WSN網絡數據管理軟件系統設計研究

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【摘要】無線傳感器網絡盡管資源有限，但預計將在很長一段時間內不需要人工干預。然而，環境可能會發展出不可預知的特性，或者某些網絡功能可能需要一些更改。因此，有必要建立一種機制，允許在網絡節點部署后對其進行軟件重新編程。無線傳感網絡雖然已在很多領域擁有廣泛的應用，但絕大部分情況下只能執行環境監測的作用，無法對所監測的區域實行自主調節。網絡控制系統作為一種全分布、網絡實時反饋系統，可以彌補無線傳感網絡在此方面的不足。然而，由于其各自擁有不同的特點，無線傳感網絡與網絡控制系統的結合尚有很多問題需要解決。本文介紹了數據分發協議與操作系統支持環境的集成。分發協議負責在網絡上分發數據，而Epos實時更新系統將系統組件隔離在內存位置獨立的單元中，允許它們在執行時更新。我們已經評估了我們的基礎設施，使用真實的傳感器節點，在內存消耗、傳播和重新編程時間方面。

【關鍵詞】wsn網絡；數據管理；系統設計

1引言

網絡軟件的重編程基礎設施傳感器（wirelesssensornetwork，WSN）是由一個數據分發系統構成的，能夠組織數據的系統內存。通過使用嵌入式操作系統提供的應用程序，隱藏此數據組織的基礎結構[1]。通常情況下，重新編程可更新模塊構成。這些模塊的內存位置在運行時會被替換。此外，數據庫的所有新數據相關節點都能正確接收更多模塊，在重新編程的過程中為了提供安全的數據傳輸，應運用數據分發協議與操作系統基礎設施。Epos實時更新系統是操作系統的基礎系統，在內存消耗、方法調用時間和重新配置時間方面具有更好的性能。這一有利的結果是，Epos實時更新系統的內存消耗仍然需要改進。此外，Epos實時更新系統沒有任何用于數據傳播的支持[2]。

2WSN網絡數據管理軟件系統設計

一般來說，網絡重新編程過程分為3步進行，第1步是負責準備要傳播的數據。第2步包括整個傳播過程。第3步，操作系統重構機制解釋了接收數據并用它來更新程序內存。數據分發協議用于在網絡上分發數據，網絡使用自己的節點。特別是，這些協議必須確保將所有數據準確地傳遞到所有節點。在設計一個分發協議時，一些屬性必須考慮到：低延遲、低內存消耗、可靠性、能效、對節點的容忍度、插入/移除和均勻性、可靠性和一致性是強制性的，如它們保證了議定書的正確運作。全部屬性是唯一可取的。然而，一個協議忽略它們沒有什么用處。

2.1設計選擇

現有的協議會做出設計選擇，優先于某些協議。協議中的選擇在這項工作中開發了。（1）能源效率是非強制性的，被認為是最重要的，因為所有的操作都需要在許多嵌入式系統中，只有數量有限。（2）內存消耗被認為是第二大重要屬性，因為傳播協議不是節點的主要用途，只是一種服務，由操作系統提供。因此，不應限制應用程序可用的內存量。（3）最后，延遲。為了優化能源和內存消耗的一些特性未使用減少延遲（例如管道）。

2.2實行方式

所開發協議的狀態機通過一個街區一個街區地傳播數據，使用基于/訂閱的發送者選擇機制，使用接收器進行數據包丟失檢測，執行單播請求、廣播重傳之類的滑動窗口機制。節點定期其版本，所有相關方都會請求[3]。潛在發送方維護一個變量ReqCtr，初始化為零，每個變量遞增從節點收到的新請求（針對他）尚未計算。（1）宣布新版本，并防止節點成為發件人的請求。消息具有版本號、節點ID及其請求。當一個節點接收包含新版本的消息將發送包含發件人和收件人的請求消息。它自己的ID和接收到的ReqCtr的值。作為雙方的出版物和訂閱消息在競爭中成為發送者也會收到它。如果節點接收到一條消息，它將有一個較低的請求。節點ID用作斷開連接的工具，當一個節點成為發送方時，它發送一個“StartDownload”消息并開始逐包發送數據。（2）接收者將此節點定義為其“父節點”，并且只接受寄來的包裹。所有數據都有一個順序唯一的標識符，并且接收器保持最后一個收到的數據包。因此，在接收到一個新的數據包時，它檢查這些數字之間有差距。當損失是檢測到接收器發送單播重傳請求給發送者。重新傳輸的請求具有更優先級高于正常的數據包，那么發送方將首先響應在繼續傳輸之前發送所有請求。

3WSN網絡數據管理軟件系統

3.1Epos實時更新系統概述

用于軟件重新編程的Epos實時更新系統框架[4]。PROXY和AGENT元素創建來自方法調用之間的間接級別應用程序和操作系統。因此，是系統中唯一的知道組件的內存位置的成員。因此，能夠定位并更新系統組件的代碼和數據。此外，系統組件可以標記為可重構或者在編譯時通過在其特征類。對于那些未標記為可重新配置的組件，沒有增加內存和處理方面的開銷最終的系統映像。適配器類負責用于應用場景提供方面的調用。

