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近年来,无线低功耗技术的发展使得无线传感网络成为一种新的计算模式,引起了国内外研究者的广泛关注。无线传感网络可应用于多种应用场景,如环境监测、军事监控、建筑物保护等。传感网络节点系统的研究是大规模传感网络研究的基础。尽管在面向传感网络的嵌入式操作系统(简称嵌入式传感操作系统)领域已有不少研究工作,但已有操作系统仍不能满足实际应用程序的不同需求。为此,本文首先综述了嵌入式传感操作系统的研究进展,相关工作发表在IEEE核心期刊IEEE Communications Surveys and Tutorials上。基于此,本文抽象出嵌入式传感操作系统设计中的四个核心问题,并通过设计与实现SenSpire OS来解决上述问题。(1)灵活性问题。本文提出一个灵活的编程模型。该模型综合了事件驱动编程模型与多线程编程模型。SenSpire OS的混合编程模型具有如下优点。第一,事件驱动子系统和多线程子系统具有低耦合性,因此允许表达和定制多种不同的调度策略。第二,允许事件抢占,从而能有效提高事件驱动子系统的实时性。第三,提出了新的混合模型调度策略,即区分式内核调度策略,通过使用堆栈共享技术,有效降低内存占用。相关工作已被国际期刊IEEE Transactions on Computers录用。(2)实时性问题。本文提出了一种实时的调度机制FIT,满足传感网络实时应用程序的需求。FIT首次在传感节点上进行详尽实时任务分析。此外,FIT还包括一个MTSP算法,特别针对传感节点资源受限的特点,通过优化抢占优先级个数,减少资源占用。通过典型实例研究,验证了FIT方法能保证系统的实时性,并能有效减小系统的资源开销。相关工作发表在国际会议IEEE/ACM DCOSS 2008以及国际期刊IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems上。(3)可扩展性问题。本文提出了一种灵活、高效的模块文件格式,能支持模块的动态加载与链接,从而大大提高了嵌入式传感操作系统的扩展性。和前人工作相比,本文的设计具有如下优势。第一,本文的设计达到灵活性与高效性的合理折中,通过链式引用、预链接等技术,既能大大压缩模块文件的大小,又允许灵活的模块化编程和模块间通信。第二,本文解决了模块依赖问题,从而提高了模块化设计的可靠性与高效性。相关工作发表在国际会议IEEE MASS 2009上。借助于该模块化思想,本文又基于TinyOS,提出了一种新的网络重编程方法Elon。该方法能有效减少网络传输的代码量,大大提高网络重编程的生命周期。相关工作发表在国际会议ACM SIGMETRICS 2010上。本文也提出了一种基于网络编码的轻量级重编程协议,能大大减小在不可靠网络中的传输开销,相关工作已被国际期刊IEEE Transactions on Mobile Computing录用。(4)自适应性问题。无线传感网络通常部署在环境多样化的野外场景中,即使在室内的环境中,链路也具有动态的特性。因此自适应的通信机制十分重要。本文提出了一种动态包长控制策略DPLC,通过动态优化数据包的长度,达到增加网络带宽、减少能量消耗的目的。DPLC首次在无线传感网络中进行动态包长优化。通过精确的链路估计、轻量级的系统实现,DPLC在一个典型的数据收集协议中能减少13%的传输量和41.8%的能量开销。相关工作发表在国际会议IEEE INFOCOM2010上,投稿到IEEE Transactions on Computers上(修改中)