开源无线传感器网络操作系统MansOS研究

王家兵，吴洪明，杨志刚

（1.重庆交通大学 图书馆，重庆400074；2.重庆交通大学 应用技术学院；3.重庆交通大学 机电与汽车工程学院）

引 言

无线传感器网络操作系统（WSNOS）在构建高效、安全可靠、可扩展、分布式无线传感器网络（WSN）时起着核心作用。由于WSN节点往往处于苛刻的工作环境，计算能力、内存、功率等资源相对有限，难以采用传统操作系统和嵌入式操作系统。目前有TinyOS、Contiki、MANTIS、LiteOS、Nano－RK、t－Kernel等各种 WSNOS［1－3］，人们特别是对 TinyOS［4］、Contiki［5］、Mantis［6］研究较多。这些 WSNOS各有优势，但也存在一些不足，如TinyOS采用nesC语言，学习曲线长；Contiki、Mantis支持的硬件平台较少。近年来，拉脱维亚大学（University of Latvia）相关机构研发的开源移动代理网状传感器网络操作系统 Mans－OS［7－9］（Mobile agent netted sensor Operating System），其研究和发展相当活跃，在野生动物监控［10］、道路状况监测［11］、环境监测［12］等实际应用中获得了良好的效果。本文对MansOS的架构、相关特性及应用方法进行了分析、研究，供广大WSNOS研究与使用者参考。

1 MansOS体系结构与特性

1.1 体系结构

MansOS采用模块化分层设计，划分为三层：硬件表示层（Hardware Presentation Layer，HPL）、硬件抽象层（Hardware Abstraction Layer，HAL）和 硬 件 接 口 层（Hardware Interface Layer，HIL），体系结构如图1所示。其中最底层HPL是与硬件直接进行交互，定义了芯片等低级硬件的相关服务；中间层HAL包含了特定硬件平台和扩展模块相关代码，完成芯片选择、引脚分配和平台参数设定等功能；最上层HIL定义了设备驱动与设备管理，为应用提供统一的、平台无关的资源访问服务。其体系结构分离出了芯片相关、架构相关、平台相关、平台独立几个层面的功能。MansOS没有采用传统操作系统单一、严格独立的硬件抽象层，而允许用户直接访问所有层面功能，以更好利用特定的硬件设备，提高效率和灵活性，同时保持易于移植、代码量小。

图1 MansOS体系结构［13］

MansOS整个源码文件目录如图2所示，hil文件夹为硬件接口层，对用户提供LED、ADC、USART、Sleep、无线通信以及传感器等平台无关的统一应用程序接口；kernel文件夹为操作系统核心，包含设备管理、系统引导、系统调用支持等；chips文件夹为硬件表示层芯片相关代码，包含各个微处理器与设备驱动；arch文件夹为 MSP430、AVR等架构相关代码，platforms文件夹为Arduino、TelosB等平台相关代码，I／O引脚、功能函数、与平台和架构相关常量也在arch与platform层定义。

图2 MansOS源码文件目录

1.2 MansOS关键技术与特性

1.2.1 内核设计

MansOS内核设计为支持事件驱动与多线程两种应用执行模式。系统启动时调用initPlatform（）进行平台初始化并完成常用组件初始化，然后根据不同执行模式，调用不同函数。事件驱动模式下，由于GCC不支持执行main（）函数后的事件响应，所以采用调用appMain（）函数来代替main函数。多线程模式下，初始化完毕直接调用main（）函数，再创建核心线程和用户线程两个线程。

默认情形MansOS采用事件驱动模式。事件驱动模式的优点是大量功能由中断子程序实现，应用程序简洁，代码量小，只需管理一个堆栈，无需多线程时复杂的内存管理，节省RAM占用量。不利的是，整个程序设计流程难以在代码中反映，给程序编写及调试带来难度；另外，中断嵌套要求整个操作系统代码可重入，中断子程序执行时间太长可能导致系统阻塞。事件驱动模式下，应用程序中需注册回调函数，编写相应的回调函数代码，在主程序中通过调用sleep（）进入低功耗省电模式。

对于线程模式，MansOS采用了核心线程与用户线程层次式设计。核心线程负责系统事务处理，具有高优先级别，用户线程可以中断其他用户线程，但不能中断核心线程，有多个用户线程时则采用时间片轮转法和优化级两种算法进行调度。MansOS采用了信号量机制以实现线程同步，用堆栈检测来防止堆栈溢出。通过各线程主循环中调用sleep（），在主线程及用户线程均不活动时，系统进入省电模式。

