物联网TinyOS课程教学研究与探索.doc

物联网TinyOS课程教学研究与探索 郭瑛 （青岛科技大学信息科学技术学院，山东青岛266061） 摘要：以物联网专业所开设的TinyOS课程为研究对象，提出其教学内容，并对授课方式、学时分配策略、实验设置方案进行研究探讨。 关键词：物联网专业；tinyos课程；教学内容；学时分配 作者简介：郭瑛，女，副教授，研究方向为物联网、传感器网络、计算机控制，guoyingqust.。 0引言 随着电子、信息、通信等技术的发展，越来越多的高校开设了物联网专业1。TinyOS课程是物联网专业特有的课程，是物联网专业课程体系中的重要组成部分。通过该课程的学习，学生应了解TinyOS操作系统的相关概念、内核机制、体系特点及其发展历史；掌握安装TinyOS系统和编译调试的方法、nesC编程语言的语法规范以及系统的运行机制；熟练使用TinyOS操作系统的主要功能模块，并能进行应用开发。 TinyOS是加州大学伯克利分校（UCBerkeley）开发的开放源代码操作系统，专为嵌入式无线传感网络设计，该操作系统采用基于构件（ponent-based）的架构，其构件包括网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据识别工具2。这是一种新型的操作系统，仍处于发展变化中。目前只有很少的高校开设了TinyOS课程，但尚未形成成熟的课程体系，可参考借鉴的经验不多。如何合理设置物联网专业TinyOS课程，是一个值得探讨的问题。 1教学内容设置 物联网专业TinyOS课程，主要包括传感器网络操作系统概述、开发环境、nesC编程语言、基本操作、系统内核、平台与仿真等内容3。这些内容可以分为传感器网络操作系统与开发环境、nesC编程语言与基本操作、系统内核、平台与仿真4部分，其具体内容如图1所示。 1.1传感器网络操作系统与开发环境 传感器网络操作系统与开发环境部分是本课程的入门引导内容，首先介绍传感器网络和TinyOS操作系统的相关概念，然后讲述TinyOS的开发环境，其重点是TinyOS2.1在Windows中的安装，这是本课程学习的第一步。 这部分内容包括：无线传感器网络概述，介绍无线传感器网络的研究进展、体系特征和操作系统；TinyOS操作系统概述，阐述TinyOS操作系统的设计理念、技术特点和体系结构，并与其他无线传感器网络操作系统进行比较；TinyOS2.1在Windows中的安装，讲解并演示其主要步骤，包括搭建Java环境以及安装Cygwin平台、平台交叉编译器、TinyOS源码与工具包、Graphviz图形工具；其他安装方法，重点讲述TinyOS在Ubuntu9.10中的安装、使用RPM包的手动安装、TinyOS1.x升级到TinyOS2.x以及使用CVS更新TinyOS2.x文件；TinyOS安装后的测试，包括TinyOS文件概览、检查运行环境和仿真测试；程序的编译和下载，主要介绍代码工具、编译程序、USB串口驱动和下载程序。 本部分内容以教师讲述为主，其中，TinyOS2.1在Windows中的安装、安装后的测试以及程序的编译和下载需要与实验相结合，以使学生熟悉TinyOS的开发环境，为后面内容的学习打下基础。 1.2nesC编程语言与基本操作 为能应用TinyOS操作系统进行开发，nesC编程语言是学生必须熟练掌握的内容。nesC编程语言与基本操作部分是TinyOS课程的重点。这部分内容可以分为两大模块：一个是介绍nesC编程语言，另一个是介绍TinyOS的基本操作。 nesC编程语言模块，以理论讲述和实例讲解为主。包括：nesC语言规范，介绍一些基本概念，比如接口、组件、模块、配件等，然后介绍基于nesC语言的应用程序Blink实例、BlinkSingle实例以及如何移植TinyOS1.x代码到2.x；nesC程序运行模型，进一步介绍程序运行的相关内容，主要有任务、内部函数、分阶段作业、同步与异步、原子性代码和无线模块的开启过程；编程约定，分别介绍通用约定、软件包、语法约定和TinyOS约定4个方面；可视化组件关系图。 TinyOS的基本操作模块，包含一些基本应用的操作方式，教授过程中要有演示实验辅助。主要介绍：点对点的无线通信，简述通信接口和组件以及消息缓存抽象，重点讲述通过无线电发送和接收消息；节点与PC的串口通信，介绍信息源和端口测试、基站和监听工具、MIG消息接口生成工具、SerialForwarder和其他信息源、发送信息包到串口、基于printf库的打印调试以及常见的串口通信故障；传感，介绍Sense实例和Oscilloscope实例；存储，包括配置数据的存储、日志数据的存储和大数据块的存储3部分内容。 在这两个模块中，第1个模块是基础内容，第2模块是核心内容，都是授课的重点，也是难点，对每个知识点都需要详细讲解，并辅以实例，使学生掌握相关的编程知识和应用技巧。 