第5章 傳感器網絡的應用開發(fā)基礎

1、第第5 5章章 傳感器網絡的應用開發(fā)基礎傳感器網絡的應用開發(fā)基礎1 傳感器網絡的應用開發(fā)基礎技術是傳感器網傳感器網絡的應用開發(fā)基礎技術是傳感器網絡完成應用功能的關鍵，這里主要介紹它的仿真絡完成應用功能的關鍵，這里主要介紹它的仿真平臺和工程測試床、網絡節(jié)點的硬件開發(fā)、操作平臺和工程測試床、網絡節(jié)點的硬件開發(fā)、操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)等內容。系統(tǒng)和軟件開發(fā)等內容。25.1 5.1 仿真平臺和工程測試床仿真平臺和工程測試床5.1.1 5.1.1 傳感器網絡的仿真技術概述傳感器網絡的仿真技術概述1 1、網絡研究與設計方法、網絡研究與設計方法 通常計算機網絡的研究與設計方法包括分析方法、實通常計算機網絡的研究

2、與設計方法包括分析方法、實驗方法和模擬方法。驗方法和模擬方法。 分析方法是對所研究對象和所依存的網絡系統(tǒng)進行初分析方法是對所研究對象和所依存的網絡系統(tǒng)進行初步分析，根據(jù)一定的限定條件和合理假設，對研究對象和步分析，根據(jù)一定的限定條件和合理假設，對研究對象和系統(tǒng)進行描述，抽象出研究對象的數(shù)學分析模型。系統(tǒng)進行描述，抽象出研究對象的數(shù)學分析模型。 實驗方法的主要內容是建立測試床和實驗室。實驗方法的主要內容是建立測試床和實驗室。 模擬方法主要是應用網絡模擬軟件來仿真網絡系統(tǒng)的模擬方法主要是應用網絡模擬軟件來仿真網絡系統(tǒng)的運行效果。運行效果。32 2、網絡仿真的應用意義、網絡仿真的應用意義 從應用的角

3、度來看，網絡仿真技術具有以下特點：從應用的角度來看，網絡仿真技術具有以下特點： （1 1）全新的模擬實驗機理，使得這項技術具有在高）全新的模擬實驗機理，使得這項技術具有在高度復雜的網絡環(huán)境下得到高可信度結果的特點。度復雜的網絡環(huán)境下得到高可信度結果的特點。 （2 2）使用范圍廣，既可以用于現(xiàn)有網絡的優(yōu)化和擴）使用范圍廣，既可以用于現(xiàn)有網絡的優(yōu)化和擴容，也可以用于新網絡的設計，而且特別適用于大中型容，也可以用于新網絡的設計，而且特別適用于大中型規(guī)模網絡的設計和優(yōu)化。規(guī)模網絡的設計和優(yōu)化。 （3 3）初期應用成本不高，而且建好的網絡模型可以）初期應用成本不高，而且建好的網絡模型可以延續(xù)使用，后期投

4、資還會不斷下降。延續(xù)使用，后期投資還會不斷下降。4網絡仿真的軟件體系結構網絡仿真的軟件體系結構53 3、傳感器網絡仿真的特點、傳感器網絡仿真的特點 分布性分布性 動態(tài)性動態(tài)性 綜合性綜合性65.1.2 5.1.2 常用網絡仿真軟件平臺常用網絡仿真軟件平臺1 1、TOSSIMTOSSIM (1) (1) 簡介簡介 TinyOS TinyOS是為傳感器網絡節(jié)點而設計的一個事件驅動的操作系統(tǒng)，是為傳感器網絡節(jié)點而設計的一個事件驅動的操作系統(tǒng)，由加州大學的伯利克分校開發(fā)，采用由加州大學的伯利克分校開發(fā)，采用nesCnesC編程語言。它主要應用于無編程語言。它主要應用于無線傳感器網絡領域，采用基于一種組

5、件的架構方式，能夠快速實現(xiàn)各線傳感器網絡領域，采用基于一種組件的架構方式，能夠快速實現(xiàn)各種應用。種應用。 TOSSIM TOSSIM是是TinyOSTinyOS自帶的仿真工具，可以同時模擬傳感器網絡的多自帶的仿真工具，可以同時模擬傳感器網絡的多個節(jié)點運行同一個程序，提供運行時的調試和配置功能。個節(jié)點運行同一個程序，提供運行時的調試和配置功能。由于由于TOSSIMTOSSIM仿真程序直接編譯來自實際運行于硬件環(huán)境的代碼，因而仿真程序直接編譯來自實際運行于硬件環(huán)境的代碼，因而可以用來調試最后實際真正運行的程序代碼?？梢杂脕碚{試最后實際真正運行的程序代碼。7 在在PCPC機上安裝好機上安裝好Tiny

6、OSTinyOS之后，可以按照如下關鍵步驟打開之后，可以按照如下關鍵步驟打開TinyVizTinyViz界界面：面： 1) CD 1) CD 到應用的目錄到應用的目錄 2) $ make pc 2) $ make pc 3) 3) 若若TinyvizTinyviz還沒有還沒有make, make, 則：則： cd tools/java/net/tinyos/sim/tinyvizcd tools/java/net/tinyos/sim/tinyviz makemake 4) 4) 將將tinyviztinyviz拷貝到應用目錄拷貝到應用目錄 5) $ DBG=sim 5) $ DBG=sim

7、6) $ ./tinyviz 6) $ ./tinyviz run build/pc/main.exe 10run build/pc/main.exe 10 如果輸入如果輸入make mica2make mica2命令，表示建立命令，表示建立mica2mica2目錄，可以編譯生成目錄，可以編譯生成motemote上的上的exeexe、srecsrec和和ihexihex文件。文件。(2) TOSSIM(2) TOSSIM模擬器運行模擬器運行TinyOSTinyOS程序程序8 例如我們希望針對例如我們希望針對TinyOSTinyOS自自帶的帶的BlinkBlink應用程序，模擬編譯出應用程序，模

