開源無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)MansOS研究

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(shí)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(jì)算能力、內(nèi)存、功率等資源相對(duì)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(duì) TinyOS［4］、Contiki［5］、Mantis［6］研究較多。這些 WSNOS各有優(yōu)勢(shì)，但也存在一些不足，如TinyOS采用nesC語言，學(xué)習(xí)曲線長(zhǎng)；Contiki、Mantis支持的硬件平臺(tái)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(dòng)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(dòng)物監(jiān)控［10］、道路狀況監(jiān)測(cè)［11］、環(huán)境監(jiān)測(cè)［12］等實(shí)際應(yīng)用中獲得了良好的效果。本文對(duì)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(jì)，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(jí)硬件的相關(guān)服務(wù)；中間層HAL包含了特定硬件平臺(tái)和擴(kuò)展模塊相關(guān)代碼，完成芯片選擇、引腳分配和平臺(tái)參數(shù)設(shè)定等功能；最上層HIL定義了設(shè)備驅(qū)動(dòng)與設(shè)備管理，為應(yīng)用提供統(tǒng)一的、平臺(tái)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(tái)相關(guān)、平臺(tái)獨(dú)立幾個(gè)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(shí)保持易于移植、代碼量小。

圖1 MansOS體系結(jié)構(gòu)［13］

MansOS整個(gè)源碼文件目錄如圖2所示，hil文件夾為硬件接口層，對(duì)用戶提供LED、ADC、USART、Sleep、無線通信以及傳感器等平臺(tái)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(gè)微處理器與設(shè)備驅(qū)動(dòng)；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(tái)相關(guān)代碼，I／O引腳、功能函數(shù)、與平臺(tái)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(jì)

MansOS內(nèi)核設(shè)計(jì)為支持事件驅(qū)動(dòng)與多線程兩種應(yīng)用執(zhí)行模式。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)調(diào)用initPlatform（）進(jìn)行平臺(tái)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(dòng)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(gè)線程。

默認(rèn)情形MansOS采用事件驅(qū)動(dòng)模式。事件驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)潔，代碼量小，只需管理一個(gè)堆棧，無需多線程時(shí)復(fù)雜的內(nèi)存管理，節(jié)省RAM占用量。不利的是，整個(gè)程序設(shè)計(jì)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(gè)操作系統(tǒng)代碼可重入，中斷子程序執(zhí)行時(shí)間太長(zhǎng)可能導(dǎo)致系統(tǒng)阻塞。事件驅(qū)動(dòng)模式下，應(yīng)用程序中需注冊(cè)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(duì)于線程模式，MansOS采用了核心線程與用戶線程層次式設(shè)計(jì)。核心線程負(fù)責(zé)系統(tǒng)事務(wù)處理，具有高優(yōu)先級(jí)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(gè)用戶線程時(shí)則采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)法和優(yōu)化級(jí)兩種算法進(jìn)行調(diào)度。MansOS采用了信號(hào)量機(jī)制以實(shí)現(xiàn)線程同步，用堆棧檢測(cè)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(dòng)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入省電模式。

1.2.2 文件系統(tǒng)

MansOS設(shè)計(jì)了一個(gè)接口類似UNIX的簡(jiǎn)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(duì)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(gè)內(nèi)存段是可一次擦除的最小內(nèi)存單元，含多個(gè)數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的大小可以選定，一個(gè)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(dòng)態(tài)地分配。各個(gè)數(shù)據(jù)塊所在段、已使用、未使用、可擦除等標(biāo)識(shí)信息組成一個(gè)塊表，保存在EEPROM中。各文件的文件名、第一個(gè)數(shù)據(jù)塊號(hào)、文件大小等信息也保存在EEPROM中。MansOS文件系統(tǒng)采用單級(jí)目錄，數(shù)據(jù)只可追加，不可改寫，整個(gè)文件系統(tǒng)代碼小而管理簡(jiǎn)單有效。

1.2.3 組件化設(shè)計(jì)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(xiàng)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(shí)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(jì)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(dòng)態(tài)創(chuàng)建、動(dòng)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(shí)對(duì)組件進(jìn)行充分選配，使運(yùn)行時(shí)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(gè)OS作為常用函數(shù)庫(kù)來使用。

內(nèi)核裁減方面，MansOS通過編譯時(shí)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(tái)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(dòng)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(shí)管理與無線再編程支持

MansOS提供了一個(gè)命令行界面（shell）供用戶進(jìn)行運(yùn)行時(shí)的管理，其基于簡(jiǎn)單系統(tǒng)消息協(xié)議（Simple System Message Protocol，SSMP），以廣播或單播的形式對(duì)整個(gè)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(gè)有效的無線再編程機(jī)制，把整個(gè)無線再編程分為4個(gè)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(shí)，節(jié)點(diǎn)自舉后，引導(dǎo)程序會(huì)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(cè)系統(tǒng)是否正確引導(dǎo)機(jī)制，多次引導(dǎo)失敗時(shí)，會(huì)自動(dòng)重新加載上次OS映像，以防止無線再編程失敗時(shí)節(jié)點(diǎn)不可管理的現(xiàn)象發(fā)生。為節(jié)省更新時(shí)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(duì)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(huì)引起節(jié)點(diǎn)代碼量增加，存在每次更新花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)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(tái)與代碼盡可能獨(dú)立的設(shè)計(jì)，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(tái)。MansOS對(duì)UART、SPI、I2C總線等通信提供了平臺(tái)獨(dú)立的統(tǒng)一應(yīng)用程序接口，使外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)可應(yīng)用于不同平臺(tái)，只在進(jìn)行編譯時(shí)再鏈接具體的實(shí)現(xiàn)子程序庫(kù)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(duì)IPv6協(xié)議棧的支持。