1.3系统内核 通过对TinyOS系统内核的学习，学生可以进一步加深对TinyOS操作系统的理解。这部分以课堂讲述为主，内容较多，教师要引导学生深入理解，并比较与其他操作系统的区别。 主要内容如下：硬件抽象架构，简介架构的基本含义、不同层次抽象的结合、横向分解、微处理器抽象和HIL抽象级别；任务和调度，先简介TinyOS1.x的任务和调度器，再详细介绍TinyOS2.x的任务和调度器，并讲述调度器的替换和调度器的具体实现；系统启动顺序，先介绍TinyOS1.x的启动顺序，再阐述TinyOS2.x的启动接口、启动顺序以及系统启动和软件初始化；资源仲裁，包含资源类型、仲裁方式和共享资源的应用实例；电源管理，主要包括微控制器的电源管理和外围设备的电源管理，对于微控制器的电源管理分别介绍TinyOS1.x的电源管理、TinyOS2.x的电源管理，对于外围设备的电源管理重点讲授电源管理模型、显式电源管理和隐式电源管理；串口通信，简介串口通信协议，重点是串口协议栈的实现和抽象；网络协议，包含分发协议和汇聚协议，分发协议包括相关接口、组件和EasyDissemination实例，汇聚协议包括相关接口、组件和实现以及EasyCollection实例。 1.4平台与仿真 平台与仿真部分的内容与实践联系较为密切，在授课过程中要调动学生的学习热情，并与实验内容穿插结合进行，由此可取得较为满意的教学效果。 这部分主要包含3个方面的内容：平台，对TinyOS平台进行简单介绍，然后讲述底层I/O口、新平台的建立和CC2430平台的移植；编译系统，重点讲授自定义编译系统、makefile的概念、编写Makefile文件以及编译工具；TOSSIM仿真，这是本部分的重点内容，在不具备硬件实验条件的时候，可以采用TOSSIM进行仿真，主要内容有仿真编译、基于Python的仿真、调试语句、网络配置、变量的观察、注入消息包、C+接口、gdb调试等。 这部分的内容设置比较灵活，在有硬件实验条件的学校，可以减少对TOSSIM仿真的介绍，对于有一定研发能力的学生，可以增加对平台开发的介绍，鼓励学生利用现有条件进行新平台的建立和移植。 2学时设置 物联网专业TinyOS课程的学时设置，要综合考虑学校的硬件条件和学生的具体情况。对于有实验条件的学校，可以将课堂授课与实验穿插进行，每讲授完一部分内容，就安排相应的实验，使学生深入理解理论知识。对于尚无实验条件的学校，可适当增加实例的课堂演示，加深学生对相关概念的理解。 结合课程教学大纲，以3248学时的设置方式为例，物联网专业TinyOS课程内容安排见表1。 nesC编程语言与基本操作为该课程的主要内容，占1522学时，这部分包含最基本的编程规则和基本操作，是讲授中的重点与难点。传感器网络操作系统概述与开发环境占69学时，系统内核占69学时，平台与仿真占58学时，这些部分包含基本概念和相关操作，讲授时可与实验相结合进行。 3实验设置 物联网专业TinyOS课程是一门面向应用的课程，可设置1632个学时的实验。该实验对硬件的要求不高，只要有若干电脑和支持TinyOS平台的传感器节点即可完成大部分基础性实验4，多数高校具备实验条件。暂时没有实验条件的高校也可以通过TOSSIM进行仿真实验。 物联网专业TinyOS课程可设置810个实验，每个实验23个学时，实验内容主要包含：TinyOS的安装与测试，这是本课程实验学习的第一步，学生通过这个实验初步了解TinyOS，并搭建相应的实验环境，可根据情况选择TinyOS2.1在Windows中的安装、在Ubuntu9.10中的安装、使用RPM包的手动安装中的1个或多个；nesC语言基础，主要有Blink实例和BlinkSingle实例，这是TinyOS课程学习入门的典型案例；应用开发，这部分的内容较多，主要有点对点的无线通信、节点与PC的串口通信、Sense实例、Oscilloscope实例、数据的存储、RadioCountToLeds实例等；网络协议，包括两个分发和汇聚协议，即EasyDissemination实例和EasyCollection实例。 如果实验条件允许，且学生对基础性实验完成较好，可以再增加12个设计性实验，例如：实现传感器网络的组网和数据传输、传感器网络节点定位系统5、小型环境监测系统等，以培养学生的创造能力。 4结语 物联网专业是新兴专业，而TinyOS课程也是其他专业没有开设过的新课程，其教学内容、授课方式、学时分配策略和实验设置方案还需要在实践中进一步研究和探索。教师应通过积累教学经验来不断改进和完善，逐步提升物联网专业TinyOS课程的教学水平。 参考文献： 1王志良,曾宪武,王新平.物联网工程专业必修课程的教材建设J.计算机教育,xx(21):5-8. 2王汝传,孙力娟.无线传感器网络技术及其