8、擬編譯出可以在可以在TOSSIMTOSSIM模擬器上運行的程模擬器上運行的程序，主要是在應用程序目錄下運序，主要是在應用程序目錄下運行行“make pcmake pc 命令，就可以把源命令，就可以把源代碼編譯在代碼編譯在TOSSIMTOSSIM模擬器上運行模擬器上運行BlinkBlink應用程序。應用程序。 Blink Blink應用程序可以在應用程序可以在motemote硬硬件節(jié)點上以頻率件節(jié)點上以頻率1Hz1Hz讓讓LEDLED紅燈顯紅燈顯示。如果執(zhí)行命令：示。如果執(zhí)行命令：$ ./tinyviz $ ./tinyviz run build/pc/main.exe 30run build/

9、pc/main.exe 30，會，會出現(xiàn)圖所示的界面。出現(xiàn)圖所示的界面。9 在在TOSSIMTOSSIM模擬器運行模擬器運行BlinkBlink應用程序，可按應用程序，可按以下步驟操作：以下步驟操作： cd app/Blink cd app/Blink make pc make pc10(3) (3) 使用使用gdbgdb調試程序調試程序 TOSSIM TOSSIM的一個顯著優(yōu)點就是它可以運行在的一個顯著優(yōu)點就是它可以運行在PCPC機上，機上，這樣可以運用傳統(tǒng)的調試工具來調試這樣可以運用傳統(tǒng)的調試工具來調試nesCnesC程序。程序。 使用使用gdbgdb進行調試與采用傳統(tǒng)的調試方法大致相同，

10、進行調試與采用傳統(tǒng)的調試方法大致相同，只是使用命令只是使用命令( (如在命令處設斷點如在命令處設斷點) )時必須按照上面的時必須按照上面的規(guī)則。規(guī)則。112 2、OMNeT+OMNeT+ OMNeT+ OMNeT+是是Objective Modular Network TestbedObjective Modular Network Testbed的的簡寫，也被稱作離散事件模擬系統(tǒng)簡寫，也被稱作離散事件模擬系統(tǒng)(Discrete Event (Discrete Event Simulation SystemSimulation System，DESS)DESS)。它是一種面向對象的、離散。它是

11、一種面向對象的、離散事件建模仿真器，屬于免費的網絡仿真軟件。事件建模仿真器，屬于免費的網絡仿真軟件。 這種仿真軟件工具采用了特別定義的這種仿真軟件工具采用了特別定義的NEDNED語言來完成。語言來完成。123 3、MatlabMatlab Matlab Matlab是矩陣實驗室（是矩陣實驗室（Matrix LaboratoryMatrix Laboratory）的意思。它除了）的意思。它除了具備卓越的數(shù)值計算能力外，還提供專業(yè)水平的符號計算、文字具備卓越的數(shù)值計算能力外，還提供專業(yè)水平的符號計算、文字處理、可視化建模仿真和實時控制等功能，也可以進行網絡仿真，處理、可視化建模仿真和實時控制等功能

12、，也可以進行網絡仿真，用于模擬傳感器網絡的運行情況和某些應用算法的性能。用于模擬傳感器網絡的運行情況和某些應用算法的性能。 在在MatlabMatlab軟件工具中，典型的無線傳感器網絡應用程序如軟件工具中，典型的無線傳感器網絡應用程序如WiSNAPWiSNAP。這是一個針對無線圖像傳感器網絡而設計的基于。這是一個針對無線圖像傳感器網絡而設計的基于MatlabMatlab的應用開發(fā)平臺。的應用開發(fā)平臺。134 4、OPNETOPNET OPNET OPNET是是MIL3MIL3公司開發(fā)的網絡仿真軟件產品。這是一種優(yōu)秀的公司開發(fā)的網絡仿真軟件產品。這是一種優(yōu)秀的圖形化、支持面向對象建模的大型網絡仿

13、真軟件。圖形化、支持面向對象建模的大型網絡仿真軟件。OPNETOPNET的產品主的產品主要針對三類客戶，分成四個系列。要針對三類客戶，分成四個系列。 三類客戶是指網絡服務提供商、網絡設備制造商和一般企業(yè)。三類客戶是指網絡服務提供商、網絡設備制造商和一般企業(yè)。 它的四個系列產品核心包括：它的四個系列產品核心包括： OPNET ModelerOPNET Modeler：為技術人員提供一個網絡技術和產品開：為技術人員提供一個網絡技術和產品開發(fā)平臺，可以幫助他們設計和分析網絡和通信協(xié)議。發(fā)平臺，可以幫助他們設計和分析網絡和通信協(xié)議。 ITGuruITGuru：幫助網絡專業(yè)人士預測和分析網絡和網絡應用：

14、幫助網絡專業(yè)人士預測和分析網絡和網絡應用的性能、診斷問題、查找影響系統(tǒng)性能的瓶頸、提出并驗證解決方的性能、診斷問題、查找影響系統(tǒng)性能的瓶頸、提出并驗證解決方案。案。 ServiceProviderGuruServiceProviderGuru：面向網絡服務提供商的智能化網：面向網絡服務提供商的智能化網絡管理軟件。絡管理軟件。 WDM GuruWDM Guru：用于波分復用光纖網絡的分析、評測。：用于波分復用光纖網絡的分析、評測。14 Modeler Modeler提供多種業(yè)務提供多種業(yè)務模擬方式，具有豐富的收模擬方式，具有豐富的收集分析統(tǒng)計量，查看動畫集分析統(tǒng)計量，查看動畫和調試等功能。它可以

