無線傳感器網(wǎng)絡(luò)2014(節(jié)點(diǎn)技術(shù))1

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)講義第二章第二章 節(jié)點(diǎn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)技術(shù)2014年3月MICA2 mote by Inteland the University of California, Berkeley第二章第二章 節(jié)點(diǎn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)技術(shù)2.1 2.1 節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)2.2 2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則2.3 2.3 處理器模塊處理器模塊2.4 2.4 無線通信模塊無線通信模塊2.5 2.5 傳感器傳感器2.6 2.6 節(jié)點(diǎn)能耗分析節(jié)點(diǎn)能耗分析2.7 2.7 常用節(jié)點(diǎn)介紹常用節(jié)點(diǎn)介紹2.1 2.1 節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)具有端節(jié)點(diǎn)和路由雙重功能：一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的

2、采集和處理；另一方面將數(shù)據(jù)融合經(jīng)多跳路由傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)或其它通信網(wǎng)絡(luò)傳送到觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一種微型化的嵌入式系統(tǒng)。構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)。2.2 2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，主要遵循以下原則：（1）低成本成本的高低是衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)好壞的重要指標(biāo)。通常，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能多達(dá)數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)。在大規(guī)模部署的情況下，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本問題就尤為突出。只有成本低才能大量布置在目標(biāo)區(qū)域中，體現(xiàn)出傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種優(yōu)點(diǎn)。因此，就要求無線傳感器節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)不能特別復(fù)雜，使用的所有器件都必須是低功耗的。最終

3、目的是，在能夠滿足系統(tǒng)需求的前提下，將硬件成本降到足夠低。UC Berkeley: COTS Dust2.2 2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則（續(xù)）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則（續(xù)）（2）具有足夠的數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)能力無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擔(dān)負(fù)著環(huán)境數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。?shù)據(jù)采集過程通常要對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理及存儲(chǔ)工作，這要占用一部分處理器與存儲(chǔ)器資源；同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)要將所采集的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送，所以要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步加工，將數(shù)據(jù)組成能夠滿足網(wǎng)絡(luò)要求的數(shù)據(jù)包格式，并由處理器將數(shù)據(jù)送往無線通信模塊部分。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還擔(dān)負(fù)著路由功能，即將所接收到的數(shù)據(jù)包向下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，路由功能也會(huì)消耗節(jié)點(diǎn)一部分處理器和存

4、儲(chǔ)器資源。因此，節(jié)點(diǎn)要具有足夠的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力，能夠同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸功能。JPL: Sensor Webs2.2 2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則（續(xù)）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則（續(xù)）（3）低功耗節(jié)能是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)最主要的問題之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，并且大多數(shù)工作在野外環(huán)境或者人員不宜到達(dá)的地方，因而不可能隨時(shí)更換節(jié)點(diǎn)的電池，這就要求節(jié)點(diǎn)能夠在有限的電源供電的情況下，工作的時(shí)間盡可能長(zhǎng)，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。節(jié)點(diǎn)本身需要具有低功耗技術(shù)，能量的節(jié)約需要節(jié)點(diǎn)硬件和軟件配合實(shí)現(xiàn)。2.2 2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則（續(xù)）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則（續(xù)）（4）可擴(kuò)展性和靈活性可擴(kuò)展性也是傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須考慮的

5、問題，實(shí)現(xiàn)方法之一是定義統(tǒng)一、完整的外部接口。在需要添加新的硬件部件時(shí)可以在現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)上直接添加，而不需要開發(fā)新的節(jié)點(diǎn)。即傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在具備通用處理器和通信模塊的基礎(chǔ)上擁有完整、規(guī)范的外部接口，以適應(yīng)不同的部件。體現(xiàn)在傳感器模塊上，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合需要，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具有不同的傳感器接口，可以與不同的傳感器相結(jié)合，進(jìn)行靈活的配置。本特性也需要傳感器節(jié)點(diǎn)硬件和軟件配合實(shí)現(xiàn)。Mica node2.2 2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則（續(xù)）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則（續(xù)）（5）微型化微型化是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)追求的終極目標(biāo)。只有節(jié)點(diǎn)本身體積足夠小，才能保證不影響目標(biāo)系統(tǒng)環(huán)境或者造成的影響可以忽略不計(jì)；另外在某些特殊場(chǎng)合