3.2內存優化

標記為可重構的每個組件生成由于ELU而導致的內存消耗編程框架。除了實際的組件方法，還包括框架的代碼。此外，每個框架方法的代碼可為每個可重構組件復制。例如，方法更新，負責更新代碼，以及組件的數據將為每個組件復制。通過使用模板專門化技術，可克服這個限制。我們注意到，可以替換類和場景類中的幾種方法，按接收無類型參數的模板類。通過這種簡單的技術，減少了內存消耗，但不損失方法調用和重新配置時間。

3.3數據傳播協議集成

Epos實時更新系統接收組件的重新編程請求通過一個傳輸協議，該協議定義了更新消息的格式。在系統初始化過程中創建的線程，命名的重新配置程序，創建數據分發協議實例，在接收到新數據后，啟動重新編程過程。可以添加或刪除方法，更新整個組件（所有方法），更新應用程序、添加屬性和更新特定地址。如果更新/添加屬性值，數據狀態新舊組件屬性之間的傳遞為由集合完成并獲取每個屬性的方法。此消息結構允許數據的輕松集成傳播協議和操作系統。數據傳播協議以ETP格式裝載消息和通知更新的。相關工程未發現結構，但必須為開發人員抽象并提供一個簡單的更新過程。在更新過程重新配置程序啟動協議通過調用方法。此方法將一直阻止運行，直到節點接收到新版本。收到通知新數據，重新配置程序在ETP格式并將數據傳遞給。將新組件代碼寫入適當的如果需要，定位并更新所有表。

4WSN網絡數據管理軟件系統的開發運用

對基礎設施進行了內存消耗評估，通過網絡發送數據的延遲以及重新配置時間。這些測試是使用Mica2節點。系統是用GNU編譯器g++4.0.2生成的，內存消耗是用GNUobjdump2.16.1工具。延遲和重新配置時間由微控制器的定時器測量。

4.1相關存儲方式

所有框架元素的內存消耗對于這個測試，重新配置支持已為包含4個方法的組件啟用。這個分發協議占用碼區2536B，未初始化數據中有21B。創建新代碼時動態創建緩沖區，大小取決于更新的大小。這個Epos實時更新系統框架消耗1648B的代碼，26B的數據和68B的未初始化數據以及存儲對象和方法。當一個新的組件被添加到系統中時，創建、銷毀和更新方法表示，組件的構造函數、析構函數和更新方法，并且必須始終存在。每個組件也需要一個信號量來控制其獨占訪問和代碼運行時阻止更新。最小值對添加到框架中的新組件的消耗由構造函數、析構函數、Update方法組成一種無參數無返回的方法價值觀。通過空指針使用專門化，可以減少大約1.2KB（更多）的消耗50%以上。目前，系統新組件的最小內存是664KB，而不是1.6KB以前的Epos實時更新系統實現。

4.2測量延遲

為了測量延遲，我們使用了兩種結構：基站可以與所有節點通信，并且那里是基站范圍之外的節點。在兩種拓撲中按順序重復了20次傳播過程要更新系統組件的方法，請傳播10B的數據（用于更新方法）和6B的控制信息（由協議使用）?；舅玫钠骄鶗r間將數據傳播到其周圍的節點。我們觀察到標準偏差為0.0233s。這一次沒有改變通過在1～3之間改變接收器的數量。這是因為丟失的數據包高度相關，所以多個接收器丟失同一組數據包。傳播從基站到中間節點的數據，以及從這些到節點超出基站范圍[5]。可能注意到傳播數據所需的時間與正常網絡節點之間的距離約為4倍，比基站花費的時間還要長?；疚磮绦胁襟E選擇發件人的方法。這樣就可以不用版本和接收請求最終成為發送方開始傳播數據。中間時間節點的標準偏差為1.1288s。

4.3重新配置時間

重新配置時間包括節點的時間在接收到所有必要的數據。對更新的調用，恢復在ETP消息上傳遞的參數中，恢復要在哈希表中更新的對象，找到vtable，并在Flash中寫入數據，獲得平均重新配置時間。Mica2平臺的一個特點是不可能在閃存中一次只改變一個字節。它只允許在頁（256B）和之前寫入重寫一頁就必須刪除它的內容。因此，為了更新一部分內存，有必要讀取頁面內容，將其存儲在臨時緩沖區中，修改只有它想要的部分，最后寫在Flash里。

5結語

本文提出了一種無線傳感器網絡的操作系統運行時重編程基礎結構，該結構由數據分發模塊組成協議和Epos實時更新系統。該基礎設施在無線傳感器網絡中進行了測試使用實節點，并根據內存進行評估、傳播和重新編程的時間。數字證實了設計選擇比相關工作中的好，還通過使用C++模板專業化技術證實了這一點。

【參考文獻】

[1]李鵬，閔慧.WSN網內數據存儲與檢索技術分析[J].軟件導刊，2018，17(10):10-13.

[2]李佩玉.WSN監控系統中路由和網關系統的研究與實現[D].北京：華北電力大學，2016.

[3]郭水英.WSN數據采集與分析系統設計與實現[D].南昌:南昌航空大學，2015.

[4]陳洪新.基于WSN的水質監測系統設計與應用[D].蘇州:蘇州大學，2014.

[5]王金一，閻保平.基于NETCONF的WSN網絡管理系統設計[J].計算機工程與科學，2011，33(8):1-7.

作者：席奇 單位：景德鎮學院