15、直和調試等功能。它可以直接收集常用的各個網絡層接收集常用的各個網絡層次的性能統(tǒng)計參數(shù)，能夠次的性能統(tǒng)計參數(shù)，能夠方便地編制和輸出仿真結方便地編制和輸出仿真結果的報告。果的報告。15 OPNET OPNET網絡仿真軟件是目前世界上最為先進的網絡網絡仿真軟件是目前世界上最為先進的網絡仿真開發(fā)和應用平臺之一。它曾被一些機構評選為仿真開發(fā)和應用平臺之一。它曾被一些機構評選為“世世界級網絡仿真軟件界級網絡仿真軟件”第一名第一名, ,可以進行傳感器網絡的各可以進行傳感器網絡的各種應用業(yè)務仿真和網絡協(xié)議運行性能模擬。種應用業(yè)務仿真和網絡協(xié)議運行性能模擬。 使用它的最大問題在于它作為一種商業(yè)化高端網絡使用它的

16、最大問題在于它作為一種商業(yè)化高端網絡仿真產品，價格十分昂貴。仿真產品，價格十分昂貴。165 5、NSNS NS(Network Simulator) NS(Network Simulator)是一種針對網絡技術的源代碼公開是一種針對網絡技術的源代碼公開的、免費的軟件模擬平臺，研究人員使用它可以很容易地進行網的、免費的軟件模擬平臺，研究人員使用它可以很容易地進行網絡技術的開發(fā)。目前它所包含的模塊內容已經非常豐富，幾乎涉絡技術的開發(fā)。目前它所包含的模塊內容已經非常豐富，幾乎涉及到網絡技術的所有方面，成為了目前學術界廣泛使用的一種網及到網絡技術的所有方面，成為了目前學術界廣泛使用的一種網絡模擬軟件。

17、絡模擬軟件。 在每年國內外發(fā)表的有關網絡技術的學術論文中，利用在每年國內外發(fā)表的有關網絡技術的學術論文中，利用NSNS給給出模擬結果的文章最多，通過這種方法得出的研究結果也是被學出模擬結果的文章最多，通過這種方法得出的研究結果也是被學術界所普遍認可的。術界所普遍認可的。 NS NS也可作為一種輔助教學的工具，廣泛應用在網絡技術的教也可作為一種輔助教學的工具，廣泛應用在網絡技術的教學方面。目前這種網絡仿真軟件工具已經發(fā)展到第二個版本，即學方面。目前這種網絡仿真軟件工具已經發(fā)展到第二個版本，即NS2NS2（Network Simulator, version 2Network Simulator,

18、 version 2）。）。175.1.3 5.1.3 仿真平臺的選擇和設計仿真平臺的選擇和設計1 1、仿真平臺的選擇、仿真平臺的選擇 現(xiàn)有的仿真平臺種類較多、功能各異，每個仿真軟件平臺現(xiàn)有的仿真平臺種類較多、功能各異，每個仿真軟件平臺的側重點也不同。仿真平臺所采用的設計方法也不一樣，例如的側重點也不同。仿真平臺所采用的設計方法也不一樣，例如面向對象設計和面向組件設計等，也會影響仿真平臺的執(zhí)行效面向對象設計和面向組件設計等，也會影響仿真平臺的執(zhí)行效率、速度、擴展性、重用性和易用性等。每個仿真器都是在某率、速度、擴展性、重用性和易用性等。每個仿真器都是在某些性能方面比較突出，而在其他方面又不重視

19、。些性能方面比較突出，而在其他方面又不重視。 在選擇仿真平臺時，需要綜合考慮各個因素，在其中尋找在選擇仿真平臺時，需要綜合考慮各個因素，在其中尋找一個平衡點以獲得最佳的仿真效果。一個平衡點以獲得最佳的仿真效果。182 2、仿真平臺的自主設計、仿真平臺的自主設計 如果開發(fā)者決定構建一個自己的傳感器網絡仿真工具，如果開發(fā)者決定構建一個自己的傳感器網絡仿真工具，首先需要決定是在現(xiàn)有仿真平臺上開發(fā)還是單獨構建。首先需要決定是在現(xiàn)有仿真平臺上開發(fā)還是單獨構建。如果開發(fā)時間有限并且只有一些需要用到的特定特性在如果開發(fā)時間有限并且只有一些需要用到的特定特性在現(xiàn)有工具中沒有，那么最好是在現(xiàn)有仿真平臺上做開發(fā)。

20、現(xiàn)有工具中沒有，那么最好是在現(xiàn)有仿真平臺上做開發(fā)。 如果有足夠的開發(fā)時間，以及開發(fā)者感覺自己的設計如果有足夠的開發(fā)時間，以及開發(fā)者感覺自己的設計思路比現(xiàn)有工具在仿真規(guī)模、執(zhí)行速度、特點等方面優(yōu)思路比現(xiàn)有工具在仿真規(guī)模、執(zhí)行速度、特點等方面優(yōu)越，那么從頭開始創(chuàng)建一個仿真工具是最有效的。越，那么從頭開始創(chuàng)建一個仿真工具是最有效的。195.1.4 5.1.4 傳感器網絡工程測試床傳感器網絡工程測試床 在無線傳感器網絡中，仿真是一個重要的研究手段。但是仿真通常僅在無線傳感器網絡中，仿真是一個重要的研究手段。但是仿真通常僅局限于特定問題的研究，并不能獲取節(jié)點、網絡和無線通信等運行的詳局限于特定問題的研究

