開源無線傳感器網絡操作系統MansOS研究

王家兵，吳洪明，楊志剛

（1.重慶交通大學 圖書館，重慶400074；2.重慶交通大學 應用技術學院；3.重慶交通大學 機電與汽車工程學院）

引 言

無線傳感器網絡操作系統（WSNOS）在構建高效、安全可靠、可擴展、分布式無線傳感器網絡（WSN）時起著核心作用。由于WSN節點往往處于苛刻的工作環境，計算能力、內存、功率等資源相對有限，難以采用傳統操作系統和嵌入式操作系統。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各有優勢，但也存在一些不足，如TinyOS采用nesC語言，學習曲線長；Contiki、Mantis支持的硬件平臺較少。近年來，拉脫維亞大學（University of Latvia）相關機構研發的開源移動代理網狀傳感器網絡操作系統 Mans－OS［7－9］（Mobile agent netted sensor Operating System），其研究和發展相當活躍，在野生動物監控［10］、道路狀況監測［11］、環境監測［12］等實際應用中獲得了良好的效果。本文對MansOS的架構、相關特性及應用方法進行了分析、研究，供廣大WSNOS研究與使用者參考。

1 MansOS體系結構與特性

1.1 體系結構

MansOS采用模塊化分層設計，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），體系結構如圖1所示。其中最底層HPL是與硬件直接進行交互，定義了芯片等低級硬件的相關服務；中間層HAL包含了特定硬件平臺和擴展模塊相關代碼，完成芯片選擇、引腳分配和平臺參數設定等功能；最上層HIL定義了設備驅動與設備管理，為應用提供統一的、平臺無關的資源訪問服務。其體系結構分離出了芯片相關、架構相關、平臺相關、平臺獨立幾個層面的功能。MansOS沒有采用傳統操作系統單一、嚴格獨立的硬件抽象層，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體系結構［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的統一應用程序接口；kernel文件夾為操作系統核心，包含設備管理、系統引導、系統調用支持等；chips文件夾為硬件表示層芯片相關代碼，包含各個微處理器與設備驅動；arch文件夾為 MSP430、AVR等架構相關代碼，platforms文件夾為Arduino、TelosB等平臺相關代碼，I／O引腳、功能函數、與平臺和架構相關常量也在arch與platform層定義。

圖2 MansOS源碼文件目錄

1.2 MansOS關鍵技術與特性

1.2.1 內核設計

MansOS內核設計為支持事件驅動與多線程兩種應用執行模式。系統啟動時調用initPlatform（）進行平臺初始化并完成常用組件初始化，然后根據不同執行模式，調用不同函數。事件驅動模式下，由于GCC不支持執行main（）函數后的事件響應，所以采用調用appMain（）函數來代替main函數。多線程模式下，初始化完畢直接調用main（）函數，再創建核心線程和用戶線程兩個線程。

默認情形MansOS采用事件驅動模式。事件驅動模式的優點是大量功能由中斷子程序實現，應用程序簡潔，代碼量小，只需管理一個堆棧，無需多線程時復雜的內存管理，節省RAM占用量。不利的是，整個程序設計流程難以在代碼中反映，給程序編寫及調試帶來難度；另外，中斷嵌套要求整個操作系統代碼可重入，中斷子程序執行時間太長可能導致系統阻塞。事件驅動模式下，應用程序中需注冊回調函數，編寫相應的回調函數代碼，在主程序中通過調用sleep（）進入低功耗省電模式。

對于線程模式，MansOS采用了核心線程與用戶線程層次式設計。核心線程負責系統事務處理，具有高優先級別，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法和優化級兩種算法進行調度。MansOS采用了信號量機制以實現線程同步，用堆棧檢測來防止堆棧溢出。通過各線程主循環中調用sleep（），在主線程及用戶線程均不活動時，系統進入省電模式。

1.2.2 文件系統

MansOS設計了一個接口類似UNIX的簡單文件系統，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構造的無線傳感器節點能對采集到的數據進行保存和記錄。

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

1.2.3 組件化設計與裁減機制

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性發展的目標，以充分利用原有交通設置為宗旨，保證最好的改擴建效果。根據項目實際情況，選擇最合理的施工方案，保證施工結果可以滿足實際安全需要。

為有效解決應用WSNOS時可能發生的目標代碼大、資源利用率低的問題，MansOS采用組件化的設計模式，以組件配置與選用來實現核心程序裁減。傳統桌面操作系統一般采用動態創建、動態終止線程與進程，資源受限的WSNOS一般采用靜態編譯。MansOS采用編譯時對組件進行充分選配，使運行時再次配置的情況最少，目標應用代碼達到最小。極端情況下，用戶甚至可把整個OS作為常用函數庫來使用。

