王家兵，吳洪明，楊志剛

（1.重慶交通大學(xué) 圖書館，重慶400074；2.重慶交通大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院；3.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院）

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（WSNOS）在構(gòu)建高效、安全可靠、可擴(kuò)展、分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）時起著核心作用。由于WSN節(jié)點(diǎn)往往處于苛刻的工作環(huán)境，計算能力、內(nèi)存、功率等資源相對有限，難以采用傳統(tǒng)操作系統(tǒng)和嵌入式操作系統(tǒng)。目前有TinyOS、Contiki、MANTIS、LiteOS、Nano－RK、t－Kernel等各種 WSNOS［1－3］，人們特別是對 TinyOS［4］、Contiki［5］、Mantis［6］研究較多。這些 WSNOS各有優(yōu)勢，但也存在一些不足，如TinyOS采用nesC語言，學(xué)習(xí)曲線長；Contiki、Mantis支持的硬件平臺較少。近年來，拉脫維亞大學(xué)（University of Latvia）相關(guān)機(jī)構(gòu)研發(fā)的開源移動代理網(wǎng)狀傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) Mans－OS［7－9］（Mobile agent netted sensor Operating System），其研究和發(fā)展相當(dāng)活躍，在野生動物監(jiān)控［10］、道路狀況監(jiān)測［11］、環(huán)境監(jiān)測［12］等實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的效果。本文對MansOS的架構(gòu)、相關(guān)特性及應(yīng)用方法進(jìn)行了分析、研究，供廣大WSNOS研究與使用者參考。

1 MansOS體系結(jié)構(gòu)與特性

1.1 體系結(jié)構(gòu)

MansOS采用模塊化分層設(shè)計，劃分為三層：硬件表示層（Hardware Presentation Layer，HPL）、硬件抽象層（Hardware Abstraction Layer，HAL）和 硬 件 接 口 層（Hardware Interface Layer，HIL），體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中最底層HPL是與硬件直接進(jìn)行交互，定義了芯片等低級硬件的相關(guān)服務(wù)；中間層HAL包含了特定硬件平臺和擴(kuò)展模塊相關(guān)代碼，完成芯片選擇、引腳分配和平臺參數(shù)設(shè)定等功能；最上層HIL定義了設(shè)備驅(qū)動與設(shè)備管理，為應(yīng)用提供統(tǒng)一的、平臺無關(guān)的資源訪問服務(wù)。其體系結(jié)構(gòu)分離出了芯片相關(guān)、架構(gòu)相關(guān)、平臺相關(guān)、平臺獨(dú)立幾個層面的功能。MansOS沒有采用傳統(tǒng)操作系統(tǒng)單一、嚴(yán)格獨(dú)立的硬件抽象層，而允許用戶直接訪問所有層面功能，以更好利用特定的硬件設(shè)備，提高效率和靈活性，同時保持易于移植、代碼量小。

圖1 MansOS體系結(jié)構(gòu)［13］

MansOS整個源碼文件目錄如圖2所示，hil文件夾為硬件接口層，對用戶提供LED、ADC、USART、Sleep、無線通信以及傳感器等平臺無關(guān)的統(tǒng)一應(yīng)用程序接口；kernel文件夾為操作系統(tǒng)核心，包含設(shè)備管理、系統(tǒng)引導(dǎo)、系統(tǒng)調(diào)用支持等；chips文件夾為硬件表示層芯片相關(guān)代碼，包含各個微處理器與設(shè)備驅(qū)動；arch文件夾為 MSP430、AVR等架構(gòu)相關(guān)代碼，platforms文件夾為Arduino、TelosB等平臺相關(guān)代碼，I／O引腳、功能函數(shù)、與平臺和架構(gòu)相關(guān)常量也在arch與platform層定義。

圖2 MansOS源碼文件目錄

1.2 MansOS關(guān)鍵技術(shù)與特性

1.2.1 內(nèi)核設(shè)計

MansOS內(nèi)核設(shè)計為支持事件驅(qū)動與多線程兩種應(yīng)用執(zhí)行模式。系統(tǒng)啟動時調(diào)用initPlatform（）進(jìn)行平臺初始化并完成常用組件初始化，然后根據(jù)不同執(zhí)行模式，調(diào)用不同函數(shù)。事件驅(qū)動模式下，由于GCC不支持執(zhí)行main（）函數(shù)后的事件響應(yīng)，所以采用調(diào)用appMain（）函數(shù)來代替main函數(shù)。多線程模式下，初始化完畢直接調(diào)用main（）函數(shù)，再創(chuàng)建核心線程和用戶線程兩個線程。