21、，并不能獲取節(jié)點、網絡和無線通信等運行的詳細信息，只有實際的測試床細信息，只有實際的測試床(Testbed)(Testbed)才能夠捕獲到這些信息。才能夠捕獲到這些信息。 雖然在驗證大型傳感器網絡方面有一些有效的仿真工具，但只有通過雖然在驗證大型傳感器網絡方面有一些有效的仿真工具，但只有通過對實際的傳感器網絡測試床的使用，才能真正理解資源的限制、通信損對實際的傳感器網絡測試床的使用，才能真正理解資源的限制、通信損失及能源限制等問題。失及能源限制等問題。 通過測試床可以對無線傳感器網絡的許多問題進行研究，簡化系統(tǒng)部通過測試床可以對無線傳感器網絡的許多問題進行研究，簡化系統(tǒng)部署、調試等步驟，使得無

22、線傳感器網絡的研究和應用變得相對容易。署、調試等步驟，使得無線傳感器網絡的研究和應用變得相對容易。20 Motelab Motelab是哈佛大學開發(fā)的一個開放的無線傳感器網絡實驗環(huán)是哈佛大學開發(fā)的一個開放的無線傳感器網絡實驗環(huán)境，是基于境，是基于WebWeb的無線傳感器網絡測試床。它包括一組長期部署的的無線傳感器網絡測試床。它包括一組長期部署的傳感器網絡節(jié)點，以及一個中心服務器。傳感器網絡節(jié)點，以及一個中心服務器。無線傳感器網絡傳感器節(jié)點2傳感器節(jié)點1傳感器節(jié)點3傳感器節(jié)點4本地用戶因特網外部用戶中心服務器以太網端口21 SensoNet SensoNet是美國是美國亞特蘭大市喬治亞州亞特蘭大

23、市喬治亞州技術學院電子與計算技術學院電子與計算機工程學校寬帶無機工程學校寬帶無線網絡實驗室研制的線網絡實驗室研制的傳感器網絡試驗床。傳感器網絡試驗床。 SensoNetSensoNet試驗床是由試驗床是由三部分組成：核心網、三部分組成：核心網、核心接入網和傳感器核心接入網和傳感器現(xiàn)場?，F(xiàn)場。22SensoNetSensoNet工程測試床的場景和部分實物工程測試床的場景和部分實物235.2 5.2 網絡節(jié)點的硬件開發(fā)網絡節(jié)點的硬件開發(fā)5.2.1 5.2.1 硬件開發(fā)概述硬件開發(fā)概述1 1、硬件系統(tǒng)的設計特點和要求、硬件系統(tǒng)的設計特點和要求設計傳感器網絡的硬件節(jié)點需從以下方面考慮：設計傳感器網絡的

24、硬件節(jié)點需從以下方面考慮：(1) (1) 微型化微型化(2) (2) 擴展性和靈活性擴展性和靈活性(3) (3) 穩(wěn)定性和安全性穩(wěn)定性和安全性(4) (4) 低成本低成本(5) (5) 低功耗低功耗242 2、硬件系統(tǒng)的設計內容、硬件系統(tǒng)的設計內容 傳感器網絡設計的主要內容在于傳感器網絡設計的主要內容在于傳感器網絡節(jié)點。傳感器網絡節(jié)點。 傳感器節(jié)點的基本硬件模塊組成傳感器節(jié)點的基本硬件模塊組成主要由數(shù)據(jù)處理模塊、換能器模塊、主要由數(shù)據(jù)處理模塊、換能器模塊、無線通信模塊、電源模塊和其他外圍無線通信模塊、電源模塊和其他外圍模塊組成。模塊組成。 換能器模塊包括各種傳感器和執(zhí)換能器模塊包括各種傳感器和

25、執(zhí)行器，用于感知數(shù)據(jù)和執(zhí)行各種控制行器，用于感知數(shù)據(jù)和執(zhí)行各種控制動作。其他外圍模塊包括看門狗電路、動作。其他外圍模塊包括看門狗電路、電池電量檢測模塊等，也是傳感器節(jié)電池電量檢測模塊等，也是傳感器節(jié)點不可缺少的組成部分。點不可缺少的組成部分。換 能器 模 塊數(shù) 據(jù)處 理模 塊無 線通 信模 塊電 源 模 塊其 它 模 塊255.2.2 5.2.2 傳感器節(jié)點的模塊化設計傳感器節(jié)點的模塊化設計1 1、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊 對于數(shù)據(jù)處理模塊的設計，主要考慮如下五個方對于數(shù)據(jù)處理模塊的設計，主要考慮如下五個方面的問題：面的問題：(1) (1) 節(jié)能設計節(jié)能設計(2) (2) 處理速度的選擇處理

26、速度的選擇(3) (3) 低成本低成本(4) (4) 小體積小體積(5) (5) 安全性安全性26各種常見的微控制器性能列表各種常見的微控制器性能列表廠商芯片型號RAM容量/KBFlash容量/KB正常工作電流/mA睡眠模式下的電流/AAtmelMega10341285.51Mega1284128820Mega165/325/6454642.52MicrochipPIC87x0.36821Intel8051 8位Classic0.5323058051 16位1164510Philips51 16位260153MotorolaHC050.5326.690HC082328100HCS084606.

27、51TIMSP14x16位2601.51MSP16x16位104821AtmelAT91 ARM Thumb256102438160IntelXScale PXA27X256N/A39574SamsungS44B08N/A605272 2、換能器模塊、換能器模塊 所謂換能器所謂換能器(transducer)(transducer)是指將一種物理能量變?yōu)榱硪环N物是指將一種物理能量變?yōu)榱硪环N物理能量的器件，包括傳感器和執(zhí)行器兩種類型。理能量的器件，包括傳感器和執(zhí)行器兩種類型。 大部分傳感器的輸出是模擬信號，但通常無線傳感器網絡傳大部分傳感器的輸出是模擬信號，但通常無線傳感器網絡傳輸?shù)氖菙?shù)字化的數(shù)據(jù)

