基于曼迪斯的无线传感器网络移动代理平台的开发方法

技术领域

本发明是一种分布式计算和无线传感器网络技术的解决方法。主要用于解决基于曼迪斯(一种传感器节点的操作系统)上开发移动代理平台的问题，属于分布式计算和无线传感器网络的技术领域。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)是由具有感知、处理和无线通信能力的微型传感器通过自组织方式形成的网络，同时也是一种可协同工作的分布式计算系统。在现实中具有很强的应用相关性，它可以应用在军事、环境监测、医疗监护、空间探索、文物保护以及农业等诸多方面。为了促进无线传感器网络的更广泛应用，必须采取一定的措施能够让它更廉价，具备更好的易用性和可扩展性。

然而，随着无线传感器网络技术的不断成熟和发展，针对越来越多的应用，目前的一些应用软件根本满足不了当前的需要。在节点配置到实际环境之中，应用程序已经固定在节点上，当需求突然改变时，需要对不同位置上的节点进行重新编程，这样会耗费更多的人力和财力。例如，布置在森林中的节点具备采集数据并对数据进行处理的功能，一旦检测到火灾险情，节点需要将数据传输到远程控制端或者传输到邻近节点让其报警处理。当然，这些功能可以集成在一起，但应用程序的尺度变得庞大起来，可维护性将会削弱。

目前有两种技术可以解决这个问题，一种是Mate，另外一种是SensorWare，二者都是采用无线传感器网络对节点进行重新编程，都含有优点和缺点。Mate技术是将应用程序分割成小单元功能块，这些功能块可以通过网络路由到每个节点，而节点只存储该功能块的最新版本，并解释运行这些功能块所携带的指令就可以实现相应的任务。然而Mate技术中，用户不能对节点上的功能块进行控制，每个节点上的功能块都是不确定的，单个节点所需要完成的特定功能无法精确满足。而SensorWare采用动态插入代理脚本的技术，允许节点上运行多个应用程序。但是，这种脚本在迁移性上表现不是很好，并且包含固定的入口点，对系统平台上资源要求很高。

针对无线传感器网络的上述问题，一般采用中间件技术进行解决。而目前的无线传感器网络系统中间件主要是提供访问传感器的便捷接口，并为无线传感器网络应用的实现、运行和维护提供支持。迄今这方面的研究主要集中在支持数据管理、软件更新等的中间件上。

为了解决无线传感器网络的网络动态重新编程问题，华盛顿大学计算机学院提出了Agilla中间件模型并在TinyOS上设计实现了Agilla。针对以往节点应用程序的不可扩展性，Agilla将应用程序看成是可以在节点间相互迁移的移动代理，这些移动代理具有可定位性、智能性以及动态性等特点。实际上，每一个移动代理都是一个含有相关指令以及虚拟内存的虚拟机，当指令得到解析执行时，代理就与平台进行交互，并且能够在节点间相互迁移。当然，在单个物理节点上，可以容纳多个可以相互协作的代理。然而，Agilla目前只是应用在TinyOS操作系统之上，针对现有的其它操作系统，例如曼迪斯、SOS等，并没有相应的具体设计与实现。

曼迪斯是由Colorado(科罗拉多)大学计算机研究学院开发的一种基于多线程机制的无线传感器网络操作系统。在曼迪斯上开发应用程序，同样具有上述缺点。基于曼迪斯的应用程序一旦下载到节点上，可扩展性非常差，因此，必须采取一定的措施让基于曼迪斯的应用程序具备良好的扩展性能，当应用需求改变时，可以动态修改节点具备的功能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于曼迪斯的无线传感器网络移动代理平台的开发方法，用于解决曼迪斯应用范围狭窄、网络重新编程困难等问题，降低了曼迪斯上应用程序的开发成本。

技术方案：本发明适用于无线传感器网络系统平台曼迪斯，也可根据本发明开发全新的移动代理中间件平台。本发明通过将移动代理机制引入到基于该移动代理平台的应用开发中，其目标是实现无线传感器网络节点的远程动态重新编程，动态地修改节点的功能，降低在曼迪斯上应用开发的成本和难度。

实现基于移动代理的无线传感器网络应用程序，它应具备以下特征：整个应用程序的功能应该由移动代理来完成，可以在现有的移动代理平台上实现。而移动代理的功能可以在网络上动态的改变，节点上可以动态的插入或者删除移动代理，改变自身的功能，达到网络重新编程的目的，代理与代理之间可以进行协作，互相通信。

本发明中移动代理执行平台架构在曼迪斯之上，并管理节点上运行的所有代理。图1给出了整个移动代理平台的开发模型，该模型分为三层，最上层为移动代理部分，由用户通过无线网络或者串口插入到节点之上，中间层是移动代理执行平台，是整个发明的核心部分。最下层是无线传感器网络操作系统平台曼迪斯，主要负责提供移动代理执行平台的运行环境。