內核裁減方面，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現，用戶在系統默認配置模板基礎上進行平臺相關、架構相關、應用相關的配置，定義組件間包含、互斥關系；非交互部分是GCC與GNU binutils等編譯工具自動完成的代碼優化、無關代碼剔除等操作。

1.2.4 運行時管理與無線再編程支持

MansOS提供了一個命令行界面（shell）供用戶進行運行時的管理，其基于簡單系統消息協議（Simple System Message Protocol，SSMP），以廣播或單播的形式對整個網絡中可到達的節點進行管理。shell可采用交互形式，也可在腳本中執行。

無線再編程使無線傳感器網絡能進行節點代碼遠程更新，使應用開發、部署及維護更具靈活性。MansOS實現了一個有效的無線再編程機制，把整個無線再編程分為4個階段，各階段內容及實現方法如表1所列。

表1 MansOS無線再編程實現流程

應用無線再編程時，節點自舉后，引導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引導程序引入了檢測系統是否正確引導機制，多次引導失敗時，會自動重新加載上次OS映像，以防止無線再編程失敗時節點不可管理的現象發生。為節省更新時間和功耗，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行部分更新。實際應用中，無線再編程會引起節點代碼量增加，存在每次更新花費時間較長等問題，應根據具體情況選用。

1.2.5 可移植性與通信協議支持

為了能容易移植到各種處理器架構，MansOS采用了平臺與代碼盡可能獨立的設計，并且內含MSP430、Atmel AVR以及PC架構源碼，可直接應用于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立的統一應用程序接口，使外圍設備的驅動可應用于不同平臺，只在進行編譯時再鏈接具體的實現子程序庫即可。無線通信方面，MansOS支持IEEE 802.15.4兼容無線組網，如2.4G ZigBee，并采用uIPv6實現對IPv6協議棧的支持。

1.3 MansOS與其他WSNOS對比

MansOS發展源于LiteOS，架構上融入了Contiki、MANTIS的一些優點，使其在易用性、可裁剪性、目標代碼大小以及平臺可移植等方面均有良好表現。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的組件化設計與裁剪機制使資源利用更合理，生成目標代碼更小；相比Mantis，MansOS把線程分為核心線程和用戶線程，且核心線程總優先于用戶線程，使線程調度更簡單；相比LiteOS，MansOS分離出了架構相關、平臺相關代碼，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應用開發

2.1 開發環境

MansOS相關應用的開發需在Linux環境下進行交叉編譯鏈接，或在Windows平臺下，用Cygwin或 MinGW與MSYS進行。開發環境構建包括源碼下載安裝、編譯器和編譯工具安裝等方面內容。

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根據目標平臺架構，選用對應的編譯器。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／查到相關說明文檔及下載。

MansOS開發環境還需要常規的UNIX命令行工具，如make等。另外，由于MansOS采用了Python腳本完成目標代碼鏈接，需安裝好Python。

實際工程應用開發中還有對應的目標板，如Tmote Sky、Arduino Duemillanove控制板等，在沒實際目標板時，僅可用MansOS內建的PC仿真平臺進行初步仿真。

2.2 典型應用程序設計

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

表2 操作系統性能對比

2.3 調試與測試方法

MansOS應用程序的調試與測試功能通常可用PRINTF、PRINT及PRINTLN函數來實現。默認情形下，對應的輸出發送到串口，通過監聽串口輸出可得到相關的信息。Linux下可采用minicom，Windows下可采用putty，監聽前先設置好串口：波特率38 400，數據位8位，停止位1位，無校驗，無流控制。MansOS也提供了一個python腳本（mos／pc／tools／dumpserial／dumpser.py）用于串口監聽，另外，通過應用配置文件中設置CONST＿DPRINT＿TO＿RADIO＝1，可改變串口輸出到無線通信端口，在有LCD時，相關信息也可發送到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行WSN節點的控制和配置，包括所有節點列表、讀傳感器值、設置傳感器、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工具進行調試。

結 語

利用WSNOS結合成熟硬件平臺來部署和實現各種應用，部署快速，編程簡潔，同時滿足穩定、低功耗等要求，是WSN重要的發展方向。

MansOS作為一款功能齊全、可移植性強、易于使用的開源WSNOS，具有巨大的發展潛力。

MansOS從2007年開始發展，目前仍處于從研究走向實際應用的階段，不斷進行著更新，一些特性仍在實際應用中進行測試、研究和改進。如開發環境方面，其集成開發環境在功能及適用性方面仍存在很多不足，需作大量的改進以更好地支持實際工程的仿真、部署和測試；另外，需進一步開發以支持更多種硬件平臺及無線通信協議，特別是在目前WSN與云計算整合的發展趨勢下，如能考慮添加與云計算平臺的融合，則能實現更多、更強大的應用。

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［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.