28、，因此必須進行模輸?shù)氖菙?shù)字化的數(shù)據(jù)，因此必須進行模/ /數(shù)轉換。類似的，許多執(zhí)數(shù)轉換。類似的，許多執(zhí)行器的輸出也是模擬的，因此也必須進行數(shù)行器的輸出也是模擬的，因此也必須進行數(shù)/ /模轉換。模轉換。 在網絡節(jié)點中配置模在網絡節(jié)點中配置模/ /數(shù)和數(shù)數(shù)和數(shù)/ /模轉換器模轉換器(ADC(ADC和和DAC)DAC)，能夠降，能夠降低系統(tǒng)的整體成本，尤其是在節(jié)點有多個傳感器且可共享一個轉低系統(tǒng)的整體成本，尤其是在節(jié)點有多個傳感器且可共享一個轉換器的時候。換器的時候。283 3、無線通信模塊、無線通信模塊 無線通信模塊由無線射頻電路和天線組成，目前采用無線通信模塊由無線射頻電路和天線組成，目前采用的傳

29、輸介質主要包括無線電、空氣、紅外、激光和超聲波的傳輸介質主要包括無線電、空氣、紅外、激光和超聲波等，它是傳感器節(jié)點中最主要的耗能模塊，是傳感器節(jié)點等，它是傳感器節(jié)點中最主要的耗能模塊，是傳感器節(jié)點的設計重點。的設計重點。 傳感器網絡應用的無線通信技術通常包括傳感器網絡應用的無線通信技術通常包括IEEE IEEE 802.11b802.11b、IEEE 802.15.4(ZigBee)IEEE 802.15.4(ZigBee)、BluetoothBluetooth、UWBUWB、RFIDRFID和和IrDAIrDA等，還有很多芯片雙方通信的協(xié)議由用戶自己等，還有很多芯片雙方通信的協(xié)議由用戶自己定

30、義，這些芯片一般工作在定義，這些芯片一般工作在ISMISM免費頻段。免費頻段。29傳感器網絡的常用無線通信技術傳感器網絡的常用無線通信技術無線技術頻率距離/m功耗傳輸速率/kbpsBluetooth2.4GHz10低10000802.11b2.4GHz100高11000RFID50kHz5.8GHz3205501150循環(huán)壽命/次3005008001000100011工作溫度/-206020602060060060-20602060記憶效應無有小很小無無無內阻/m308071918358010080100毒性有有輕毒輕毒無無有價格低低中高最高高中可充電是是是是是否否漏電流(%/月)303015

31、8820251138 原電池是把化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置，它以其成原電池是把化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置，它以其成本低廉、能量密度高、標準化程度好、易于購買等特本低廉、能量密度高、標準化程度好、易于購買等特點而備受青睞。點而備受青睞。 例如，我們日常使用的例如，我們日常使用的AAAA電池電池( (即通常所說的即通常所說的5 5號號電池，尺寸為直徑電池，尺寸為直徑14mm/14mm/高度高度49mm)49mm)、AAAAAA電池電池( (即通常即通常所說的所說的7 7號電池，尺寸為直徑號電池，尺寸為直徑11mm/11mm/高度高度44mm)44mm)。39 雖然使用可充電的蓄電池似乎比使用原電池好，但雖

32、然使用可充電的蓄電池似乎比使用原電池好，但蓄電池也有缺點，例如它的能量密度有限。蓄電池的重蓄電池也有缺點，例如它的能量密度有限。蓄電池的重量能量密度和體積能量密度遠低于原電池，這就意味著量能量密度和體積能量密度遠低于原電池，這就意味著要想達到同樣的容量要求，蓄電池的尺寸和重量都要大要想達到同樣的容量要求，蓄電池的尺寸和重量都要大一些。一些。 另外與原電池相比，蓄電池自放電更嚴重，這就限另外與原電池相比，蓄電池自放電更嚴重，這就限制了它的存放時間和在低負載條件下的服務壽命。制了它的存放時間和在低負載條件下的服務壽命。 盡管有這些缺點，蓄電池仍然有很多可取之處，譬盡管有這些缺點，蓄電池仍然有很多可

33、取之處，譬如蓄電池的內阻通常比原電池要低，這在要求峰值電流如蓄電池的內阻通常比原電池要低，這在要求峰值電流較高的應用中有用途。較高的應用中有用途。404 4、外圍模塊設計、外圍模塊設計 傳感器網絡節(jié)點的外圍模塊主要包括看門狗電路、傳感器網絡節(jié)點的外圍模塊主要包括看門狗電路、I/OI/O電路和低電量檢測電路等。電路和低電量檢測電路等。 看門狗看門狗(Watch Dog)(Watch Dog)是一種增強系統(tǒng)魯棒性的重要是一種增強系統(tǒng)魯棒性的重要措施，它能夠有效地防止系統(tǒng)進入死循環(huán)或者程序跑措施，它能夠有效地防止系統(tǒng)進入死循環(huán)或者程序跑飛。傳感器節(jié)點工作環(huán)境復雜多變，可能由于干擾造飛。傳感器節(jié)點工作

34、環(huán)境復雜多變，可能由于干擾造成系統(tǒng)軟件的運行混亂。成系統(tǒng)軟件的運行混亂。 由于電池壽命有限，為了避免節(jié)點工作中發(fā)生突由于電池壽命有限，為了避免節(jié)點工作中發(fā)生突然斷電的情況，當電池電量將要耗盡時必須要有某種然斷電的情況，當電池電量將要耗盡時必須要有某種指示，以便及時更換電池或提醒鄰居節(jié)點。指示，以便及時更換電池或提醒鄰居節(jié)點。415.2.3 5.2.3 傳感器節(jié)點的開發(fā)實例傳感器節(jié)點的開發(fā)實例1 1、MicaMica系列節(jié)點系列節(jié)點 Mica Mica系列節(jié)點是由系列節(jié)點是由U.C.BerkeleyU.C.Berkeley大學研制，大學研制，CrossbowCrossbow公司生產的無線傳感器節(jié)

