感器网络节点作为一种嵌入式设备，很长时间都处于无任务运行的空闲状态。如果能够根据系统的工作状态自动进行功耗管理，使系统工作于与系统状态相适应的功耗模式，那么能够极大地降低系统功耗，从而延长系统的寿命。这在对能耗要求极高的无线传感器网络中有着重要意义。
参考文献
[1] Boulis A,Han C-C，Srivastava M B.Design and implementation of a framework for efficient and programmable sensor networks[C].In Proceedings of the First International Conference on Mobile Systems,Applications,and Services,2003:187-200.
[2] Jason Hill,et al.System Architecure Directions for Networed sensors[C].In Proceedings of the Ninth International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems,2000.
[3] Dunkels A,Gronvall B,Voigt T. Contiki-a lightweight and flexible operating system for tiny networked sensors.In Proceedings of the First IEEE Workshop on Embedded Networked Sensors,2004.
邱?t(硕士研究生)：主要研究方向为嵌入式实时操作系统及其应用；
桑楠(教授)，主要研究方向为高可信赖的实时操作系统、实时调度、分布式实时系统、普适计算及容错计算。
无线传感器网络是由一个个具有数据采集、计算和通信能力的传感器节点，通过自组织网络形成的一个动态、自适应的分布式计算平台。每个传感器都是典型的嵌入式系统，具有存储容量小、运算能力差、功耗低、易失效的特点。因此，它对传统嵌入式应用开发者提出了更高的要求，迫切需要系统软件的精心设计，以满足其可靠性和持久性的要求。无线传感器网络的特点决定了尽可能地降低系统功耗成为系统设计的核心要素之一。为此，在目前开发的一些传感器网络操作系统中，都把功耗管理作为一个重要的模块来设计。例如美国加州大学伯克利分校的TinyOS，加州大学纽约分校的SOS和美国科罗拉多大学的Mantis OS等专为传感器网络节点设计的操作系统都有自己的低功耗管理策略。
本文主要从软件的角度研究降低无线传感器网络系统功耗的机制与策略，提出了基于μC/OS-II的低功耗改进策略。这对于延长无线传感器网络系统生存周期和普及应用有着重要意义。
1 低功耗软件系统设计原理
嵌入式系统中，在硬件平台已经确定的情况下，软件系统主要从CPU和外部设备两方面来降低功耗。
CPU相关的功耗管理可以通过控制CPU的工作模式来实现。CPU一般有运行模式、空闲模式、休眠模式、睡眠模式和掉电模式，分别对应CPU内部的不同工作频率。它们之间的转化关系以及功耗消耗顺序如图1所示。省电的原则就是处理器只有在有用户操作或任务处理时才处于运行模式，其他时间都处于睡眠模式，以最大程度地提高电源效率。
外围设备的功耗管理，可以根据系统在进入特定功耗模式时所发出的事件进入设备相应的功耗模式来实现，也可以由用户设定外围设备控制器来使能外围设备，达到控制外围设备功耗的目的。在最近的研究中，已经开始考虑同时动态改变处理器的电压和频率来进一步降低功率，这是一个更为复杂、更为系统的工程，涉及从硬件到操作系统以及应用层的有关内容。
2 无线传感器网络操作系统的低功耗策略
无线传感器网络操作系统是传感器节点硬件和应用软件的结合部分，对功耗的管理模块也在此实现。该模块设计的好坏直接决定着整个传感器网络系统寿命的长短。下面介绍几种典型无线传感器网络操作系统的功耗管理方式。
TinyOS是美国加州大学伯克里分校开发的，一个专为无线嵌入式传感器网络设计的开放源代码的操作系统。它具有基于组件的特性，在传感器网络天生就严格限制内存的条件下，可以用最小代码快速来创新和实现。其功耗管理主要体现为以下几点：