1.3 MansOS與其他WSNOS對(duì)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(tái)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(jì)與裁剪機(jī)制使資源利用更合理，生成目標(biāo)代碼更小；相比Mantis，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(jiǎn)單；相比LiteOS，MansOS分離出了架構(gòu)相關(guān)、平臺(tái)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(duì)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(tái)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(tái)架構(gòu)，選用對(duì)應(yīng)的編譯器。對(duì)于 MSP430平臺(tái)，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(duì)于ATMega328PMCU 的 Arduino Duemillanove等 Atmega平臺(tái)，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(duì)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(shí)，僅可用MansOS內(nèi)建的PC仿真平臺(tái)進(jìn)行初步仿真。

2.2 典型應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

典型的 MansOS應(yīng)用一般包括config、Makefile、main.c三個(gè)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(hào)、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(dòng)等源碼示例，供開發(fā)者參考。開發(fā)應(yīng)用時(shí)，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(gè)MansOS簡(jiǎn)單應(yīng)用的main.c源碼如下：

表2 操作系統(tǒng)性能對(duì)比

2.3 調(diào)試與測(cè)試方法

MansOS應(yīng)用程序的調(diào)試與測(cè)試功能通常可用PRINTF、PRINT及PRINTLN函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。默認(rèn)情形下，對(duì)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(gè)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(shí)，相關(guān)信息也可發(fā)送到LCD上顯示。

MansOS提供了一個(gè)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(duì)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(tái)來部署和實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用，部署快速，編程簡(jiǎn)潔，同時(shí)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(cè)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(cè)試；另外，需進(jìn)一步開發(fā)以支持更多種硬件平臺(tái)及無線通信協(xié)議，特別是在目前WSN與云計(jì)算整合的發(fā)展趨勢(shì)下，如能考慮添加與云計(jì)算平臺(tái)的融合，則能實(shí)現(xiàn)更多、更強(qiáng)大的應(yīng)用。

［1］劉金娟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及操作系統(tǒng)研究［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2009.

［2］Thang Vu Chien，Hung Nguyen Chan，Thanh Nguyen Huu.A comparative study on operating system for Wireless Sensor Networks［C］／／Proceedings of International Conference on Advance Computer Science and Information System 2011（ICACSIS 2011）.Indonesia Jakarta：IEEE eXpress Conference Publishing，2011：73－78.

［3］Farooq M O，Kunz T.Operating Systems for Wireless Sensor Networks：A Survey ［J］.Sensors 2011，11（6）：5900－5930.

［4］段海龍，楊麗，任淑艷，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)TinyOS的研究與實(shí)例開發(fā)［J］.科技通報(bào)，2012，28（4）：200－202.

［5］冀宇鑫，楊冬，秦雅娟，等.基于 WSNs平臺(tái)的Contiki通用移植方法研究［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22（11）：134－137.

［6］劉莉，黃海平.基于MantisOS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)模型［J］.信息技術(shù)，2010（6）：127－129.

［7］MansOS［EB／OL］.［2013－01］.http：／／mansos.edi.lv.

［8］G Strazdins，A Elsts，L Selavo.MansOS：easy to use，portable and resource efficient operating system for networked embedded devices［C］／／Proceedings of the 8th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems（SenSys'10）.New York：ACM，2010：427－428.

［9］A Elsts，G Strazdins，A Vihrov，et al.Design and Implementation of MansOS：a Wireless Sensor Network Operating System［J］.Scientific Papers University of Latvia，2012，787：79－105.

［10］R Zviedris，A Elsts，G Strazdins，et al.LynxNet：Wild Animal Monitoring Using Sensor Networks［C］／／Proceedings of the 4th international conference on Real－world wireless sensor networks.Berlin Heidelberg：Springer，2010：170－173.

［11］Artis Mednis，Atis Elsts，Leo Selavo.Embedded Solution for Road Condition Monitoring Using Vehicular Sensor Networks［C］／／Proceedings of the 6th International Conference on Application of Information and Communication Technologies（AICT 2012）.Germany Stuttgart：IEEE eXpress Conference Publishing，2012：248－252.

［12］Atis Elsts，Rihards Balass，Janis Judvaitis，et al.SAD－mote：A Robust and Cost－Effective Device for Environmental Monitoring［C］／／ARCS＇12Proceedings of the 25th international conference on Architecture of Computing Systems，Berlin Heidelberg：Springer，2012：225－237.

［13］MansOS ［EB／OL］.［2013－01］.http：／／mansos.net／wiki／index.php／MansOS.

［14］MansOS［EB／OL］.［2013－01］.http：／／code.google.com／p／mansos.