默認(rèn)情形MansOS采用事件驅(qū)動模式。事件驅(qū)動模式的優(yōu)點(diǎn)是大量功能由中斷子程序?qū)崿F(xiàn)，應(yīng)用程序簡潔，代碼量小，只需管理一個堆棧，無需多線程時復(fù)雜的內(nèi)存管理，節(jié)省RAM占用量。不利的是，整個程序設(shè)計流程難以在代碼中反映，給程序編寫及調(diào)試帶來難度；另外，中斷嵌套要求整個操作系統(tǒng)代碼可重入，中斷子程序執(zhí)行時間太長可能導(dǎo)致系統(tǒng)阻塞。事件驅(qū)動模式下，應(yīng)用程序中需注冊回調(diào)函數(shù)，編寫相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)代碼，在主程序中通過調(diào)用sleep（）進(jìn)入低功耗省電模式。

對于線程模式，MansOS采用了核心線程與用戶線程層次式設(shè)計。核心線程負(fù)責(zé)系統(tǒng)事務(wù)處理，具有高優(yōu)先級別，用戶線程可以中斷其他用戶線程，但不能中斷核心線程，有多個用戶線程時則采用時間片輪轉(zhuǎn)法和優(yōu)化級兩種算法進(jìn)行調(diào)度。MansOS采用了信號量機(jī)制以實(shí)現(xiàn)線程同步，用堆棧檢測來防止堆棧溢出。通過各線程主循環(huán)中調(diào)用sleep（），在主線程及用戶線程均不活動時，系統(tǒng)進(jìn)入省電模式。

1.2.2 文件系統(tǒng)

MansOS設(shè)計了一個接口類似UNIX的簡單文件系統(tǒng)，把物理Flash芯片抽象為邏輯文件，并提供了各種基本的文件操作命令，使得用MansOS構(gòu)造的無線傳感器節(jié)點(diǎn)能對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和記錄。

MansOS文件系統(tǒng)把Flash芯片分成內(nèi)存段和固定大小的數(shù)據(jù)塊。一個內(nèi)存段是可一次擦除的最小內(nèi)存單元，含多個數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的大小可以選定，一個文件由一系列的數(shù)據(jù)塊鏈接而成，這使得文件的大小可以動態(tài)地分配。各個數(shù)據(jù)塊所在段、已使用、未使用、可擦除等標(biāo)識信息組成一個塊表，保存在EEPROM中。各文件的文件名、第一個數(shù)據(jù)塊號、文件大小等信息也保存在EEPROM中。MansOS文件系統(tǒng)采用單級目錄，數(shù)據(jù)只可追加，不可改寫，整個文件系統(tǒng)代碼小而管理簡單有效。

1.2.3 組件化設(shè)計與裁減機(jī)制

另外，在交通組織過程中，還需要融入交通綜合性以及交通科學(xué)性發(fā)展的目標(biāo)，以充分利用原有交通設(shè)置為宗旨，保證最好的改擴(kuò)建效果。根據(jù)項目實(shí)際情況，選擇最合理的施工方案，保證施工結(jié)果可以滿足實(shí)際安全需要。

為有效解決應(yīng)用WSNOS時可能發(fā)生的目標(biāo)代碼大、資源利用率低的問題，MansOS采用組件化的設(shè)計模式，以組件配置與選用來實(shí)現(xiàn)核心程序裁減。傳統(tǒng)桌面操作系統(tǒng)一般采用動態(tài)創(chuàng)建、動態(tài)終止線程與進(jìn)程，資源受限的WSNOS一般采用靜態(tài)編譯。MansOS采用編譯時對組件進(jìn)行充分選配，使運(yùn)行時再次配置的情況最少，目標(biāo)應(yīng)用代碼達(dá)到最小。極端情況下，用戶甚至可把整個OS作為常用函數(shù)庫來使用。

內(nèi)核裁減方面，MansOS通過編譯時交互與非交互兩部分來完成。交互部分由配置文件實(shí)現(xiàn)，用戶在系統(tǒng)默認(rèn)配置模板基礎(chǔ)上進(jìn)行平臺相關(guān)、架構(gòu)相關(guān)、應(yīng)用相關(guān)的配置，定義組件間包含、互斥關(guān)系；非交互部分是GCC與GNU binutils等編譯工具自動完成的代碼優(yōu)化、無關(guān)代碼剔除等操作。