6、甚至要求目標(biāo)系統(tǒng)能夠小到不容易被察覺的程度。（6）穩(wěn)定性和安全性設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)要求各個(gè)部件都能在給定的外部環(huán)境變化范圍內(nèi)正常工作。在一定的溫度、濕度、壓力等外部條件下，傳感器節(jié)點(diǎn)各個(gè)部件應(yīng)該能夠保持正常的功能。weC Mote2.3 2.3 處理器模塊處理器模塊處理器模塊是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)中最核心的部件，處理器的性能直接影響節(jié)點(diǎn)的性能。處理器決定了節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力、路由算法的運(yùn)行速度以及傳感器網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度。同時(shí)在一定程度上影響了節(jié)點(diǎn)的整體能耗和節(jié)點(diǎn)的工作壽命。處理器模塊的選擇還決定了傳感器節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)的開發(fā)工具和開發(fā)周期，以及是否使用嵌入式操作系統(tǒng)，現(xiàn)有的上層軟件是否可以方便的移

7、植等。2.3 2.3 處理器模塊處理器模塊（續(xù)）（續(xù)）目前使用的三種主流微處理器：美國(guó)Atmel公司推出的高性能8位單片機(jī)系列AVR芯片美國(guó)TI公司推出的高性能16位單片機(jī)MSP430系列微型處理器CHIPCON公司（現(xiàn)被TI收購(gòu)）推出的CC2431芯片。2.3 2.3 處理器模塊處理器模塊（續(xù)）（續(xù)）（1）美國(guó)Atmel公司推出的高性能8位單片機(jī)系列AVR芯片。AVR處理器根據(jù)芯片存儲(chǔ)空間的不同，分為ATMega8，ATMegal6，ATMega64及ATmegal28等不同型號(hào)。AVR芯片具有高可靠性、功能強(qiáng)大、高速率、低功耗、低價(jià)位的優(yōu)點(diǎn)，芯片應(yīng)用非常廣泛，技術(shù)相對(duì)來說也比較成熟。另外，

8、AVR芯片的外圍接口也非常豐富，提供串行通信接口UART，JTAG在線調(diào)試接口，串行外設(shè)接口SPI等等。使用AVR（ATMegal128L）的產(chǎn)品有：CrossBow公司的Mica系列節(jié)點(diǎn)、CSRIO研究室的CSRIO節(jié)點(diǎn)以及中科院計(jì)算所研制的EASINet系列節(jié)點(diǎn)等。2.3 2.3 處理器模塊處理器模塊（續(xù)）（續(xù)）（2）美國(guó)TI公司推出的高性能16位單片機(jī)MSP430系列微型處理器。它也采用了精簡(jiǎn)指令集RISC結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；高效的查表處理指令；較高的處理速度（在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為12

9、5ns）；超低功耗（工作電流為微安級(jí)）。所有這些特點(diǎn)保證了MSP430系列芯片高可靠性，高效率的工作性能，使其在智能儀表、流量計(jì)、醫(yī)療設(shè)備及保安系統(tǒng)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。采用MSP430的產(chǎn)品有：Moteiv公司的Tmote節(jié)點(diǎn)（Telos）和hockFish公司的TinyNode584節(jié)點(diǎn)等。2.3 2.3 處理器模塊處理器模塊（續(xù)）（續(xù)）（3）CHIPCON公司推出的CC2431芯片。它是一款真正的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee802.15.4解決方案的片上系統(tǒng)。相對(duì)前面兩種來說，比較特殊的一點(diǎn)是芯片上不但具有符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051微控制器內(nèi)核及定位引擎，具有128K閃存、8KRA

10、M空間以及各種豐富的外圍接口。CC2431芯片還集成了一個(gè)性能卓越的射頻收發(fā)模塊CC2420內(nèi)核。也就是說，只需要在CC2431芯片周圍布設(shè)極少的外圍電路即可完成整個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。2.4 2.4 無線通信模塊無線通信模塊無線通信模塊是構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的另一個(gè)重要模塊。無線通信模塊用于節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊性決定了不能使用復(fù)雜的協(xié)議，例如像802.11這樣的協(xié)議。主要原因是協(xié)議的復(fù)雜性會(huì)帶來很大的能量消耗，同時(shí)節(jié)點(diǎn)的處理功能并不是十分強(qiáng)大，使用復(fù)雜協(xié)議會(huì)占用大量的處理器資源。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用的底層通信方式包括使用ISM（Industrial, Scientific and Medic

