摘要 低功耗研究是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個熱點,可分成硬件和軟件兩個層面進行研究。本文從軟件層面，特別是操作系統(tǒng)的角度介紹了低功耗研究的技術(shù)背景，并分析了現(xiàn)有的典型傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)在低功耗管理方面采取的策略，提出了μC/OS-II在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的低功耗改進方法。經(jīng)過移植、測試，改進后的μC/OS-II在低功耗方面有了顯著的提高。

關(guān)鍵詞 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 操作系統(tǒng) 低功耗 μC/OS-II

引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由一個個具有數(shù)據(jù)采集、計算和通信能力的傳感器節(jié)點，通過自組織網(wǎng)絡(luò)形成的一個動態(tài)、自適應(yīng)的分布式計算平臺。每個傳感器都是典型的嵌入式系統(tǒng)，具有存儲容量小、運算能力差、功耗低、易失效的特點。因此，它對傳統(tǒng)嵌入式應(yīng)用開發(fā)者提出了更高的要求，迫切需要系統(tǒng)軟件的精心設(shè)計，以滿足其可靠性和持久性的要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點決定了盡可能地降低系統(tǒng)功耗成為系統(tǒng)設(shè)計的核心要素之一。為此，在目前開發(fā)的一些傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)中，都把功耗管理作為一個重要的模塊來設(shè)計。例如美國加州大學(xué)伯克利分校的TinyOS，加州大學(xué)紐約分校的SOS和美國科羅拉多大學(xué)的Mantis OS等專為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計的操作系統(tǒng)都有自己的低功耗管理策略。

　　本文主要從軟件的角度研究降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功耗的機制與策略，提出了基于μC/OS-II的低功耗改進策略。這對于延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生存周期和普及應(yīng)用有著重要意義。

1? 低功耗軟件系統(tǒng)設(shè)計原理

　　嵌入式系統(tǒng)中，在硬件平臺已經(jīng)確定的情況下，軟件系統(tǒng)主要從CPU和外部設(shè)備兩方面來降低功耗。

　　CPU相關(guān)的功耗管理可以通過控制CPU的工作模式來實現(xiàn)。CPU一般有運行模式、空閑模式、休眠模式、睡眠模式和掉電模式，分別對應(yīng)CPU內(nèi)部的不同工作頻率。它們之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系以及功耗消耗順序如圖1所示。省電的原則就是處理器只有在有用戶操作或任務(wù)處理時才處于運行模式，其他時間都處于睡眠模式，以最大程度地提高電源效率。

圖1? CPU模式的功耗消耗順序以及轉(zhuǎn)化關(guān)系

　　外圍設(shè)備的功耗管理，可以根據(jù)系統(tǒng)在進入特定功耗模式時所發(fā)出的事件進入設(shè)備相應(yīng)的功耗模式來實現(xiàn)，也可以由用戶設(shè)定外圍設(shè)備控制器來使能外圍設(shè)備，達(dá)到控制外圍設(shè)備功耗的目的。在最近的研究中，已經(jīng)開始考慮同時動態(tài)改變處理器的電壓和頻率來進一步降低功率，這是一個更為復(fù)雜、更為系統(tǒng)的工程，涉及從硬件到操作系統(tǒng)以及應(yīng)用層的有關(guān)內(nèi)容。

2? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的低功耗策略

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)是傳感器節(jié)點硬件和應(yīng)用軟件的結(jié)合部分，對功耗的管理模塊也在此實現(xiàn)。該模塊設(shè)計的好壞直接決定著整個傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)壽命的長短。下面介紹幾種典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的功耗管理方式。

　　TinyOS是美國加州大學(xué)伯克里分校開發(fā)的，一個專為無線嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的開放源代碼的操作系統(tǒng)。它具有基于組件的特性，在傳感器網(wǎng)絡(luò)天生就嚴(yán)格限制內(nèi)存的條件下，可以用最小代碼快速來創(chuàng)新和實現(xiàn)。其功耗管理主要體現(xiàn)為以下幾點：

　　◇ TinyOS的每項服務(wù)都可以通過StdControl.stop命令被停止；
　　◇ 控制外圍設(shè)備的構(gòu)件可以將外圍設(shè)備切換到低功耗模式；
　　◇ TinyOS的HPLPowerManagement構(gòu)件通過檢查處理器的I/O引腳和寄存器狀態(tài)，將處理器置于相應(yīng)的低功耗模式；
　　◇ 調(diào)度器會在就緒任務(wù)隊列為空時，自動將處理器置于低功耗模式。

　　SOS是加州大學(xué)紐約分校開發(fā)的一個采用動態(tài)重編程思想，實現(xiàn)在單個節(jié)點動態(tài)裝卸代碼模塊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。與TinyOS類似,它提供一般的抽象接口來管理傳感器節(jié)點外圍設(shè)備的功耗狀態(tài)，且調(diào)度器也會在就緒任務(wù)隊列為空時自動將處理器置于低功耗模式。

