面向动态异构无线传感器网络的宏编程关键技术研究

Wireless sensor networks (WSN) consisted of embedded sensor nodes. Constructing an application for WSN not only requires the embedded background rarely found among application domain experts, but also is difficult and complicate. The current researches demonstrate that the sensor network macroprogramming, which describes the function entity in network by a macro abstract, can help to simplify programming work. However, because of impacts of the heterogeneity and dynamic, the current macroprogramming approach is unsuited to the dynamic heterogeneous wireless sensor network (HWSN). For this, we research the key techniques of macroprogramming for dynamic HWSN from the following three folds: 1) Considering the heterogeneity of network, in order to simplifying the programming work, researches the programming abstract and paradigm; 2) Considering the topology dynamic of network, in order to guarantee the running stabilization of deployed application, researches the task migration method; 3) Considering the requirement dynamic of network, in order to reducing the energy overhead, researches the incremental reprogramming method based on cache optimization.

无线传感器网络是由大量的嵌入式节点组成。在其上构建应用需要开发者具备相应的嵌入式背景，且编程复杂，开发难度较大。传感器网络宏编程是目前解决该问题的主要方法，它通过抽象网络中的功能实体简化编程过程，可以有效提高开发效率。然而受到网络异构性以及动态性的影响，现有的宏编程方法并不适合于动态异构无线传感器网络。为此，本项目将从以下三个方面研究面向动态异构传感网络的宏编程关键技术：1）针对网络异构性，从简化应用编程角度，研究合理的编程抽象和编程范式；2）针对网络拓扑动态性，从应用程序执行角度，研究适合于资源受限节点的任务迁移方法；3）针对网络需求动态性，从降低能量开销角度，研究基于缓存优化的增量式重编程方法。

当前，传感器网络主要是由低功耗嵌入式感知节点构成。感知节点在通信资源和能耗方面受到严格的限制，且容易受到外部环境因素的干扰，造成传感器网络本身具有较强的动态性。特别是在一些应用场景中，需要引入移动节点协助节点完成特定的任务。移动节点在空间位置上的不断变化，很难保证其通信的可靠性，进一步加剧了传感器网络的动态性。针对这种网络动态性，应用构建者需要设计相应的冗余机制，确保节点失效或者节点位置改变时，不会对传感器网络上执行的应用程序造成影响。然而冗余机制的引入会使针对传感器网络的应用程序开发变的异常复杂，为了提高应用程序执行的稳定性，应用构建者不得不考虑各种突发情况并针对每种突发情况编写专门的处理模块，因此势必减少对整体编程逻辑的思考。为此，我们从传感器网络嵌入式节点的动态性和能量受限两个方面展开对传感器网络宏编程的研究。针对节点动态性，我们提出了一种基于时空属性宏编程方法，通过抽象网络中的编程要素时间与空间，将编程与底层嵌入式节点相隔离。保证了节点发生动态变化时，对于上层编程者的不可见，并通过解释器和运行时系统提高任务执行的鲁棒性。为此我们已从时空属性的定义、接口编程、任务脚本分解以及任务生成等四个方面展开研究。进而，针对节点的能量受限的问题，我们研究了一种基于能量的任务块加载机制，通过将任务块保存在节点易失性存储单元，减少对高功耗非易失性存储单元的读写操作，从而降低任务块加载时产生的重组能量开销。为此，我们已从任务块的分页机制以及任务块的缓存策略展开研究。最后，我们还针对失联节点，提出一种基于可见光通信的任务块加载机制，从一定程度上提高了宏编程在动态环境中实施的可靠性。