专为物联网而生的操作系统——TinyOS

专为物联网而生的操作系统——TinyOS

关键词： 物联网, 操作系统, TinyOS

　　在物联网的世界里，一个智能终端节点的存储空间往往不足100KB，那么如何在这么小的空间里高效稳定的运行多进程多任务的程序呢？TinyOS的诞生为我们提供了一个完美的解决方案。

　　 TinyOS的介绍

　　TinyOS是一款开源的嵌入式操作系统，它基于一种组件（Component－Based）的架构方式，使得能够快速实现各种应用。它的首先出现是 做为UCBerkeley和IntelResearch合作实验室的杰作，用来嵌入智能微尘当中，之后慢慢演变成一个国际合作项目，即现在的TinyOS 联盟。它设计之初的目的是制作一个专属嵌入式无线传感器网络（WSN,wirelesssensornetwork）的操作系统。但事实上，由于良好的可 扩展性和足够小的代码尺寸，TinyOS在物联网的应用领域中也占有非常重要的地位；

　　TinyOS作为一个专业性非常强的操作系统，主要存在如下几个特点：

　 　1.拥有专属的编程语言

　　TinyOS应用程序都是用NesC编写，其中NesC是标准C的扩展，在语法上和标准C没有区别，它的应用背景是传感器网络这样的嵌入式系统，这类系统的特点是内存有限，且存在任务和中断两类操作，它的编译器一般都是放在TinyOS的源码工具路径下。

　　 2.开放源代码

　　所有源码都免费公开，可以访问官方网站www.tinyos.net去下载相应的源代码，由全世界的TinyOS的爱好者共同维护，目前最新的版本是2.1.1。

　　 3.基于组件的软件工程建构

　　TinyOS提供一系列可重用的组件，一个应用程序可以通过连接配置文件（AWiringSpecification）将各种组件连接起来，以完成它所需要的功能。

　 　4.通过Task和Events来管理并发进程

　　Tasks：一般用在对于时间要求不是很高的应用中，且tasks之间是平等的，即在执行时是按顺序先后来得，而不能互相占先执行，一般为了减少tasks的运行时间，要求每一个task都很短小，能够使系统的负担较轻；支持网络协议的替换。

　　Events：一般用在对于时间的要求很严格的应用中，而且它可以占先优于tasks和其他events执行，它可以被一个操作的完成或是来自外部环境的事件触发，在TinyOS中一般由硬件中断处理来驱动事件。

　 　5.支持网络协议组件的替换

　　除了默认的协议之外，还提供其他协议供用户替换，并且支持客户自定义协议，这对于通信协议分析，非常适用于通信协议的研究工作。

　　6.代码短小精悍

　　TinyOS的程序采用的是模块化设计，所以它的程序核心往往都很小，一般来说核心代码和数据大概在400Bytes左右；能够突破传感器存储资源少的限制，这能够让TinyOS很有效的运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作等。

　　 如何安装TinyOS的开发环境

　　若要进行TinyOS的开发研究，先得安装好TinyOS的开发环境，由于NesC的编译器ncc只能运行在Unix环境下，TinyOS开发环境有三种安装方式：

　　 一、独立启动的Linux

　　官方提供rpm包和deb包，一般建议使用Ubuntu9.04或是RHEL5

　　 二、Windows+Cygwin

　　Cygwin是一个软件集合，支持用于各种版本的MicrosoftWindows上，运行UNIX类系统，ncc可以运行在Cygwin上，使用这种方式的人最多

　　 三、VMware+Xubuntu

　　在TinyOS.net上可以下载到一个包含完整TinyOS开发环境的Xubuntu虚拟机镜像文件，只要在PC上安装好VMwareplayer即可使用，这个方式最快捷，但是由于是虚拟机的方式，所以编译速度比较慢

　　不论是哪种方式安装的流程基本都是一样的：

　　1.安装JDK1.6，用于WSN基站或是WSN网关与PC机的交互

　　2.安装Cygwin，仅当第二种安装方式才需要安装

　　3.安装平台交叉编译器，用于将C代码交叉编译成很终端设备可以运行的二进制文件，一般来说有AVR、MSP430、8051、ARM这几种类型

　　4.NesC编译工具，TinyOS都是基于NesC语言写的，所以需要NesC编译工具将其编译成C代码，编译后的C代码就可以交给平台交叉编译工具了

　　5.TinyOS源码树，所有的TinyOS源代码都在这里，可以通过Git或CVS方式进行版本管理，目前最新的版本是2.1.1

　　6.安装Graphvizvisualization工具，TinyOS开发环境包含nesdoc工具，该工具可以自动生成可视化的模块关系图表，帮助开发人员观看源代码，而该工具依赖于Graphvizvisualization工具