　　Mantis OS是美國科羅拉多大學(xué)開發(fā)的是一個以易用性和靈活性為主要目標(biāo)的無線傳感器操作系統(tǒng)，支持快速、靈活地搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)。它通過管理與Unix系統(tǒng)類似的SLEEP函數(shù)來實現(xiàn)能量的優(yōu)化配置。當(dāng)所有的用戶線程都睡眠后,調(diào)度器就可以控制系統(tǒng)進入低功耗模式，從而避免進入耗費能量的忙等待狀態(tài)。具體任務(wù)調(diào)度過程如圖2所示。

圖2? Mantis OS的任務(wù)調(diào)度過程

　　Contiki是瑞典科學(xué)院開發(fā)的一款專門為8位機設(shè)計的輕量級操作系統(tǒng)。它沒有顯式的功耗管理策略,但是它將控制權(quán)轉(zhuǎn)交給各個應(yīng)用模塊，由調(diào)度器提供當(dāng)前狀態(tài)下事件隊列的信息。這些信息可以幫助應(yīng)用程序在沒有事件任務(wù)調(diào)度時關(guān)閉處理器,進入低功耗模式。

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,數(shù)據(jù)處理單元選用Atmel公司的ATmega128L微控制器。它采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于RISC結(jié)構(gòu)的8位微控制器，是目前 AVR系列中功能最強大的單片機，具有豐富的資源和極低的功耗。它具有片內(nèi)128 KB的程序Flash和4 KB的數(shù)據(jù)SRAM，可外擴到64 KB的E2PROM；8個10位ADC通道，2個8位和2個16位硬件定時/計數(shù)器，并可在多種不同的模式下工作；8個PWM通道，可編程看門狗定時器和片上振蕩器、片上模擬比較器；UART、SPI、I2C總線接口和JTAG接口。除了正常操作模式外，還具有6種不同等級的低功耗模式。每種模式具有不同的特點，如表1所列。

表1? ATmega128L 6種低功耗模式的特點

3.2? 軟件特性

　　μC/OS-II是一個簡單、高效的嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，它具有可搶占的實時多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)功能，而且提供了用于任務(wù)間同步、互斥、通信的系統(tǒng)服務(wù)。這些功能可以根據(jù)不同需求進行裁減，它的最小化內(nèi)核能編譯到2 KB，目前已經(jīng)被移植到x86、ARM、PowerPC、MIPS等眾多體系結(jié)構(gòu)上?；诙绦【?、可移植性強的特點，μC/OS-II很適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點芯片。

3.3? μC/OS-II在ATmega128L上的移植

（1）? 定義基本配置

　　◇ 定義編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型；
　　◇ 定義允許和禁止中斷宏；
　　◇ 定義棧的增長方向；
　　◇ 定義用于任務(wù)切換的宏OS_TASK_SW()。

（2）? 實現(xiàn)OS_CPU_A.ASM文件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)函數(shù)

　　OSStaerHighRdy： 負(fù)責(zé)獲取新任務(wù)的堆棧指針，并從堆棧指針中恢復(fù)新任務(wù)的所有處理器寄存器。
　　OSCtxSW： 負(fù)責(zé)保存當(dāng)前任務(wù)的處理器寄存器到堆棧中，并根據(jù)需要恢復(fù)任務(wù)的堆棧指針恢復(fù)處理器寄存器。
　　OSIntCtxSW： 在中斷時保存當(dāng)前任務(wù)的處理器寄存器，恢復(fù)新任務(wù)的處理器寄存器。
　　OSTickISR： 定時中斷函數(shù)。

3.4? μC/OS-II的低功耗改進策略

　　μC/OS-II是一個可搶占的多任務(wù)嵌入式實時操作系統(tǒng)。任務(wù)調(diào)度采用64級位圖優(yōu)先級算法，每個優(yōu)先級只允許有一個任務(wù)，因此，除去系統(tǒng)保留的8個任務(wù)，μC/OS-II共允許用戶使用56個優(yōu)先級不同的任務(wù)。這種優(yōu)先級算法有利于保證系統(tǒng)的實時性，使高優(yōu)先級任務(wù)及時得到響應(yīng)。但是，這種多任務(wù)并發(fā)調(diào)度并沒有考慮低功耗的應(yīng)用,在資源極其有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中很難發(fā)揮作用,因此需要對它作些改進。

　　在μC/OS-II中,當(dāng)系統(tǒng)中沒有其他任務(wù)被調(diào)度執(zhí)行時,調(diào)度器開始執(zhí)行空閑任務(wù)。該任務(wù)執(zhí)行一個忙等待操作,不斷地循環(huán)等待中斷，因此處理器一直處于運行狀態(tài)，消耗較多能量。

