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Viptos a graphical development and simulation environment for tinyOS-based wireless sensor

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Viptos: A Graphical Development and SimulationEnvironment for TinyOS-based Wireless SensorNetworks

Elaine CheongEdward A. LeeYang Zhao

Electrical Engineering and Computer SciencesUniversity of California at Berkeley

Technical Report No. UCB/EECS-2006-15http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2006/EECS-2006-15.html

February 15, 2006Copyright © 2006, by the author(s).All rights reserved.

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Acknowledgement This work was supported in part by the Center for Hybrid and EmbeddedSoftware Systems (CHESS) at UC Berkeley, which receives support fromthe National Science Foundation (NSF award \#CCR-0225610), the Stateof California Micro Program, and the following companies: Agilent, DGIST,General Motors, Hewlett Packard, Infineon, Microsoft, and Toyota.Viptos:AGraphicalDevelopmentandSimulationEnvironmentforTinyOS-basedWirelessSensorNetworks

ElaineCheongDepartmentofElectricalEngineeringandComputerSciencesUniversityofCalifornia,BerkeleyBerkeley,CA94720USAEmail:celaine@eecs.berkeley.eduEdwardA.LeeDepartmentofElectricalEngineeringandComputerSciencesUniversityofCalifornia,BerkeleyBerkeley,CA94720USAEmail:eal@eecs.berkeley.eduYangZhaoDepartmentofElectricalEngineeringandComputerSciencesUniversityofCalifornia,BerkeleyBerkeley,CA94720USAEmail:ellenzh@eecs.berkeley.edu

Abstract—WedescribeViptos(VisualPtolemyandTinyOS),aninte-gratedgraphicaldevelopmentandsimulationenvironmentforTinyOS-basedwirelesssensornetworks.TinyOSisacomponent-based,event-drivenruntimeenvironmentdesignedforwirelesssensornetworks.ViptosallowsnetworkedembeddedsystemsdeveloperstoconstructblockandarrowdiagramstocreateTinyOSprogramsfromanystandardlibraryofTinyOScomponentswritteninnesC,aC-basedprogramminglanguage.ViptosautomaticallytransformsthediagramintoanesCprogramthatcanbecompiledanddownloadedfromwithinthegraphicalenvironmentontoanyTinyOS-supportedtargetplatform.ViptosisbuiltonPtolemyII,amodelingandsimulationenvironmentforembeddedsystems,andTOSSIM,aninterrupt-leveldiscreteeventsimulatorforhomogeneousTinyOSnetworks.Inparticular,ViptosincludesthefullcapabilitiesofVisualSense,aPtolemyIIenvironmentthatcanmodelcommuni-cationchannels,networks,andnon-TinyOSnodes.ViptosextendsthecapabilitiesofTOSSIMtoallowsimulationofheterogeneousnetworks.ViptosprovidesabridgebetweenVisualSenseandTOSSIMbyprovidinginterrupt-levelsimulationofactualTinyOSprograms,withpacket-levelsimulationofthenetwork,whileallowingthedevelopertouseothermodelsofcomputationavailableinPtolemyIIformodelingthephysicalenvironmentandotherpartsofthesystem.Thisframeworkallowsapplicationdeveloperstoeasilytransitionbetweenhigh-levelsimulationofalgorithmstolow-levelimplementationandsimulation.ThispaperpresentsourexperienceswithintegratingthenesC/TinyOS/TOSSIMandPtolemyIIprogrammingandexecutionmodels.