11、al）波段（各國(guó)規(guī)定不同，常用的有433MHz和868/915MHz），以及具有802.15.4協(xié)議和藍(lán)牙通信協(xié)議的射頻通信（2.4GHz）。2.4 2.4 無線通信模塊（續(xù)）無線通信模塊（續(xù)）頻段劃分及主要用途頻段劃分及主要用途2.4 2.4 無線通信模塊（續(xù)）無線通信模塊（續(xù)）ISMISM波段頻率波段頻率頻率頻率說明說明13.55313.567MHz26.95727.283MHz40.6640.70MHz433464MHz歐洲902928MHz美國(guó)2.42.5GHzWLAN/WPAN技術(shù)使用5.7255.875GHzWLAN技術(shù)使用2424.25GHz2.4 2.4 無線通信模塊無線通信模

12、塊（續(xù)）（續(xù)）常用常用433MHz433MHz射頻芯片射頻芯片2.4 2.4 無線通信模塊無線通信模塊（續(xù)）（續(xù)）需要注意的是，有些芯片只包含單純的無線通信功能，沒有協(xié)議的支持，這類芯片非常適合研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層MAC通信協(xié)議，所研究的協(xié)議內(nèi)容能夠在這樣的平臺(tái)上完全實(shí)現(xiàn)。例如，Chipcon公司生產(chǎn)的CC1000、Nordic規(guī)定生產(chǎn)的nrf903和Semtech公司生產(chǎn)的XE1205芯片等。還有部分芯片內(nèi)嵌了支持802.15.4/ZigBee協(xié)議，例如Chipcon公司的CC2420和RFWave公司的RFW102芯片組。2.5 2.5 傳感器傳感器傳感器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息來源。傳

13、感器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息來源。 傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端探頭通常代表了用戶的功能需求，終端傳感器技術(shù)是支撐和最大化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能的基石，為網(wǎng)絡(luò)提供了豐富多彩的業(yè)務(wù)功能。什么是傳感器？什么是傳感器？一般來說能夠把特定的被測(cè)量信息（物理量、化學(xué)量、生物量等）按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號(hào)（電信號(hào)、光信號(hào)等）的器件或裝置，我們把它稱為傳感器。2.5 2.5 傳感器傳感器（續(xù)）（續(xù)）傳統(tǒng)意義上，傳感器指的是將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的器件(這種器件又稱為敏感元件)，但是這種電信號(hào)往往不能直接測(cè)量，需要通過調(diào)理電路將非標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，這部分電路往往為一個(gè)單獨(dú)的模塊，稱為變送器。隨著傳感技術(shù)，尤其是MEMs

14、技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的傳感器往往將調(diào)理電路(也稱之為變送電路)也集成其中，或者將變送電路集成到電路板上，變送器的概念也逐漸淡化。而傳感器的概念也同時(shí)包括了變送器，除非特別提出。本節(jié)中提到的傳感器者包括了調(diào)理電路。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)尚未形成大規(guī)模的市場(chǎng)，面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的專用傳感器極少。目前應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)路的傳感器一般來自于傳統(tǒng)的軍事、航空、汽車電子等镢域，而這類傳感器往往和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求有一定的差距。2.5 2.5 傳感器傳感器（續(xù)）（續(xù)）傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器的特殊要求傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器的特殊要求（1）功耗低。應(yīng)選用低功耗傳感器，一般工作電流小于0.5mA。（2）尺寸小。大多數(shù)情況下

15、，要求節(jié)點(diǎn)的尺寸要小，因此，傳感器的尺寸應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)。（3）數(shù)據(jù)量小。傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)短距離，低速率的網(wǎng)絡(luò)，不適合用來傳輸大量的數(shù)據(jù)。對(duì)于一些數(shù)據(jù)量較大的傳感器，例如圖像傳感器，需要在傳感器節(jié)點(diǎn)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，然后將我們更感興趣的、相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳送至后端。（4）根據(jù)具體應(yīng)用需求來決定傳感器的工作方式。例如，合理地設(shè)置睡眠、工作周期等。2.5 2.5 傳感器傳感器（續(xù)）（續(xù)）部分具體應(yīng)用領(lǐng)域中的傳感器部分具體應(yīng)用領(lǐng)域中的傳感器2.5 2.5 傳感器傳感器（續(xù)）（續(xù)）部分實(shí)際應(yīng)用傳感器的電氣特性部分實(shí)際應(yīng)用傳感器的電氣特性注l：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)瞬時(shí)電流為550A，T2ms注2：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)