　　為保證系統(tǒng)功耗管理的高效率和靈活性，我們提供了相應(yīng)的機制來確保應(yīng)用對功耗模式的直接控制，主要包括以下三方面內(nèi)容：

　　第一，在設(shè)計應(yīng)用程序時，可以根據(jù)需要設(shè)置系統(tǒng)的功耗工作模式。在μC/OS-II中為應(yīng)用程序提供了專門的系統(tǒng)調(diào)用接口。

　　第二，系統(tǒng)在運行過程中，能夠根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)自動進行功耗管理，從而使系統(tǒng)工作于與系統(tǒng)狀態(tài)相適應(yīng)的功耗模式。

　　當(dāng)系統(tǒng)中沒有其他活動任務(wù)時，空閑任務(wù)得到執(zhí)行，系統(tǒng)自動進入空閑模式；如果有外部事件發(fā)生，則系統(tǒng)將回到運行模式。系統(tǒng)在空閑模式的工作時間超過預(yù)先設(shè)定的值時，系統(tǒng)自動進入休眠功耗模式；如果發(fā)生了需要系統(tǒng)應(yīng)用處理的外部事件，則系統(tǒng)將自動回到運行模式。在休眠模式下，如果沒有發(fā)生需要系統(tǒng)處理的事件，則系統(tǒng)自動進入睡眠模式。對于睡眠模式，若發(fā)生外部事件，則系統(tǒng)回到休眠模式。若該事件對系統(tǒng)來說為有效事件，則系統(tǒng)將進入運行模式。當(dāng)有任務(wù)睡眠時，將該任務(wù)掛入睡眠隊列。當(dāng)系統(tǒng)中所有任務(wù)都睡眠時，系統(tǒng)進入睡眠模式。當(dāng)睡眠隊列中有任務(wù)睡眠時間到期時，觸發(fā)中斷，激活CPU，重新開始調(diào)度。

　　第三，可以使能或不使能某種特定的功耗模式。

　　在具體實現(xiàn)過程中，采取了如下策略：

　?、? 在μC/OS-II內(nèi)核中擴展了一個睡眠任務(wù)隊列。該隊列接收睡眠的任務(wù)，并將這些任務(wù)按照睡眠時間長短進行排序。如果位于隊列頭的任務(wù)睡眠時間到期，則從隊列中取下該任務(wù)，并重新調(diào)整隊列中的睡眠時間。
　?、? 修改μC/OS-II內(nèi)核的任務(wù)調(diào)度器，當(dāng)就緒隊列中沒有任務(wù)執(zhí)行時，不再執(zhí)行消耗能量的空循環(huán)操作。它首先判斷是否有任務(wù)被掛起在I/O操作上。如果是，則讓系統(tǒng)進入休眠模式。此時，如果外部有效I/O操作發(fā)生，則系統(tǒng)恢復(fù)運行模式。如果所有任務(wù)都調(diào)用了SLEEP函數(shù)，則使系統(tǒng)進入睡眠模式，然后由睡眠任務(wù)隊列維護的外部定時器來負(fù)責(zé)喚醒睡眠的系統(tǒng)。
　　③? 實現(xiàn)任務(wù)睡眠和功耗模式切換等相關(guān)函數(shù)。
　?、? 實現(xiàn)并封裝功耗模式使能、切換等相關(guān)函數(shù)，提供相應(yīng)接口供用戶任務(wù)顯式調(diào)用。

4? 性能測試結(jié)果

　　改進后的μC/OS-II已移植到ATmega128L開發(fā)板上，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。表2和表3分別為改進前和改進后在各種軟件狀態(tài)下測得的系統(tǒng)功耗。

表2? 改進前的μC/OS-II在各種軟件狀態(tài)下的系統(tǒng)功耗

表3? 改進后的μC/OS-II在各種軟件狀態(tài)下的系統(tǒng)功耗

5? 結(jié)論

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點作為一種嵌入式設(shè)備，很長時間都處于無任務(wù)運行的空閑狀態(tài)。如果能夠根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)自動進行功耗管理，使系統(tǒng)工作于與系統(tǒng)狀態(tài)相適應(yīng)的功耗模式，那么能夠極大地降低系統(tǒng)功耗，從而延長系統(tǒng)的壽命。這在對能耗要求極高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有著重要意義。

參考文獻(xiàn)

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邱祎(碩士研究生)，主要研究方向為嵌入式實時操作系統(tǒng)及其應(yīng)用；
桑楠(教授)，主要研究方向為高可信賴的實時操作系統(tǒng)、實時調(diào)度、分布式實時系統(tǒng)、普適計算及容錯計算。

（收修改稿日期：2006-12-20）