1.2.4 運(yùn)行時管理與無線再編程支持

MansOS提供了一個命令行界面（shell）供用戶進(jìn)行運(yùn)行時的管理，其基于簡單系統(tǒng)消息協(xié)議（Simple System Message Protocol，SSMP），以廣播或單播的形式對整個網(wǎng)絡(luò)中可到達(dá)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。shell可采用交互形式，也可在腳本中執(zhí)行。

無線再編程使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能進(jìn)行節(jié)點(diǎn)代碼遠(yuǎn)程更新，使應(yīng)用開發(fā)、部署及維護(hù)更具靈活性。MansOS實(shí)現(xiàn)了一個有效的無線再編程機(jī)制，把整個無線再編程分為4個階段，各階段內(nèi)容及實(shí)現(xiàn)方法如表1所列。

表1 MansOS無線再編程實(shí)現(xiàn)流程

應(yīng)用無線再編程時，節(jié)點(diǎn)自舉后，引導(dǎo)程序會下載代碼替換原OS映像文件，完成OS映像文件更新。MansOS引導(dǎo)程序引入了檢測系統(tǒng)是否正確引導(dǎo)機(jī)制，多次引導(dǎo)失敗時，會自動重新加載上次OS映像，以防止無線再編程失敗時節(jié)點(diǎn)不可管理的現(xiàn)象發(fā)生。為節(jié)省更新時間和功耗，MansOS把代碼分成了用戶代碼段與核心代碼段，無線再編程可選擇對用戶代碼段或核心代碼段進(jìn)行部分更新。實(shí)際應(yīng)用中，無線再編程會引起節(jié)點(diǎn)代碼量增加，存在每次更新花費(fèi)時間較長等問題，應(yīng)根據(jù)具體情況選用。

1.2.5 可移植性與通信協(xié)議支持

為了能容易移植到各種處理器架構(gòu)，MansOS采用了平臺與代碼盡可能獨(dú)立的設(shè)計，并且內(nèi)含MSP430、Atmel AVR以及PC架構(gòu)源碼，可直接應(yīng)用于Arduino Duemilanove（ATmega328PMCU）、Tmote Sky（MSP430F1611 MCU）、AdvanticSYS XM1000（MSP430F261MCU）以及Zolertia Z1（MSP430F2617MCU）等平臺。MansOS對UART、SPI、I2C總線等通信提供了平臺獨(dú)立的統(tǒng)一應(yīng)用程序接口，使外圍設(shè)備的驅(qū)動可應(yīng)用于不同平臺，只在進(jìn)行編譯時再鏈接具體的實(shí)現(xiàn)子程序庫即可。無線通信方面，MansOS支持IEEE 802.15.4兼容無線組網(wǎng)，如2.4G ZigBee，并采用uIPv6實(shí)現(xiàn)對IPv6協(xié)議棧的支持。

1.3 MansOS與其他WSNOS對比

MansOS發(fā)展源于LiteOS，架構(gòu)上融入了Contiki、MANTIS的一些優(yōu)點(diǎn)，使其在易用性、可裁剪性、目標(biāo)代碼大小以及平臺可移植等方面均有良好表現(xiàn)。相比Tiny－OS，MansOS采用C語言，代碼更易編寫、理解和管理；相比Contiki，MansOS的組件化設(shè)計與裁剪機(jī)制使資源利用更合理，生成目標(biāo)代碼更?。幌啾萂antis，MansOS把線程分為核心線程和用戶線程，且核心線程總優(yōu)先于用戶線程，使線程調(diào)度更簡單；相比LiteOS，MansOS分離出了架構(gòu)相關(guān)、平臺相關(guān)代碼，可移植性更好。

表2為TinyOS、Contiki、MANTI、LiteOS、MansOS在各性能方面的對比。

2 MansOS應(yīng)用開發(fā)

2.1 開發(fā)環(huán)境

MansOS相關(guān)應(yīng)用的開發(fā)需在Linux環(huán)境下進(jìn)行交叉編譯鏈接，或在Windows平臺下，用Cygwin或 MinGW與MSYS進(jìn)行。開發(fā)環(huán)境構(gòu)建包括源碼下載安裝、編譯器和編譯工具安裝等方面內(nèi)容。

MansOS的源碼可由http：／／code.google.com／p／mansos／下載［14］，也可采用SVN從http：／／mansos.net／svn／mansos／獲取最新源碼。