16、瞬時(shí)電流為1mA，T2ms2.5 2.5 傳感器傳感器（續(xù)）（續(xù)）部分實(shí)際部分實(shí)際應(yīng)用傳感應(yīng)用傳感器的電氣器的電氣特性（續(xù)）特性（續(xù)）2.5 2.5 傳感器傳感器（續(xù)）（續(xù)）小結(jié)：小結(jié)：從已經(jīng)投入實(shí)用或?qū)嶒?yàn)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的傳感器來看，MEMS （Micro Electro Mechanical systems，MEMS）傳感囂占據(jù)了相當(dāng)一部分。這是由于MEMS傳感器集成度高、體積小、能耗低，有標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出接口，信號(hào)凋理簡(jiǎn)單。目前成熟的MEMS傳感器包括加速度傳感器、溫濕度傳感器、壓力傳感器、磁傳感器、震動(dòng)傳感器、光敏(光照度)傳感器、聽覺傳感囂和圖像傳感器。這類傳感器一般還集成了用于初

17、步處理被測(cè)信號(hào)的電路，有些可以作為SMD標(biāo)準(zhǔn)元件直接焊接在硬件電路板上。不同的工作環(huán)境、不同的被鍘量，對(duì)被測(cè)量的不同評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致傳感器的檢測(cè)原理也是各式各樣，其中有一些傳感器已經(jīng)不是傳統(tǒng)意義上的傳感器，例如雷達(dá)、GPS等。總之，傳感器技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)之一傳感器技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)之一。2.6 2.6 節(jié)點(diǎn)能耗分析節(jié)點(diǎn)能耗分析為什么要研究節(jié)點(diǎn)能耗？為什么要研究節(jié)點(diǎn)能耗？WSN是能量嚴(yán)重受限的網(wǎng)絡(luò)，要求在WSN設(shè)計(jì)的各方面、各層次體現(xiàn)能量有效性。在在WSN中，有關(guān)能量有效性研究和基于能量感知的算法中，有關(guān)能量有效性研究和基于能量感知的算法/協(xié)協(xié)議研究是議研究是

18、WSN研究的熱點(diǎn)之一。研究的熱點(diǎn)之一。能量有效研究是指提出能量有效的算法或協(xié)議，并利用剩余能量信息驗(yàn)證能量的有效性；基于能量感知的研究，則是將剩余能量信息作為設(shè)計(jì)算法協(xié)議的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。從本質(zhì)上講，它們均是基于剩余能量信息的研究，均需要能耗模型的支持。WSN能量模型與節(jié)點(diǎn)硬件環(huán)境高度相關(guān)。能量模型與節(jié)點(diǎn)硬件環(huán)境高度相關(guān)。本節(jié)對(duì)符合本節(jié)對(duì)符合ZigBee/802.15.4規(guī)范的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能耗分析。規(guī)范的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能耗分析。2.6 2.6 節(jié)點(diǎn)能耗分析節(jié)點(diǎn)能耗分析（續(xù)）（續(xù)）從硬件電路考慮，傳感器節(jié)點(diǎn)能耗主要包括傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。已有的研究結(jié)果表明，傳感器節(jié)點(diǎn)將1 bit信息傳輸100

19、 m距離需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3000條計(jì)算指令消耗的能量。同樣，和無線通信模塊所需能量相比，傳感器模塊采集信息耗能很低，且與工作時(shí)間成正比。因此，在實(shí)際工作中傳感器節(jié)點(diǎn)能耗主要集中在無線通信模塊上。設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)總能耗為設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)總能耗為E Edepletiondepletion 無線通信能耗為無線通信能耗為Erf 處理器處理器MCUMCU計(jì)算能耗為計(jì)算能耗為E Ecalcal 傳感器模塊采樣能耗為傳感器模塊采樣能耗為E Esensorsensor則有：則有： E Edepletiondepletion= =Erf+ E Ecalcal+E+Esensorsensor2.6 2.6 節(jié)點(diǎn)能