1.2.2 文件系统

MansOS设计了一个接口类似UNIX的简单文件系统，把物理Flash芯片抽象为逻辑文件，并提供了各种基本的文件操作命令，使得用MansOS构造的无线传感器节点能对采集到的数据进行保存和记录。

MansOS文件系统把Flash芯片分成内存段和固定大小的数据块。一个内存段是可一次擦除的最小内存单元，含多个数据块，数据块的大小可以选定，一个文件由一系列的数据块链接而成，这使得文件的大小可以动态地分配。各个数据块所在段、已使用、未使用、可擦除等标识信息组成一个块表，保存在EEPROM中。各文件的文件名、第一个数据块号、文件大小等信息也保存在EEPROM中。MansOS文件系统采用单级目录，数据只可追加，不可改写，整个文件系统代码小而管理简单有效。

1.2.3 组件化设计与裁减机制

另外，在交通组织过程中，还需要融入交通综合性以及交通科学性发展的目标，以充分利用原有交通设置为宗旨，保证最好的改扩建效果。根据项目实际情况，选择最合理的施工方案，保证施工结果可以满足实际安全需要。

为有效解决应用WSNOS时可能发生的目标代码大、资源利用率低的问题，MansOS采用组件化的设计模式，以组件配置与选用来实现核心程序裁减。传统桌面操作系统一般采用动态创建、动态终止线程与进程，资源受限的WSNOS一般采用静态编译。MansOS采用编译时对组件进行充分选配，使运行时再次配置的情况最少，目标应用代码达到最小。极端情况下，用户甚至可把整个OS作为常用函数库来使用。

内核裁减方面，MansOS通过编译时交互与非交互两部分来完成。交互部分由配置文件实现，用户在系统默认配置模板基础上进行平台相关、架构相关、应用相关的配置，定义组件间包含、互斥关系；非交互部分是GCC与GNU binutils等编译工具自动完成的代码优化、无关代码剔除等操作。

1.2.4 运行时管理与无线再编程支持

MansOS提供了一个命令行界面（shell）供用户进行运行时的管理，其基于简单系统消息协议（Simple System Message Protocol，SSMP），以广播或单播的形式对整个网络中可到达的节点进行管理。shell可采用交互形式，也可在脚本中执行。

无线再编程使无线传感器网络能进行节点代码远程更新，使应用开发、部署及维护更具灵活性。MansOS实现了一个有效的无线再编程机制，把整个无线再编程分为4个阶段，各阶段内容及实现方法如表1所列。

表1 MansOS无线再编程实现流程

应用无线再编程时，节点自举后，引导程序会下载代码替换原OS映像文件，完成OS映像文件更新。MansOS引导程序引入了检测系统是否正确引导机制，多次引导失败时，会自动重新加载上次OS映像，以防止无线再编程失败时节点不可管理的现象发生。为节省更新时间和功耗，MansOS把代码分成了用户代码段与核心代码段，无线再编程可选择对用户代码段或核心代码段进行部分更新。实际应用中，无线再编程会引起节点代码量增加，存在每次更新花费时间较长等问题，应根据具体情况选用。

1.2.5 可移植性与通信协议支持

为了能容易移植到各种处理器架构，MansOS采用了平台与代码尽可能独立的设计，并且内含MSP430、Atmel AVR以及PC架构源码，可直接应用于Arduino Duemilanove（ATmega328PMCU）、Tmote Sky（MSP430F1611 MCU）、AdvanticSYS XM1000（MSP430F261MCU）以及Zolertia Z1（MSP430F2617MCU）等平台。MansOS对UART、SPI、I2C总线等通信提供了平台独立的统一应用程序接口，使外围设备的驱动可应用于不同平台，只在进行编译时再链接具体的实现子程序库即可。无线通信方面，MansOS支持IEEE 802.15.4兼容无线组网，如2.4G ZigBee，并采用uIPv6实现对IPv6协议栈的支持。