35、點。公司生產的無線傳感器節(jié)點。CrossbowCrossbow公公司是第一家將智能微塵無線傳感器引入大規(guī)模商業(yè)司是第一家將智能微塵無線傳感器引入大規(guī)模商業(yè)用途的公司，現(xiàn)在給一些財富百強企業(yè)提供服務和用途的公司，現(xiàn)在給一些財富百強企業(yè)提供服務和智能微塵產品。智能微塵產品。 Mica Processor/Radio boards Mica Processor/Radio boards（MPRMPR）即所謂）即所謂的的MicaMica智能卡板組成硬件平臺，它們由電池供能，智能卡板組成硬件平臺，它們由電池供能，傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊與傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊與MPRMPR集成在一起。集成在一起。42Mica

36、Mica系列節(jié)點的組網示意圖系列節(jié)點的組網示意圖43 MICA2 MICA2 系系列列MPR4x0(MPR4x0(左上左上) )和和MICA2DOTMICA2DOT系系列列MPR5x0(MPR5x0(右下右下) )的實物的實物44 MICAz MICAz系列系列MPR2400MPR2400的實物的實物45多傳感器模塊多傳感器模塊MTS300/310MTS300/310（左）和（左）和MTS510MTS510（右）的實物（右）的實物46串行網關串行網關MIB510MIB510的實物的實物47Stargate Stargate 網關網關SPB400SPB400的實物的實物482 2、MicaMic

37、a系列處理器系列處理器/ /射頻板射頻板先進的先進的RISCRISC架構。架構。內部有內部有128KB128KB的在線可重復編程的在線可重復編程FlashFlash、4KB4KB的的EEPROMEEPROM和和 SRAMSRAM。有有5353個個I/OI/O引腳。引腳。內部有內部有2 2個個8 8位定時器位定時器/ /計數(shù)器和計數(shù)器和2 2個具有比較個具有比較/ /捕捉寄存捕捉寄存器的器的1616位定時器位定時器/ /計數(shù)器。計數(shù)器。功耗低。功耗低。帶帶JTAGJTAG接口，便于調試。接口，便于調試。電源電壓為電源電壓為 V5.5 V，動態(tài)范圍較大，能夠適應惡劣，動態(tài)范圍較大

38、，能夠適應惡劣的工作環(huán)境。的工作環(huán)境。(1) (1) 微處理器電路微處理器電路 Mica Mica系列產品的處理器均采用系列產品的處理器均采用AtmelAtmel公司的公司的ATmegal28LATmegal28L：49(2) (2) 射頻板射頻板 MicaMica節(jié)點的無線通信射頻芯片均采用節(jié)點的無線通信射頻芯片均采用ChipconChipcon公司的公司的CCXXXXCCXXXX系列射頻產品。該系列產品是專門系列射頻產品。該系列產品是專門為低功耗、低速率的無線傳感器應用開發(fā)的。例為低功耗、低速率的無線傳感器應用開發(fā)的。例如如MICAzMICAz節(jié)點采用了節(jié)點采用了CC2420CC2420通

39、信芯片。通信芯片。503 3、MicaMica系列傳感器板系列傳感器板MicaMica系列傳感器板是較早實現(xiàn)商用的無線傳感器節(jié)點部件，系列傳感器板是較早實現(xiàn)商用的無線傳感器節(jié)點部件，它的電路原理圖設計是公開的。它的電路原理圖設計是公開的。(1) (1) 傳感器電源供電電路傳感器電源供電電路(2) (2) 溫濕度和照度檢測電路溫濕度和照度檢測電路(3) (3) 磁性傳感器電路磁性傳感器電路514 4、編程調試接口板、編程調試接口板 Mica Mica系列節(jié)點在很大程度系列節(jié)點在很大程度上是作為教學和研究試驗使上是作為教學和研究試驗使用的，人們通過在由多個用的，人們通過在由多個MicaMica節(jié)點

40、組成的實驗床驗證節(jié)點組成的實驗床驗證自己的算法和體驗多跳自組自己的算法和體驗多跳自組網的特性。網的特性。 為了方便開發(fā)，為了方便開發(fā)，CrossbowCrossbow公司開發(fā)了一系列的編程調公司開發(fā)了一系列的編程調試工具，比較常見的是試工具，比較常見的是MIB510MIB510和和MIB600MIB600接口板。接口板。MIB510MIB510的連線和節(jié)點的裝配的連線和節(jié)點的裝配525.3 5.3 操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)5.3.1 5.3.1 網絡節(jié)點操作系統(tǒng)網絡節(jié)點操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)是指用于執(zhí)行獨立功能的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是指用于執(zhí)行獨立功能的專用計算機系統(tǒng)。它由微處

41、理器、定時器、微控制器、存儲器、傳感器等一系它由微處理器、定時器、微控制器、存儲器、傳感器等一系列微電子芯片與器件，以及嵌入在存儲器中的微型操作系統(tǒng)、列微電子芯片與器件，以及嵌入在存儲器中的微型操作系統(tǒng)、控制應用軟件組成?？刂茟密浖M成。 嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分。軟件，它是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分。 傳感器網絡節(jié)點作為一種典型的嵌入式系統(tǒng)，同樣需要傳感器網絡節(jié)點作為一種典型的嵌入式系統(tǒng)，同樣需要操作系統(tǒng)來支撐它的運行。傳感器網絡節(jié)點的操作系統(tǒng)是運操作系統(tǒng)來支撐它的運行。傳感器網絡節(jié)點的