20、耗分析節(jié)點(diǎn)能耗分析（續(xù)）（續(xù)）1.1.節(jié)點(diǎn)通信能耗模型節(jié)點(diǎn)通信能耗模型WSN通信有接收、發(fā)送、空閑監(jiān)聽和睡眠4種狀態(tài)，總能耗是它們之和。設(shè)射頻模塊(RF)的通信能耗總為Erf，發(fā)送能耗為Esend，接收能耗為Ereceive，空閑監(jiān)聽能耗為Eidle，睡眠能耗為Esleep，則有Erf=Esend+Ereceive+Eidle+Esleep （1）其中，Esend=psentsen Nc-sen （2） Ereceive=prec trec Nc-rec （3） Eidle=pidle tidle Nidle （4）Esleep=psleep tsleep Nsleep （5） 則：Erf=p

21、sentsen Nc-sen +prec trec Nc-rec+pidle tidle Nidle+psleep tsleep Nsleep （6）式中：psen為RF發(fā)送的平均功率，由廠家提供；tsen為RF發(fā)送的平均用時(shí)/每幀，可由數(shù)據(jù)幀平均幀長(zhǎng)和數(shù)據(jù)發(fā)送速率計(jì)算得出； Nc-sen為當(dāng)前已發(fā)生的發(fā)生動(dòng)作次數(shù)（含數(shù)據(jù)幀發(fā)送失敗情況），它的值可通過在協(xié)議棧中設(shè)置計(jì)數(shù)器取得。其余參數(shù)類似。2.6 2.6 節(jié)點(diǎn)能耗分析節(jié)點(diǎn)能耗分析（續(xù)）（續(xù)）2.2.微處理器單元（微處理器單元（MCUMCU）計(jì)算能耗模型）計(jì)算能耗模型首先定義“原子計(jì)算”概念如下：原子計(jì)算是由一組計(jì)算組成的計(jì)算過程，該計(jì)算過程或

22、者全部執(zhí)行，或者全部不執(zhí)行，它具有完整性、獨(dú)立性特點(diǎn)。不失一般性，對(duì)BeeStack協(xié)議棧（符合ZigBee/802.15.4規(guī)范）的研究發(fā)現(xiàn)，微控制器(MCU)計(jì)算活動(dòng)具有如下特征：每次幀發(fā)送動(dòng)作前，會(huì)進(jìn)行一次原子計(jì)算（發(fā)送前預(yù)處理數(shù)據(jù)）；每次幀接收動(dòng)作后，會(huì)伴隨一次原子計(jì)算（接收后處理數(shù)據(jù)）；節(jié)點(diǎn)MCU向傳感器模塊串口（緩存）寫數(shù)據(jù)前，會(huì)進(jìn)行一次原子計(jì)算，節(jié)點(diǎn)MCU從傳感器模塊串口（緩存）讀數(shù)據(jù)后，會(huì)伴隨一次原子計(jì)算即一次完整通信收發(fā)(含接收、發(fā)送、串口讀和串口寫動(dòng)作各1次)時(shí)的MCU計(jì)算由4次原子計(jì)算組成2.6 2.6 節(jié)點(diǎn)能耗分析節(jié)點(diǎn)能耗分析（續(xù)）（續(xù)）設(shè)MCU計(jì)算能耗為Ecal，節(jié)點(diǎn)

23、初始化能耗為Eini-c，對(duì)傳感器模塊串口讀、寫動(dòng)作伴隨的計(jì)算能耗為Esen-c，通信發(fā)送、接收動(dòng)作伴隨的計(jì)算能耗為Ecom-c，則有Ecal=Eini-c+Esen-c+Ecom-c （7）一般， Eini-c遠(yuǎn)小于Esen-c和Ecom-c，則式（7）變?yōu)镋cal=Esen-c+Ecom-c （8）設(shè)原子計(jì)算的平均功率為Patom；原子計(jì)算的平均用時(shí)為tatom；當(dāng)前已發(fā)生的串口讀操作次數(shù)為Ns-rec(含讀失敗的情況)；當(dāng)前已發(fā)生的串口寫操作次數(shù)為Ns-sen(含寫失敗的情況)，則有：Esen-c=patomtatom （Ns-rec+ Ns-sen） （9） Ecom-c=patomt