移动代理携带着节点的相关信息以及可执行指令，这些可执行指令经中间件平台解释执行，完成相应的任务，代理在执行的过程中，与代理平台进行交互，传递数据或者获取平台上由底层操作系统(曼迪斯)的参数。移动代理与移动代理之间可以通过远程消息控制来实现协作。并且，代理在网络上的功能具备动态更改性，一旦用户的需求改变，只需要修改代理的基本参数就可以达到目的。

代理在移动的过程中采用消息响应机制以及超时控制机制来保证迁移质量以及消除无线传感器网络拥塞。

方法流程

基于曼迪斯的无线传感器网络移动代理平台的开发方法所包含的步骤为：

步骤1).将移动代理平台分为平台信息管理模块、代理管理模块、指令系统模块以及二者之间交互的指令中转模块，

步骤2).对步骤1)中得到的平台信息管理模块分成节点信息管理模块和平台网络管理模块，将代理管理模块分成代理运行管理模块、代理迁移管理模块，将指令系统模块按照汇编语言规则进行分类，可划分为基本运算指令模块，代理操作指令模块，程序控制指令模块，设备控制指令模块，栈操作指令，

步骤3).由步骤2)所得到的结果，将节点信息管理模块划分为节点位置信息管理模块、节点邻居信息管理模块、网格信息管理模块，将平台网络管理模块分为平台网络消息发送管理模块以及平台网络信息接收模块，将代理运行管理模块划分为代理运行队列管理模块以及代理运行状态管理模块，将代理迁移管理模块进一步划分为代理接收模块和代理迁移模块，

步骤4).将步骤3)产生的平台网络信息接收模块以及节点位置信息管理模块结合曼迪斯多线程的特点采用线程的方式实现，同时采用曼迪斯提供的网络消息发送接口实现平台网络消息发送管理模块，

步骤5).将步骤4)所实现的模块编译并加载到节点上进行测试，测试时，节点位置信息管理模块利用平台网络消息发送管理模块提供的接口广播节点的位置消息，规定节点的位置消息包为四字节大小，前两个字节保存节点横坐标，后两个字节保存节点纵坐标，平台网络信息接收模块负责接收网络中的节点消息，如果接收到的数据包格式以及内容一致进行下一步，否则回到步骤4)进行流程分析，

步骤6).将步骤3)中产生的网络消息发送管理模块编译并加载到平台中，回到步骤5)，如果网格信息模块能够根据节点的号码采用线性算法产生节点的横纵坐标，并且平台网络信息接收模块所接收的内容与网格信息管理模块所产生的坐标一致，进行下一步，否则回到步骤3)重新设计网格信息发送管理模块以及节点邻居信息管理模块，

步骤7).在步骤3)中产生的节点邻居信息管理模块中添加节点邻居信息的添加、删除、检查、搜索、更新功能，加载到平台中，在平台网络信息接收模块中添加接口实现根据网络中收到的节点位置信息动态的修改节点邻居信息管理模块中的节点邻居信息，修改成功，进行下一步，否则回到步骤7)，

步骤8).将步骤3)中的代理运行队列管理模块采用队列的方式实现代理的插入、删除功能，在代理运行状态管理模块中结合代理运行队列管理模块中提供的功能实现代理的状态管理，包括停止，迁移，挂起，运行，睡眠状态，代理运行状态如果能够成功切换，进行下一步，否则回到步骤8)，

步骤9).根据步骤8)的代理运行状态管理模块提供的代理运行接口，通过指令预取的方式实现步骤1)中的指令中转模块，测试时，固定代理的指令码为0x17，如果能够读取指令，并能够运行代理，进行下一步，否则回到步骤9)，

步骤10).根据步骤8)的代理运行状态管理模块提供的代理迁移接口，鉴于无线网络传输可靠性比较差以及传输带宽限制的特点，采用多次发送、代理分片以及数据包应答机制实现步骤3)中的代理接收模块以及代理迁移模块，如果包含迁移指令的代理迁移成功，进行下一步，否则回到步骤10)，

步骤11).采用四则运算以及与或非运算来实现步骤2)中的基本运算指令模块；采用压栈出栈操作来实现步骤2)中的栈操作模块；采用跳转指令来实现步骤2)中的程序控制指令模块；由曼迪斯提供的设备驱动接口实现步骤2)中的设备控制指令模块，包括读写节点设备操作，然后测试这些指令的输入与经过指令运算以后的结果是否相匹配来判断每个指令模块的实现是否成功，是，则进行下一步，否则回到步骤11)，