編譯器和編譯工具安裝應(yīng)根據(jù)目標(biāo)平臺架構(gòu)，選用對應(yīng)的編譯器。對于 MSP430平臺，采用 MSP430MCU GCC工具鏈，可從http：／／mspgcc.sourceforge.net下載，包括 gcc－msp430、msp430－libc、binutils－msp430等。對于ATMega328PMCU 的 Arduino Duemillanove等 Atmega平臺，采用 AVR－GCC工具鏈，包括gcc－avr、avr－libc、binutils－avr、avrdude等，可 從 http：／／www.nongnu.org／avrlibc／查到相關(guān)說明文檔及下載。

MansOS開發(fā)環(huán)境還需要常規(guī)的UNIX命令行工具，如make等。另外，由于MansOS采用了Python腳本完成目標(biāo)代碼鏈接，需安裝好Python。

實(shí)際工程應(yīng)用開發(fā)中還有對應(yīng)的目標(biāo)板，如Tmote Sky、Arduino Duemillanove控制板等，在沒實(shí)際目標(biāo)板時，僅可用MansOS內(nèi)建的PC仿真平臺進(jìn)行初步仿真。

2.2 典型應(yīng)用程序設(shè)計

典型的 MansOS應(yīng)用一般包括config、Makefile、main.c三個文件。config是應(yīng)用配置文件，包括MansOS組件的選配、編譯常量以及MCU型號、CPU主頻等相關(guān)定義；Makefile為GNU make使用文件，用于為各種架構(gòu)生成目標(biāo)代碼及上載代碼到目標(biāo)板；main.c為應(yīng)用程序C源碼文件。MansOS在apps／demo文件夾提供了一系列基本應(yīng)用、傳感器應(yīng)用、無線通信應(yīng)用以及設(shè)備驅(qū)動等源碼示例，供開發(fā)者參考。開發(fā)應(yīng)用時，編寫好config、Make－file、main.c文件，再運(yùn)行make完成編譯、鏈接及目標(biāo)代碼下載到目標(biāo)板。一個MansOS簡單應(yīng)用的main.c源碼如下：

表2 操作系統(tǒng)性能對比

2.3 調(diào)試與測試方法

MansOS應(yīng)用程序的調(diào)試與測試功能通?？捎肞RINTF、PRINT及PRINTLN函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。默認(rèn)情形下，對應(yīng)的輸出發(fā)送到串口，通過監(jiān)聽串口輸出可得到相關(guān)的信息。Linux下可采用minicom，Windows下可采用putty，監(jiān)聽前先設(shè)置好串口：波特率38 400，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無校驗(yàn)，無流控制。MansOS也提供了一個python腳本（mos／pc／tools／dumpserial／dumpser.py）用于串口監(jiān)聽，另外，通過應(yīng)用配置文件中設(shè)置CONST＿DPRINT＿TO＿RADIO＝1，可改變串口輸出到無線通信端口，在有LCD時，相關(guān)信息也可發(fā)送到LCD上顯示。

MansOS提供了一個命令行工具（mansos／pc／shell），可通過串口或無線通信進(jìn)行WSN節(jié)點(diǎn)的控制和配置，包括所有節(jié)點(diǎn)列表、讀傳感器值、設(shè)置傳感器、重啟、下載代碼、上載代碼等操作。對于MSP430MCU的傳感器板，MansOS還支持使用mspsim工具進(jìn)行調(diào)試。

結(jié) 語

利用WSNOS結(jié)合成熟硬件平臺來部署和實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，部署快速，編程簡潔，同時滿足穩(wěn)定、低功耗等要求，是WSN重要的發(fā)展方向。

MansOS作為一款功能齊全、可移植性強(qiáng)、易于使用的開源WSNOS，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

MansOS從2007年開始發(fā)展，目前仍處于從研究走向?qū)嶋H應(yīng)用的階段，不斷進(jìn)行著更新，一些特性仍在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行測試、研究和改進(jìn)。如開發(fā)環(huán)境方面，其集成開發(fā)環(huán)境在功能及適用性方面仍存在很多不足，需作大量的改進(jìn)以更好地支持實(shí)際工程的仿真、部署和測試；另外，需進(jìn)一步開發(fā)以支持更多種硬件平臺及無線通信協(xié)議，特別是在目前WSN與云計算整合的發(fā)展趨勢下，如能考慮添加與云計算平臺的融合，則能實(shí)現(xiàn)更多、更強(qiáng)大的應(yīng)用。

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