42、操作系統(tǒng)是運行在每個傳感器節(jié)點上的基礎核心軟件，它能夠有效地管理行在每個傳感器節(jié)點上的基礎核心軟件，它能夠有效地管理硬件資源和任務的執(zhí)行，并且使應用程序的開發(fā)更為方便。硬件資源和任務的執(zhí)行，并且使應用程序的開發(fā)更為方便。1 1、網絡節(jié)點操作系統(tǒng)的設計要求、網絡節(jié)點操作系統(tǒng)的設計要求53 傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)不能適用于傳感器網絡，這些操作傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)不能適用于傳感器網絡，這些操作系統(tǒng)對硬件資源有較高的要求，傳感器節(jié)點的有限資源很難滿系統(tǒng)對硬件資源有較高的要求，傳感器節(jié)點的有限資源很難滿足這些要求。足這些要求。 通常設計操作系統(tǒng)時需要滿足如下要求：通常設計操作系統(tǒng)時需要滿足如下要求： 代碼

43、量必須盡可能小，復雜度盡可能低，從而盡可能降代碼量必須盡可能小，復雜度盡可能低，從而盡可能降 低系統(tǒng)的能耗。低系統(tǒng)的能耗。 必須能夠適應網絡規(guī)模和拓撲高度動態(tài)變化的應用環(huán)境。必須能夠適應網絡規(guī)模和拓撲高度動態(tài)變化的應用環(huán)境。 對監(jiān)測環(huán)境發(fā)生的事件能快速響應。對監(jiān)測環(huán)境發(fā)生的事件能快速響應。 能快速切換并執(zhí)行頻繁發(fā)生的多個并發(fā)任務。能快速切換并執(zhí)行頻繁發(fā)生的多個并發(fā)任務。 能夠使多個節(jié)點高效地協(xié)作完成監(jiān)測任務。能夠使多個節(jié)點高效地協(xié)作完成監(jiān)測任務。 提供方便的編程方法。提供方便的編程方法。 能實現(xiàn)對節(jié)點在線動態(tài)重新編程。能實現(xiàn)對節(jié)點在線動態(tài)重新編程。 542 2、TinyOSTinyOS操作系統(tǒng)

44、介紹操作系統(tǒng)介紹 TinyOS TinyOS是一個開源的嵌入式操作系統(tǒng)，它是由加是一個開源的嵌入式操作系統(tǒng)，它是由加州大學的伯利克分校開發(fā)，主要應用于無線傳感器網州大學的伯利克分校開發(fā)，主要應用于無線傳感器網絡方面。它是基于一種組件（絡方面。它是基于一種組件（Component-BasedComponent-Based）的）的架構方式，能夠快速實現(xiàn)各種應用。架構方式，能夠快速實現(xiàn)各種應用。 TinyOS TinyOS程序采用的是模塊化設計，程序核心往往程序采用的是模塊化設計，程序核心往往都很小。一般來說，核心代碼和數(shù)據(jù)大概在都很小。一般來說，核心代碼和數(shù)據(jù)大概在400Bytes400Bytes

45、左右。左右。55 TinyOS TinyOS軟件包是開放源代碼的，用戶可以從網站軟件包是開放源代碼的，用戶可以從網站httphttp：/ 如果在如果在Windows2000/XPWindows2000/XP上安裝，可下載上安裝，可下載tinyos-1.1.0-tinyos-1.1.0-lis.exelis.exe，按照提示逐步執(zhí)行，就能自動完成安裝，然后在，按照提示逐步執(zhí)行，就能自動完成安裝，然后在CygwinCygwin環(huán)境下操作命令。環(huán)境下操作命令。 Cygwin Cygwin是一個在是一個在windowswindows平臺上運行的平臺上運行的LinuxLinux模擬環(huán)境，是模擬環(huán)境，是c

46、ygnus solutionscygnus solutions公司開發(fā)的自由軟件。公司開發(fā)的自由軟件。 如果要檢測如果要檢測tinyostinyos的環(huán)境是否搭建好，可以運行的環(huán)境是否搭建好，可以運行tos-tos-check-envcheck-env命令：命令：$ tos-check-env$ tos-check-env系統(tǒng)會檢測各個程序是否正常，如果最后出現(xiàn)正確的提示，則系統(tǒng)會檢測各個程序是否正常，如果最后出現(xiàn)正確的提示，則表明表明PCPC機上的機上的TinyOSTinyOS操作系統(tǒng)已經可以使用了。操作系統(tǒng)已經可以使用了。（1 1）TinyOSTinyOS的安裝的安裝56(2) (2) 創(chuàng)

47、建應用程序創(chuàng)建應用程序 在安裝在安裝TinyOSTinyOS后，可以在后，可以在appsapps目錄下創(chuàng)建目錄下創(chuàng)建應用程序目錄，用來存放應用程序文件。應用程序目錄，用來存放應用程序文件。 例如，例如，BlinkBlink程序包含程序包含BlinkBlink和和BlinkMBlinkM兩個兩個組件，組件，BlinkBlink組件包含在組件包含在B1ink.ncB1ink.nc文件中，而文件中，而BlinkMBlinkM組件包含在組件包含在BlinkM.ncBlinkM.nc文件中。這些文文件中。這些文件可以用任何文本編輯軟件來創(chuàng)建。件可以用任何文本編輯軟件來創(chuàng)建。 57 采用基于組件的體系結構

48、，這種體系結構已經被采用基于組件的體系結構，這種體系結構已經被 廣泛應用在嵌入式操作系統(tǒng)。廣泛應用在嵌入式操作系統(tǒng)。 采用事件驅動機制，能夠適用于節(jié)點眾多、并發(fā)采用事件驅動機制，能夠適用于節(jié)點眾多、并發(fā) 操作頻繁發(fā)生的無線傳感器網絡應用。操作頻繁發(fā)生的無線傳感器網絡應用。 采用輕量級線程技術和基于先進先出采用輕量級線程技術和基于先進先出(First In (First In First OutFirst Out，F(xiàn)IFO)FIFO)的任務隊列調度方法。的任務隊列調度方法。 采用基于事件驅動模式的主動消息通信方式，這采用基于事件驅動模式的主動消息通信方式，這 種方式已經廣泛用于分布式并行計算。種