24、atom （Nc-rec+ Nc-sen） （10） 令Ncal= Ns-rec+ Ns-sen+ Nc-rec+ Nc-sen,則MCU能耗為Ecal=patomtatom Ncal （11） 2.6 2.6 節(jié)點(diǎn)能耗分析節(jié)點(diǎn)能耗分析（續(xù)）（續(xù)）3.3.傳感器模塊采樣能耗模型傳感器模塊采樣能耗模型傳感器模塊一般進(jìn)行周期性采樣，設(shè)傳感器模塊采樣能耗為Esensor，采樣平均功率為psensor，平均采樣時(shí)間為tsensor，且Nsensor為采樣次數(shù)，則有Esensor=psensortsensor Nsensor （12） 設(shè)節(jié)點(diǎn)的工作周期內(nèi)，傳感器采樣結(jié)束后即向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，收發(fā)完

25、成后轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。且有：采樣周期=通信周期=睡眠周期再設(shè)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行時(shí)間為T，采樣周期為tcycle，則有：Nidle=Nsleep=Nsensor=T/tcycle （13） 于是，在運(yùn)行時(shí)間T內(nèi)的采樣能耗為：Esensor=psensortsensor T/tcycle （14） 2.6 2.6 節(jié)點(diǎn)能耗分析節(jié)點(diǎn)能耗分析（續(xù)）（續(xù)）4.4.面向應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)總能耗模型面向應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)總能耗模型設(shè)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前總能耗為Edepletion,則有Edepletion=Erf+Ecal+Esensor （15）將（6）（11）（13）（14）代入式（15），得Edepletion= （psentsen Nc

26、-sen + prec trec Nc-rec + pidle tidle T/tcycle+ psleep tsleep T/tcycle ）+ patomtatom Ncal + psensortsensor T/tcycle 其中， Nc-sen 、 Nc-rec 、 Ncal 值可通過在協(xié)議棧設(shè)置相應(yīng)計(jì)數(shù)器獲得，其它參數(shù)可通過廠家提供的電氣參數(shù)計(jì)算或?qū)崪y(cè)獲得。因此，各節(jié)點(diǎn)只需向Sink節(jié)點(diǎn)上傳3個(gè)計(jì)數(shù)器值即可進(jìn)行能耗計(jì)算。2.7 2.7 常用節(jié)點(diǎn)介紹常用節(jié)點(diǎn)介紹1.Mote1.Mote系列節(jié)點(diǎn)系列節(jié)點(diǎn)Mote系列節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的主流節(jié)點(diǎn)。該系列節(jié)點(diǎn)是由美國(guó)軍方資助，加州大學(xué)伯

27、克利分校研制的用于傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的演示平臺(tái)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)。Mote系列節(jié)點(diǎn)包括WeC、Renee、Mica、Mica2和Mica2dot。2.7 2.7 常用節(jié)點(diǎn)介紹常用節(jié)點(diǎn)介紹（續(xù)）（續(xù)）Mote系列節(jié)點(diǎn)采用的技術(shù)和性能指標(biāo)2.7 2.7 常用節(jié)點(diǎn)介紹常用節(jié)點(diǎn)介紹（續(xù)）（續(xù)）另外，Crossbow公司還有2款新產(chǎn)品：Micaz和Imote2。Micaz是符合ZigBee/802.15.4協(xié)議的Mote模塊，工作頻率為2.4GHz，處理器采用ATmegal128L芯片，通信模塊采樣CC2420。室外測(cè)量范圍：75m-100m；室內(nèi)測(cè)量范圍：20m-30m。Imote2 是一款先進(jìn)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)平臺(tái)

28、。它集成了低功耗的PXA271 XScale CPU和兼容IEEE 802.15.4/zigbee的射頻芯片。Imote2提供多種I/O，能夠靈活的支持不同種類的傳感器、A/Ds、射頻器。PXA271還包括1個(gè)幫助提高處理多媒體能力的無線 MMX協(xié)處理器。使用的是德州儀器公司的CC2420 IEEEE 802.15.4/zigbee射頻發(fā)射器。CC2420支持2.4GHz帶寬16通道250kb/s數(shù)據(jù)傳輸率。強(qiáng)大的cpu和高性能的射頻發(fā)射器，可以實(shí)現(xiàn)以視頻傳輸為代表的大處理量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 詳細(xì)請(qǐng)參閱：http:/2.7 2.7 常用節(jié)點(diǎn)介紹常用節(jié)點(diǎn)介紹（續(xù)）（續(xù)）2.Telos2.Telos節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)Telos節(jié)點(diǎn)是美國(guó)國(guó)防部DARPA支持NEST項(xiàng)目的一部分，在處理器