I.INTRODUCTION

Wirelesssensornetworksprovideawaytocreateflexible,teth-erless,automateddatacollectionandmonitoringsystems.Buildingsensornetworkstodayrequirespiecingtogetheravarietyofhardwareandsoftwarecomponents,eachwithdifferentdesignmethodologiesandtools,makingitachallenginganderror-proneprocess.Typicalnetworkedembeddedsystemsoftwaredevelopmentmayrequirethedesignandimplementationofdevicedrivers,networkstackprotocols,schedulerservices,application-leveltasks,andpartitioningoftasksacrossmultiplenodes.Littleornointegrationexistsamongthetoolsnecessarytocreatethesesoftwarecomponents,mostlybecausetheinteractionsbetweentheprogrammingmodelsarepoorlyunderstood.Inaddition,thesetoolstypicallyhavelittleinfrastructureforbuildingmodelsandinteractionsthatarenotpartoftheiroriginalscopeorsoftwaredesignparadigms.Thegoalofthisworkistocreateintegratedtoolsfornetworkedembeddedapplicationdeveloperstomodelandsimulatetheiralgorithmsandquicklytransitiontotestingtheirsoftwareonrealhardwareinthefield,whileallowingthemtousetheprogrammingmodelmostappropriateforeachpartofthesystem.WechoosetofocusonTinyOS[1],anopen-sourceruntimeenvironmentdesignedforsensornetworknodesknownasmotes,asourunderlyingprogrammingplatform.TinyOShasalargeuserbase–over500researchgroupsandcompaniesuseTinyOSontheBerkeley/Crossbowmotes.Ithasbeenportedtooveradozenplatformsandnumeroussensorboards,andnewreleasesseeover10,000downloads.TinyOSdiffersfromtraditionaloperatingsystemmodelsinthateventsdrivethebehaviorofthesystem.Usingthistypeofexecution,battery-operatednodescanpreserveenergybyenteringsleepmodewhennointerestingeventsarehappening.ATinyOSprogramconsistsofagraphofcomponentsthatarewritteninanobject-orientedstyleusingnesC[2],anextensiontotheCprogramminglanguage.TOSSIM[3],aTinyOSsimulatorforthePC,canexecutenesCprogramsdesignedforamote.TOSSIMcontainsadiscreteeventsimulationenginewhichallowsmodelingofvarioushardwareandotherinterruptevents.AlthoughalargecommunityusesTinyOSinsimulationtodevelopandtestvariousalgorithmsandprotocols,theyfacesomekeylimitationswhenusingthenesC/TinyOS/TOSSIMprogrammingtoolsuite.Usersmaychoosefromafewbuilt-inradioconnectivitymodelsinTOSSIM,butitisdifficulttouseothermodels.TOSSIMcanefficientlymodellargehomogeneousnetworkswherethesamenesCcodeisrunoneverysimulatednode,butdoesnotallowsimulationofnetworksthatcontaindifferentprograms.Additionally,whereasaTinyOSprogramconsistsofagraphofmostlypre-existingnesCcomponents,usersmustwritetheirprogramsinamulti-file,text-basedformat,eventhoughagraphicalblockdiagramprogrammingenvironmentwouldbemuchmoreintuitive.Toaddresstheseproblems,weturntoVisualSense[4],aPtolemyII-basedgraphicalmodelingandsimulationframeworkforwirelesssensornetworksthatsupportsactor-orienteddefinitionofsensornodes,wirelesscommunicationchannels,physicalmediasuchasacousticchannels,andwiredsubsystems.VisualSensedoesnotincludeamechanismfortransitioningfromasensornetworkap-plicationdevelopedwithintheframeworktoanimplementationforrealhardwarewithoutrewritingthecodefromscratchforthetargetplatform.IntegratingTinyOSandVisualSensecombinesthebestofbothworlds.TinyOSprovidesaplatformthatworksonrealhardwarewithalibraryofcomponentsthatimplementlow-levelroutines.VisualSenseprovidesagraphicalmodelingenvironmentthatsupportshierarchical,heterogeneoussystems.Inthispaper,wedescribeourexperienceswithintegratingtheprogrammingandexecutionmodelsandthecomponentlibrariesofthesetwosystems,necessaryforbuildinganintegratedtoolchainfordesigning,simulating,anddeployingsensornetworkapplications.SectionIIprovidesdetailedbackgroundinformationonnesC,TinyOS,TOSSIM,andVisualSense.SectionIIIdescribesthear-chitectureoftheintegratedTinyOSandVisualSensetoolchainandinvestigatesthesemanticsofthisinterface.SectionIVpresentsrelated