1.3 MansOS与其他WSNOS对比

MansOS发展源于LiteOS，架构上融入了Contiki、MANTIS的一些优点，使其在易用性、可裁剪性、目标代码大小以及平台可移植等方面均有良好表现。相比Tiny－OS，MansOS采用C语言，代码更易编写、理解和管理；相比Contiki，MansOS的组件化设计与裁剪机制使资源利用更合理，生成目标代码更小；相比Mantis，MansOS把线程分为核心线程和用户线程，且核心线程总优先于用户线程，使线程调度更简单；相比LiteOS，MansOS分离出了架构相关、平台相关代码，可移植性更好。

表2为TinyOS、Contiki、MANTI、LiteOS、MansOS在各性能方面的对比。

2 MansOS应用开发

2.1 开发环境

MansOS相关应用的开发需在Linux环境下进行交叉编译链接，或在Windows平台下，用Cygwin或 MinGW与MSYS进行。开发环境构建包括源码下载安装、编译器和编译工具安装等方面内容。

MansOS的源码可由http：／／code.google.com／p／mansos／下载［14］，也可采用SVN从http：／／mansos.net／svn／mansos／获取最新源码。

编译器和编译工具安装应根据目标平台架构，选用对应的编译器。对于 MSP430平台，采用 MSP430MCU GCC工具链，可从http：／／mspgcc.sourceforge.net下载，包括 gcc－msp430、msp430－libc、binutils－msp430等。对于ATMega328PMCU 的 Arduino Duemillanove等 Atmega平台，采用 AVR－GCC工具链，包括gcc－avr、avr－libc、binutils－avr、avrdude等，可 从 http：／／www.nongnu.org／avrlibc／查到相关说明文档及下载。

MansOS开发环境还需要常规的UNIX命令行工具，如make等。另外，由于MansOS采用了Python脚本完成目标代码链接，需安装好Python。

实际工程应用开发中还有对应的目标板，如Tmote Sky、Arduino Duemillanove控制板等，在没实际目标板时，仅可用MansOS内建的PC仿真平台进行初步仿真。

2.2 典型应用程序设计

典型的 MansOS应用一般包括config、Makefile、main.c三个文件。config是应用配置文件，包括MansOS组件的选配、编译常量以及MCU型号、CPU主频等相关定义；Makefile为GNU make使用文件，用于为各种架构生成目标代码及上载代码到目标板；main.c为应用程序C源码文件。MansOS在apps／demo文件夹提供了一系列基本应用、传感器应用、无线通信应用以及设备驱动等源码示例，供开发者参考。开发应用时，编写好config、Make－file、main.c文件，再运行make完成编译、链接及目标代码下载到目标板。一个MansOS简单应用的main.c源码如下：

表2 操作系统性能对比

2.3 调试与测试方法

MansOS应用程序的调试与测试功能通常可用PRINTF、PRINT及PRINTLN函数来实现。默认情形下，对应的输出发送到串口，通过监听串口输出可得到相关的信息。Linux下可采用minicom，Windows下可采用putty，监听前先设置好串口：波特率38 400，数据位8位，停止位1位，无校验，无流控制。MansOS也提供了一个python脚本（mos／pc／tools／dumpserial／dumpser.py）用于串口监听，另外，通过应用配置文件中设置CONST＿DPRINT＿TO＿RADIO＝1，可改变串口输出到无线通信端口，在有LCD时，相关信息也可发送到LCD上显示。

MansOS提供了一个命令行工具（mansos／pc／shell），可通过串口或无线通信进行WSN节点的控制和配置，包括所有节点列表、读传感器值、设置传感器、重启、下载代码、上载代码等操作。对于MSP430MCU的传感器板，MansOS还支持使用mspsim工具进行调试。

结 语

利用WSNOS结合成熟硬件平台来部署和实现各种应用，部署快速，编程简洁，同时满足稳定、低功耗等要求，是WSN重要的发展方向。

MansOS作为一款功能齐全、可移植性强、易于使用的开源WSNOS，具有巨大的发展潜力。

MansOS从2007年开始发展，目前仍处于从研究走向实际应用的阶段，不断进行着更新，一些特性仍在实际应用中进行测试、研究和改进。如开发环境方面，其集成开发环境在功能及适用性方面仍存在很多不足，需作大量的改进以更好地支持实际工程的仿真、部署和测试；另外，需进一步开发以支持更多种硬件平台及无线通信协议，特别是在目前WSN与云计算整合的发展趋势下，如能考虑添加与云计算平台的融合，则能实现更多、更强大的应用。

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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.