49、方式已經廣泛用于分布式并行計算。(3) TinyOS(3) TinyOS的特點的特點58(4) TinyOS(4) TinyOS的應用程序示例的應用程序示例 1 1）BlinkBlink程序的配件程序的配件 2 2）BlinkMBlinkM模塊模塊 3 3）nccncc編譯編譯nesCnesC程序程序 4 4）應用程序導入節(jié)點）應用程序導入節(jié)點595.3.2 5.3.2 軟件開發(fā)軟件開發(fā)1 1、傳感器網絡軟件、傳感器網絡軟件開發(fā)的特點和要求開發(fā)的特點和要求 通常傳感器網絡通常傳感器網絡的軟件運行采用分層的軟件運行采用分層結構結構核心支撐技術 具體應用代碼 系統(tǒng)內核通信協(xié)議應用數(shù)據(jù)功能管理控制功

50、能收/發(fā)模塊 硬件抽象層 物理層60 傳感器網絡因資源受限、動態(tài)性強和以數(shù)據(jù)傳感器網絡因資源受限、動態(tài)性強和以數(shù)據(jù)中心，網絡節(jié)點的軟件系統(tǒng)開發(fā)設計具有如下特中心，網絡節(jié)點的軟件系統(tǒng)開發(fā)設計具有如下特點：點： 具有自適應功能。具有自適應功能。 保證節(jié)點的能量優(yōu)化。保證節(jié)點的能量優(yōu)化。 采用模塊化設計。采用模塊化設計。 面向具體應用。面向具體應用。 具有維護和升級功能。具有維護和升級功能。612 2、網絡系統(tǒng)開發(fā)的基本內容、網絡系統(tǒng)開發(fā)的基本內容主要包括以下三個方面的環(huán)節(jié)：主要包括以下三個方面的環(huán)節(jié)： 傳感器應用。傳感器應用。 節(jié)點應用。節(jié)點應用。 這種應用包含針對專門應用的任這種應用包含針對專門

51、應用的任 務和用于建務和用于建 立與維護網絡的中間件功能，它涉及到操作系統(tǒng)、立與維護網絡的中間件功能，它涉及到操作系統(tǒng)、傳感驅動和中間件管理三部分。傳感驅動和中間件管理三部分。 網絡應用。網絡應用。 這種應用的設計內容描述了整個網絡應用的任這種應用的設計內容描述了整個網絡應用的任務和所需要的服務，為用戶提供操作界面，管理務和所需要的服務，為用戶提供操作界面，管理整個網絡并評估運行效果。整個網絡并評估運行效果。62算 法模 塊服 務虛 擬 機中 間 件 管 理操 作 系 統(tǒng)傳 感 驅 動CPU 傳 感 器操 作 系 統(tǒng)操 作 系 統(tǒng) 傳 感 器 硬 件操 作 系 統(tǒng)傳 感 器 硬 件用 戶 終

52、端 傳 感 器 網 絡 應 用分 布 式 中 間 件 系 統(tǒng)傳 感 器 硬 件節(jié) 點節(jié) 點節(jié) 點節(jié)點應用框架的組件節(jié)點應用框架的組件網絡應用框架的組件網絡應用框架的組件633 3、傳感器網絡的軟件編程模式、傳感器網絡的軟件編程模式 傳感器網絡的軟件開發(fā)需要采取一定的編程模式，運用適當傳感器網絡的軟件開發(fā)需要采取一定的編程模式，運用適當?shù)木幊炭蚣軄碇笇Ь唧w的程序設計。通用軟件的編程模式并不的編程框架來指導具體的程序設計。通用軟件的編程模式并不完全適合于傳感器網絡的軟件開發(fā)，為此需要考慮設計適合于完全適合于傳感器網絡的軟件開發(fā)，為此需要考慮設計適合于傳感器網絡開發(fā)特征的編程模式，這里主要簡介三種常

53、見的編傳感器網絡開發(fā)特征的編程模式，這里主要簡介三種常見的編程模式程模式. .（1 1）抽象域編程）抽象域編程（2 2）以對象為中心的編程）以對象為中心的編程（3 3）以狀態(tài)為中心的編程模式）以狀態(tài)為中心的編程模式645.3.3 5.3.3 后臺管理軟件后臺管理軟件1 1、結構與組成、結構與組成 可視化的后臺管理軟件是傳感器網絡系統(tǒng)的一個重要組成可視化的后臺管理軟件是傳感器網絡系統(tǒng)的一個重要組成部分，是獲取和分析傳感器網絡數(shù)據(jù)的重要工具。傳感器網絡部分，是獲取和分析傳感器網絡數(shù)據(jù)的重要工具。傳感器網絡的分析與管理是應用的重點和難點，傳感器網絡的分析和管理的分析與管理是應用的重點和難點，傳感器網絡的分析和管理需要一個后臺系統(tǒng)來支持。需要一個后臺系統(tǒng)來支持。 通常傳感器網絡在采集探測數(shù)據(jù)后，通過傳輸網絡將數(shù)據(jù)通常傳感器網絡在采集探測數(shù)據(jù)后，通過傳輸網絡將數(shù)據(jù)傳輸給后臺管理軟件。后臺管理軟件對這些數(shù)據(jù)進行分析、處傳輸給后臺管理軟件。后臺管理軟件對這些數(shù)據(jù)進行分析、處理和存儲，得到傳感器網絡的相關管理信息和目標探測信息。理和存儲，得到傳感器網絡的相關管理信息和目標探測信息。后臺管理軟件可以提供多種形式的用戶接口，包括拓撲樹、節(jié)后臺管理軟件可以提供多種