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NIOS教程（1） --------建立一个最小系统简介NIOS是一个用户可配置的通用32位RISC嵌入式处理器，它是SOPC（System On a Programmable Chip,片上可编程系统）的核心。

处理器以软核形式实现，具有高度的灵活性和可配置性。

NIOS的开发包括硬件开发和软件开发两部分。

硬件开发是在Quartus II中实现的，而软件开发部分是在NIOS IDE软件中实现的。

我们首先来介绍NIOS的硬件逻辑开发。

所谓硬件逻辑开发就是用Quartus II 和 SOPC Builder来建立自己需要的软核。

1．先打开QuartusII 9.0SP2软件点击菜单栏FileÆ New Project Wizard，弹出如下对话框点击Next>按钮继续，在此步中，What is the working directory for this project? 是询问你的这个项目工程打算放在哪里？我们改为d:\ask2cb_nios\nios1 (表示整个工程建立在D盘的ask2cb_nios\nios1目录下面) What is the name of this project? 是询问你这个工程项目名是什么？我们改为nios1(表示这是第一个nios示例工程)What is the name of the top-level design entity for this project? 是询问这个工程项目的顶层设计入门名我们改为nios1，表示顶层模块名为nios1改成如下图所示：点击Next>继续提示D盘下面没有ask2cb_nios目录下的nios1这个目录，询问是否要创建它，选择是(y)，让QuartusII创建这个目录。

向导开始询问是否有现成的文件需要加到当前新建的工程中？这步不用管它，点击Next>继续，在此步中，向导询问你使用的是何种器件，我们在Device family组合框中，Family下拉列表中选择CycloneII，在Available devices:下面的列表框中选择EP2C5Q208C8，这是我们ASK2CB-5开发板所使用的FPGA主芯片(EP2C5Q208C8)，如果您购买的是ASK2CB-8开发板，请选择EP2C8Q208C8。

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如下哪一项说法是错误的（）。 A:结合NewLib ANSI C标准库，向用户提供熟知的标准库函数 B:提供设备驱动，使用户可以访问系统中的所有设备 C:为系统提供了TCP/IP协议栈 D:系统初始化，在main()函数之前完成软核处理器Nios和运行库环境的 初始化任务 37:苹果公司的嵌入式移动电子产品风靡全球，iOS操作系统也随之为大 众所熟悉。根据iOS的发展历史，它的前身是（）。 A:DOS B:UNIX-BSD C:OS/2 D:pSOS 4.4 38:以下关于微内核操作系统的叙述中，错误的是（）。 A:内核小巧，传统操作系统内核中的许多部分都被移出内核 B:接口一致，所有进程请求使用统一接口，进程不区分内核模式和用户 模式服务 C:各个功能模块之间松散耦合，只完成服务功能，系统管理功能交给一 个或多个特权服务程序 D:微内核功能扩充方便，而且各个功能之间的切换而引起的开销比较小 39:开发嵌入式系统时，需要构建一个宿主机-目标机的开发环境。若目 标机是裸机，那么为了调试和下载软件需要将调试仿真器连接到目标机 的哪一种接口？（）。 A:SPI接口 B:以太网接口 C:JTAG接口 D:USB接口 40:嵌入式系统的应用形式是多种多样的，不同的嵌入式应用系统，需 要选择适合其应用需求的开发工具来进行开发。采用开发工具的主要目 的是（）。 A:提高开发质量，缩短开发周期，降低开发成本 B:优化软件代码的存储容量，以便降低存储器的需求 C:降低嵌入式系统的功耗 D:便于设计需要调用操作系统API函数的应用程序
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【智慧树知到】《DIY智慧小屋带你玩转物联网(浙江大学)》章节测试题及答案第一章测试1、比尔盖兹最早提出了物联网的概念。