◇ TinyOS的每项服务都可以通过StdControl.stop命令被停止；
◇ 控制外围设备的构件可以将外围设备切换到低功耗模式；
◇ TinyOS的HPLPowerManagement构件通过检查处理器的I/O引脚和寄存器状态，将处理器置于相应的低功耗模式；
◇ 调度器会在就绪任务队列为空时，自动将处理器置于低功耗模式。
SOS是加州大学纽约分校开发的一个采用动态重编程思想，实现在单个节点动态装卸代码模块的无线传感器网络操作系统。与TinyOS类似,它提供一般的抽象接口来管理传感器节点外围设备的功耗状态，且调度器也会在就绪任务队列为空时自动将处理器置于低功耗模式。
Mantis OS是美国科罗拉多大学开发的是一个以易用性和灵活性为主要目标的无线传感器操作系统，支持快速、灵活地搭建无线传感器网络原型系统。它通过管理与 Unix系统类似的SLEEP函数来实现能量的优化配置。当所有的用户线程都睡眠后,调度器就可以控制系统进入低功耗模式，从而避免进入耗费能量的忙等待状态。具体任务调度过程如图2所示。
Contiki是瑞典科学院开发的一款专门为8位机设计的轻量级操作系统。它没有显式的功耗管理策略,但是它将控制权转交给各个应用模块，由调度器提供当前状态下事件队列的信息。这些信息可以帮助应用程序在没有事件任务调度时关闭处理器,进入低功耗模式。
3 基于ATmega128L和μC/OS-II的低功耗策略
3.1 硬件特性
本低功耗模型中,数据处理单元选用Atmel公司的ATmega128L微控制器。它采用低功耗CMOS工艺生产的基于RISC结构的8位微控制器，是目前 AVR系列中功能最强大的单片机，具有丰富的资源和极低的功耗。它具有片内128 KB的程序Flash和4 KB的数据SRAM，可外扩到64 KB的E2PROM；8个10位ADC通道，2个8位和2个16位硬件定时/计数器，并可在多种不同的模式下工作；8个PWM通道，可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器；UART、SPI、I2C总线接口和JTAG接口。除了正常操作模式外，还具有6种不同等级的低功耗模式。每种模式具有不同的特点，如表1所列。
3.2 软件特性
μC/OS-II是一个简单、高效的嵌入式实时操作系统内核，它具有可抢占的实时多任务调度系统功能，而且提供了用于任务间同步、互斥、通信的系统服务。这些功能可以根据不同需求进行裁减，它的最小化内核能编译到2 KB，目前已经被移植到x86、ARM、PowerPC、MIPS等众多体系结构上。基于短小精悍、可移植性强的特点，μC/OS-II很适用于无线传感器网络节点芯片。
3.3 μC/OS-II在ATmega128L上的移植
（1） 定义基本配置
◇ 定义编译器相关的数据类型；
◇ 定义允许和禁止中断宏；
◇ 定义栈的增长方向；
◇ 定义用于任务切换的宏OS_TASK_SW()。
（2） 实现OS_CPU_A.ASM文件的系统结构相关函数
OSStaerHighRdy： 负责获取新任务的堆栈指针，并从堆栈指针中恢复新任务的所有处理器寄存器。
OSCtxSW： 负责保存当前任务的处理器寄存器到堆栈中，并根据需要恢复任务的堆栈指针恢复处理器寄存器。
OSIntCtxSW： 在中断时保存当前任务的处理器寄存器，恢复新任务的处理器寄存器。
OSTickISR： 定时中断函数。
3.4 μC/OS-II的低功耗改进策略
μC/OS-II是一个可抢占的多任务嵌入式实时操作系统。任务调度采用64级位图优先级算法，每个优先级只允许有一个任务，因此，除去系统保留的8个任务，μC/OS-II共允许用户使用56个优先级不同的任务。这种优先级算法有利于保证系统的实时性，使高优先级任务及时得到响应。但是，这种多任务并发调度并没有考虑低功耗的应用,在资源极其有限的无线传感器网络中很难发挥作用,因此需要对它作些改进。
在μC/OS-II中,当系统中没有其他任务被调度执行时,调度器开始执行空闲任务。该任务执行一个忙等待操作,不断地循环等待中断，因此处理器一直处于运行状态，消耗较多能量。
