无线传感器网络是21世纪备受关注的研究热点之一,已广泛应用于军事国防、医疗护理、城市管理、地震监测、设备监测、建筑物结构监测等明显带有实时性需求的领域。本课题来源于风机设备健康监测、地震监测和输油管道泄漏监测三大无线传感器网络应用领域。由多个无线传感器节点实时采样各种振动信息后,通过自组织无线多跳的方式转发给中心基站节点,最终将信息传输给服务器处理,从而诊断风机故障源、地震P波及输油管的事故发生点。每次采样都需要多个无线传感器节点达到高精度的时间同步,含故障信息的振动波具有稍纵即逝、不可再现的特性,因此对无线传感器网络的实时性提出较高要求。目前,为了提高无线传感器网络的实时性,主要从五个方面考虑即无线传感器硬件平台、操作系统、程序设计语言、通信协议和时间同步算法。本文主要是从无线传感器网络专用实时操作系统层面进行研究,结合风机健康诊断、地震和输油管道泄漏监测等三种应用需求,对无线传感器网络实时操作系统的体系结构和内核相关服务如任务管理、任务间通信与同步机制、内存管理、调度机制、中断管理、能量管理、时间管理等进行了全面深入的分析和研究,构建了一个适合强实时监测系统的操作系统模型。由国外开发的运用于无线传感器网络的小型商业操作系统大都成本高、结构复杂、源代码不公开,并不适合强实时监测系统。而对于源码公开的TinyOS、T-Kernel和μC/OS-Ⅱ。TinyOS是单任务内核,没有抢占机制,实时性无法保证,而μC/OS-Ⅱ、T-Kernel虽然都是抢占式调度但内存占用空间大,显然都不适合。因此,急需引入实时性强、内存开销又小的操作系统。关于操作系统体系构架设计问题,本文是通过分析嵌入式操作系统常用的几种体系结构组成特点,为达到高效、简单、灵活、安全的要求,在设计操作系统时选用了层次式体系结构,同时采用模块化的设计方法。为达到强实时目标,本文重点研究了调度机制和中断管理机制。强实时监测系统任务可分为软实时任务和强实时任务。为了使强实时任务能得到及时调度,同时要兼顾到公平性原则,本文提出了一种混合式调度：软实时任务采用时间片轮转的调度算法,强实时任务是采用基于优先级的抢占式调度。就目前这三种应用而言,强实时任务共有四个优先级,按优先级从高到低排列是能量状态监测任务、传感采样任务、射频管理任务和MAC任务,并且强实时任务都有对应的中断向量从而减少了任务切换次数,提高了系统实时性。针对中断管理机制,因强实时监测系统的中断响应能力要快且稳,因此为可屏蔽中断建立了统一的中断入口,同时采用半嵌套工作方式,通过中断分段处理机制解决中断和任务的ITC机制共享问题。本文还对内核的任务管理、任务同步及通信、时钟管理、内存管理、能量管理等基本服务进行了设计。最后,通过功能测试和实时测试,其结果表明操作系统设计合理,具有很好的强实时性。