（）A.正确B.错误正确答案：B2、工业物联网是近几年我国物联网的一个重点发展方向。

（）A.正确B.错误正确答案：A3、物联网的四个要素是感联知控。

（）A.正确B.错误正确答案：A4、物联网平台已成为物联网发展的下一个战略要塞。

（）A.正确B.错误正确答案：A5、物联网应用中，不属于近距离通信的方式是A、RFIDB、蓝牙C、WiFiD、NB-IoT正确答案：D6、物联网应用中，常用于室内近距离物联的通信方式有A、蓝牙B、WiFiC、GPRSD、NB-IoT正确答案：AB7、ZigBee不具有自组网的特点。

（）A.正确B.错误正确答案：B8、物联网操作系统就是运行在嵌入式终端的操作系统，与云平台无关。

（）A.正确B.错误正确答案：B9、物联网的碎片化是物联网应用开发的一个挑战。

（）A.正确B.错误正确答案：A10、物联网操作系统的作用只是在技术层面上解决碎片化问题。

（）A.正确B.错误正确答案：B第二章测试1、业务应用的展示门户框架包括？A、PC门户B、Web门户C、客户端门户D、App门户正确答案：BC2、以下哪些是设备管理平台DMP的功能？A、监控物联网终端B、调整终端的设置C、掌握终端的通信连接状态D、存储及分析设备的数据正确答案：AB3、连接管理平台CMP能够帮助用户管理物联网SIM卡，同时还可以查询终端的通信连接状态以及流量使用等。

（）A.正确B.错误正确答案：A4、各大公司推出的物联网平台在功能上均完全一致，例如阿里云LinkPlatform 与百度物接入Hub。

（）A.正确B.错误正确答案：B5、以下有关AWSIoT中DeviceShadow服务的说法，正确的有？A、DeviceShadow设备影子是一种JSON文档B、DeviceShadow用于存储和检索设备的当前状态信息C、设备可以将自己的状态信息发布到DeviceShadow中去，供应用程序或其他设备使用D、只有当设备与AWSIoT处于连接状态时，用户才可以往DeviceShadow中发布更新的状态信息正确答案：ABC6、以下哪一项不属于阿里云LinkPlatform提供的设备管理服务？A、生命周期管理B、数据解析C、流数据分析D、固件升级正确答案：C7、以下哪一项不是中国移动OneNET平台的组件？A、设备接入B、设备影子C、设备管理D、HTTP推送正确答案：B8、以下哪些是使用百度物接入IoTHub搭建物联网应用的优势？A、无缝对接到天工平台和百度智能云的各项产品和服务B、实现对亿级并发连接和消息数的支持C、对海量设备与云端安全可靠的双向连接的支持正确答案：ABC9、一般认为，完整的物联网系统，包含哪些层级？A、感知及控制层B、网络层C、平台服务层D、应用服务层正确答案：ABCD10、负责从传感器、计量器等器件获取环境信息的是？A、感知及控制层B、网络层C、平台服务层D、应用服务层正确答案：A第三章测试1、你怎么直接获取一个在可测量范围的模拟量数值？A、ADCB、DACC、IICD、SPI正确答案：A2、输出接口为为模拟量数据，在如下方法中可以采用的为哪些？A、ADCB、DACC、PWMD、UART正确答案：BC3、在智慧小屋实验中，LED灯采用何种方式实现调光调色？A、DACB、ADCC、PWMD、SPI正确答案：C4、智慧小屋的大脑，也即处理中心为？A、传感器B、ArduinoC、执行器D、stm32正确答案：B5、采用Arduino作为控制主体的原因有哪些？A、普及程度高B、成本低C、扩展板资源丰富D、软件易上手正确答案：ABCD6、在智慧小屋中，传感器是物联网的”大脑’，芯片是物联网的”五官’，无线模组是”联网器件’。