　　7.设置环境变量，主要是将各个工具的路径添加到Shell环境变量中去

　　 TinyOS的开发过程

　　如图所示，TinyOS的编译+下载的过程可以分成如下阶段：

　　1.使用NesC编写程序源代码，源代码的后缀为*.nc，可以用各种支持C高亮的编写器，这里笔者推荐Notepad++；

　　2.将*.nc的源代码通过NesC编译器ncc编译成标准C文件，这里要注意的是：ncc编译器只能将*.nc文件编译成C代码，并不能直接生成二进制代码，所以在安装开发环境时，必须根据自己的开发平台选择对应的交叉编译工具；

　　3.使用与硬件平台相关的C交叉编译工具将标准C文件编译成可执行的二进制文件，笔者用的硬件平台是CC2430芯片，它的核心CPU是8051，那么就可以使用各种8051的C编译器，例如Keil或是IAR

　　4.通过编写器将二进制可执行文件下载到硬件平台上，笔者用的是CC2430芯片，对应的编程器是SmartRF04FlashProgrammer

　　TinyOS的调试是比较麻烦的，因为调试工具都不支持NesC语法，只能先调试NesC编译生成的C文件，然后根据C代码中的注释语句反查NesC源码；

　　 TinyOS开发平台介绍

　　国内目前可以买到的TinyOS开发平台主要有两种，一种是Crossbow公司WSN开发套件，一种亿道电子的XSBase-WSN开发套件；

　　1.Crossbow本身就是TinyOS联盟的成员之一，其所有产品都在TinyOS源码的Platform目录下可以找到，可以算得上是 TinyOS技术商用化的代表；在国内有一家代理，开发平台的做工非常不错，产品覆盖面也比较广，主要的缺点就是产品太贵，而且中文的资料较少。

　　2.亿道电子的WSN套件真是笔者目前正在使用的开发平台，它使用是较先进CC2430芯片，同时支持TinyOS和Z-stack两种开发方式，并 且包含大量的中文教材和使用手册，硬件移植的也非常稳定，所有的TinyOS测试用例都能正常运行，而且还带了大量的中文教材、使用手册和实验用例，所以 笔者个人认为作为WSN的验证开发平台性价比更高。其中值得一提的是，该产品搭建了一整套的解决方案框架，实现了异构网络之间的互联互通，可以在任何一地 通过GPRS手机上网，访问节点上的物理数据，开发者可以迅速的在这个框架下做二次开发。

　 　TinyOS开发案例

　　目前有多个采用TinyOS的研究项目，如UCLA（加州大学洛杉矶分校）的ShahinFarshchi在进行一项以TinyOS为基础的无线神经 界面研究。这样的系统在100Hz/频道的采样频率下可传感、放大、传输神经信号，系统小巧、成本低、重量轻、功率小。系统要求一个接收器接收、解调、显 示传输的神经信号。在每秒8bit的采样率下，系统的速度可达5600。该速度可保证8个EEG频道、或1个速度为每秒5.6K采样频道的可靠传输。研究 者目前的奋斗目标是提高该基于TinyOS的传感网络的数据传输速度，设计与被测对象连接的前端神经放大电路。

　　http://www.ee.ucla.edu/~judylab/research/projects/Shahin/index.htm

　　路易斯安娜州立大学和位于BatonRouge的南方大学的Nian-FengTzeng博士正在研究应用于石油/气体开发和管理的 UcoMS（UbiquitousComputingandMonitoringSystem，泛计算和监控系统）。该系统适用于传感网络、无线通信和网 格计算，主要功能包括帮助钻孔、操作数据记录和处理、在线平台信息发布和显示、设备监控/入侵检测、地震处理、复杂表面设备和管道的管理。也可使用 UCoMS监控、维护淘汰的平台。

　　http://www.ucoms.org

　　另外，Freescale正在其Zigbee开发板上测试TinyOS和TinyDB。

　　波士顿大学的WeiLi将其用于传感网络的控制和优化：

　　http://people.bu.edu/wli

　　BrilliantTechnology将其用于无线传感网络进行结构健康监测：

　　http://www.tBrilliant.com