为保证系统功耗管理的高效率和灵活性，我们提供了相应的机制来确保应用对功耗模式的直接控制，主要包括以下三方面内容：
第一，在设计应用程序时，可以根据需要设置系统的功耗工作模式。在μC/OS-II中为应用程序提供了专门的系统调用接口。
第二，系统在运行过程中，能够根据系统的工作状态自动进行功耗管理，从而使系统工作于与系统状态相适应的功耗模式。
当系统中没有其他活动任务时，空闲任务得到执行，系统自动进入空闲模式；如果有外部事件发生，则系统将回到运行模式。系统在空闲模式的工作时间超过预先设定的值时，系统自动进入休眠功耗模式；如果发生了需要系统应用处理的外部事件，则系统将自动回到运行模式。在休眠模式下，如果没有发生需要系统处理的事件，则系统自动进入睡眠模式。对于睡眠模式，若发生外部事件，则系统回到休眠模式。若该事件对系统来说为有效事件，则系统将进入运行模式。当有任务睡眠时，将该任务挂入睡眠队列。当系统中所有任务都睡眠时，系统进入睡眠模式。当睡眠队列中有任务睡眠时间到期时，触发中断，激活CPU，重新开始调度。
第三，可以使能或不使能某种特定的功耗模式。
在具体实现过程中，采取了如下策略：
① 在μC/OS-II内核中扩展了一个睡眠任务队列。该队列接收睡眠的任务，并将这些任务按照睡眠时间长短进行排序。如果位于队列头的任务睡眠时间到期，则从队列中取下该任务，并重新调整队列中的睡眠时间。
② 修改μC/OS-II内核的任务调度器，当就绪队列中没有任务执行时，不再执行消耗能量的空循环操作。它首先判断是否有任务被挂起在I/O操作上。如果是，则让系统进入休眠模式。此时，如果外部有效I/O操作发生，则系统恢复运行模式。如果所有任务都调用了SLEEP函数，则使系统进入睡眠模式，然后由睡眠任务队列维护的外部定时器来负责唤醒睡眠的系统。
③ 实现任务睡眠和功耗模式切换等相关函数。
④ 实现并封装功耗模式使能、切换等相关函数，提供相应接口供用户任务显式调用。
4 性能测试结果
改进后的μC/OS-II已移植到ATmega128L开发板上，系统运行稳定。表2和表3分别为改进前和改进后在各种软件状态下测得的系统功耗。
5 结论
无线传感器网络节点作为一种嵌入式设备，很长时间都处于无任务运行的空闲状态。如果能够根据系统的工作状态自动进行功耗管理，使系统工作于与系统状态相适应的功耗模式，那么能够极大地降低系统功耗，从而延长系统的寿命。这在对能耗要求极高的无线传感器网络中有着重要意义。
参考文献
[1] Boulis A,Han C-C，Srivastava M B.Design and implementation of a framework for efficient and programmable sensor networks[C].In Proceedings of the First International Conference on Mobile Systems,Applications,and Services,2003:187-200.
[2] Jason Hill,et al.System Architecure Directions for Networed sensors[C].In Proceedings of the Ninth International Conference on Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems,2000.
[3] Dunkels A,Gronvall B,Voigt T. Contiki-a lightweight and flexible operating system for tiny networked sensors.In Proceedings of the First IEEE Workshop on Embedded Networked Sensors,2004.
邱?t(硕士研究生)：主要研究方向为嵌入式实时操作系统及其应用；
桑楠(教授)，主要研究方向为高可信赖的实时操作系统、实时调度、分布式实时系统、普适计算及容错计算。
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