步骤12).结合指令中转模块以及指令模块，测试步骤11)实现的每条指令，观察指令的运行结果，如果运行正确，进行下一步，否则回到步骤11)，

步骤13).将不同的指令组合在一起进行系统测试，包括运算指令、程序控制指令、代理迁移指令、栈操作指令、设备控制指令，并在网络中部署节点，利用曼迪斯提供的二进制代码装载程序将平台导入传感器节点进行测试，测试内容为代理指令运算是否正常，代理能否在网络中进行迁移，如果失败，回到步骤12)。

体系结构

图3给出了基于曼迪斯的移动代理开发平台的体系结构，该体系结构分为三层，最上层是移动代理层，针对不同的应用，移动代理在代理执行平台执行相应的任务，而且具有智能迁移指令，代理可以从一个节点移动到另外一个节点上执行任务，中间层是整个代理平台的核心层，整合了所有的功能模块，提供移动代理运行的基础设施，并和曼迪斯进行交互。最底层是曼迪斯系统，提供移动代理平台运行的环境，并控制节点上所有的资源，是代理平台与节点交互的媒介。

中间层主要根据平台应具有的功能进行划分，网络接口模块与其它模块紧密相连，调用曼迪斯的通信层接口，并提供其它模块访问的接口，邻居信息管理模块从网络接口模块所提供的接口处获得邻居信息，并实时调用代理环境管理模块检查邻居信息的有效性，同时提供代理管理模块访问的接口。在代理管理模块中，运行代理与引擎模块相互调用，引擎模块启动指令解析模块，并进一步调用指令中转模块所提供的接口对代理所包含的指令进行解析，针对代理迁移以及接收，该模块分别调用邻居信息模块提供的接口以及代理迁移接收协调处理模块，同时调用有关代理体系结构操作的模块对迁移代理进行处理，包括有代理状态管理模块、代理代码管理模块、代理堆栈管理模块以及代理可扩展模块等。

而最下层属于曼迪斯，它提供代理平台所需要的基本环境，并向上层提供访问接口，包括网络通信接口以及节点设备控制接口，另外，在中间件平台中，对设备的访问集成在指令系统中，属于节点操作指令模块，包括节点上各种传感器设备的控制以及其它可用资源的控制。

最上层移动代理部分的功能由用户自己定义，将伪汇编指令组合起来添加到代理的代码块中，并通过网络接口插入到节点上的移动代理平台之上，平台随即启动代理管理模块启动引擎模块执行代理指定的任务。当然，移动代理可以从一个节点迁移到另外一个节点，同样具备四种操作模式，即强迁移、弱迁移以及强克隆和弱克隆四种。

有益效果：本发明提出了基于曼迪斯的应用程序新型开发方法，以及使用该方法开发出的基于移动代理的体系结构。本发明使用虚拟机思想以及移动代理技术，具有以下几个优点，显然是其它基于曼迪斯的无线传感器网络中间件所不具备的：

(1)实现功能的细分和降低开发难度：使用移动代理的方法，将复杂的应用程序功能分解为简单的移动代理颗粒，功能的细分增加了任务执行和分派的合理性，减小了传统应用程序的开发难度，提高了开发的效率。同时，开发出来的移动代理可以很方便的被复用于每个节点上的代理平台，极大的提升了代码的可复用性。

(2)提高应用开发的抽象性：应用程序的开发无需了解底层操作系统的细节，可以根据代理具备的指令系统定制应用，屏蔽了复杂的低层代码实现；另一方面，可以通过将标准的指令代码映射成不同平台相应的低层系统调用，降低多平台移动代理应用开发的工作量。

(3)动态形成和改变节点的功能：可以通过指令的不同组合动态的生成不同能力的移动代理，通过网络路由到目标节点，去完成各种各样的任务。移动代理还可以通过更新代码来动态的增加或删减自身的功能，极大的增强移动代理对网络环境和任务需求的适应能力。

(4)提高移动代理的可扩展性：针对指令系统模块，提供了指令的添加、删除接口，当应用需求发生改变，需要新的指令，通过该接口可以动态的修改指令系统。另外，在系统所有的模块启动中，均留有空间以备扩展，并且分配了一块动态共享内存区域用于扩展平台的数据管理功能。

(5)提供移动代理之间的交互能力：在指令系统中，为代理平台提供了代理远程注册以及本地和远程交互接口，实现了代理之间的任务协作机制。

(6)提供节点动态重新编程能力：在基于曼迪斯的应用程序开发中，目前还没有一种机制实现节点的网络重新编程，本发明采用虚拟机思想，将应用程序的功能模拟成一序列的二进制指令，通过网络插入到指定节点，让移动代理平台解释执行，完成相应的功能，达到节点重新编程的目的，节省了人力和财力资源。

附图说明

图1是基于曼迪斯的中间件开发模型，自左至右表示两个节点之间代理的迁移。

图2是中间件的网络部署，表示使用本发明方法的硬件物理平台以及网络拓扑结构图。

图3是整个整个中间件的体系结构，表示中间件应具备的功能模块以及模块之间相互调用的关系。