构造开源环境下的
物与物通信
数据采集系统
● 在工程领域有大量的数据采集系统：
○ 电表，采集每家的用电情况；
○ 河流信息采集，采集河流的水文情况；
远程云端
网络
数据采集系统
● 远端云对终端进行管理，并保存数据；
● 终端主要负责数据信息采集，并把数据通过某
种方式传递给服务端；
● 既是传统的行业，也是物联网。
物联网
● 物联网：Internet of Things, IoT
○ 物与物间的通信，物与物间的网络；
● 这个概念的诞生也意味着“物”不再孤立，不再
是独立的一个计算单元，而是网络化的网络。
物联网的体系结构
终端的需求
● 根据不同的应用场合，终端设备的需求不尽相
同：
○ 体积
○ 功耗
○ 网络
方案一
● 设备终端通过GPRS与远程云服务器连接，并
把数据存储到数据库服务器；
● 在服务端构建专用
的TCP服务器，并负
责与数据进行交互，
读写数据；
GPRS
无线基站
方案二
● 各个设备终端与数据库服务器直连；
● 数据库服务器？
○ PostgreSQL
○ MySQL
● 终端直接存取数
据，每个终端作为
一个数据库的客
户端。
GPRS
无线基站
选择RT-Thread
为什么选择RT-Thread
● 开放式的构架：
○ 开源不等于免费，但开源等于开放；
○ 接受过工程、产品市场考验的开源软件；
● 特别适合于ARM Cortex-M3/M4处理器：
○ 低体积、低资源占用；
○ 低功耗
○ 多种连接方式
● 不仅仅是一个操作系统内核，逐渐演化成一个
系统平台。
RT-Thread介绍
● RT-Thread是一款由中国开源社区主导开发的开源实时操
作系统（GPLv2许可协议），包含实时嵌入式系统相关的各
个组件：TCP/IP协议栈、文件系统、libc接口、图形界面等。
● 市场应用情况：
北京公科飞达
RT-Thread实时操作系统构架
CPU: ARM/MIPS/PPC
BSP: Board Support Package
SPI UART USB EMAC
Flash SDIO/MMC
Real-Time Kernel
Thread
Object
Container
Timer
Semaphore
Mailbox MessageQ
Event
User App1 User App2 User Drv
Mutex
Components
finsh shell
DFS lwIPDeviceFramwwork
GUIPOSIX
RT-Thread的发展情况
● 诞生于2006年年初，初始目标是应用在手持设备中；
● 2008年开始支持ARM Cortex-M3处理器；
● 2011年3月成为ARM Connected Community合作伙伴；
● 2012年第一届龙芯开源大赛特等奖；
● 2012年第六届中日韩开源软件竞赛技术优胜奖；
● 后续越来越广泛的应用到工程、产品领域；
● 2013年开始支持ARM Cortex-R系列处理器；
● 底发布RT-Thread 正式版；
● 当前开发版本：
RT-Thread实时核心：技术指标
● 最小版本资源占用情况：
○ ROM，1kB RAM
● 线程上下文切换时间（在72MHz的32位ARM
Cortex-M3处理器测试得到）：
○ 挂起操作引起线程上下文切换：
○ 信号量操作引起线程上下文切换：
○ 邮箱引起线程上下文文切换：
RT-Thread的开发方式、流程
● RT-Thread官方网站：
○
● 开发主干：
○
● 社区需求/兴趣、解决问题
○ 新组件 --> 提交到github --> 成为新组件维护人
○ 新分支 --> 提交到github --> 成为新分支维护人
○ 补丁 --> 发出pull request --> 维护人review --> 合并
到github中
RT-Thread的开发方式、流程
● 社区方式开发：
○ 维护人（maintainer）
■ + 开发人员（developer）
○ 内核/组件/分支
○ 维护人也担当测试、评审员的角色
● 稳定性依赖于社区的测试及发布前的测试
○ 也试图建立一些自动化测试工具
RT-Thread低功耗模型
系统运行时间
数据采集
数据记录
通讯任务
空闲任务
系统任务
● 芯片的功耗和是否休眠有很大的关
系，以及外设是否关闭时钟相关；
● 在实时操作系统中，当系统无其他事
情可以进行时，将切换到idle任务中
执行。
RT-Thread低功耗模型
● idle任务代表着整个系统可以进入到休眠状态；
● 系统可以依据当前的状况来判定，设备可以进入到哪种运
行模式中：sleep/timer/shutdown mode
Idle任务
sleep模式：关闭CPU时钟
timer模式：关闭外设时钟
停止模式：关闭外设时钟
睡眠状态
timer模式：关闭外设时钟
RT-Thread低功耗模型
● timer模式：
○ 1. 在这种模式下，系统的OS tick中断停止；
○ 2. 开启睡眠时的低功耗时钟；
○ 3. 当唤醒时，对OS tick进行校正；
Idle任务
睡眠状态
开启PM硬件定时器
对OS Tick进行补偿
RT-Thread低功耗模型
● 系统是否能够进入睡眠依赖于多种条件：
○ 外设是否正在使用（例如使用了DMA进行传输）；
○ 驱动是否准备好，是否能够进入睡眠；
○ 以及通知外设驱动，Host准备进入睡眠状态；
RT-Thread的互联互通：TCP/IP协议栈
● 采用了全功能的lwIP TCP/IP协议栈，支持：
○ ARP、IP、ICMP、IGMP、UDP、TCP
○ PPP、DHCP、DNS
○ HTTP、TFTP、FTP等多种协议；
● 提供BSD socket标准风格的编程
接口，方便移植/调试现有的一些
网络应用程序；
● 为微控制器进行优化，最小约5kB
RAM占用；
Application
API(socket, net_con)
TCP/UDP
ARP, IP, ICMP
Eth Rx Eth Tx
应用层
IP层
驱动层
RT-Thread的互联互通：TCP/IP扩展
● 支持GPRS、CDMA等2G技术；
● 支持WCDMA等3G技术；
● WIFI技术：
○ 国内第一个用于ARM Cortex-M3处理器的开源WIFI驱
动；
方案三
● 终端保留一个基本的HTTP客户端，数据直接发到web服
务器；
● 多个web服务器（或本地web服务器）进行负载均衡；
● 终端通过web方式
与web服务器进行
交互；
GPRS
无线基站
Web方式的通信传输
● 当前应用最广泛的技术；
● 存在大量为高并发连接而优化的方案；
● Web技术也存在于大量的移动设备中，例如手
机、平板。
更灵活的网络连接方式
● json，轻量级的数据交换格式：
○ 易于阅读、理解；
○ 传输的数据量小；
○ 易于生成、解析，可以跨越网络、语言、机器；
● {"level": 100, "name":"device", "value":
[0,1]}
M2M json模型
● 以json数据交换格式作为机器间通信的协议格
式；
● 不仅仅是web，也可以是其他通信方式（例如
UART）
M2M json编译器
● 面向嵌入式设备，但融合于现代的web技术；
● 对C代码结构体生成json的编码、解码函数：
//
struct sub_foo
{
int event;
};
JSON_EXPORT(sub_foo);
struct foo
{
int a;
char msg[8];
struct sub_foo child;
};
JSON_EXPORT(foo);
mjsonc
foo_encode_json(struct foo
*self, buf, size)
{
}
foo_decode_json(struct foo
*self, buf, size)
{
}
{"a": 10, "msg": "this is a message ",
"child":{"event":10}}
成果
● 网络化的数据采集系统；
● 设备终端采用PPP拨号方式连接外置模
块；
● 设备待机功耗：10uA，平均功耗 < 100uA。
