物聯(lián)網(wǎng)導論傳感器技術(shù)

1、內(nèi)容提要傳感器傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。本章將介紹無線傳感器的發(fā)展與應(yīng)用以及軟硬件平臺。第2章介紹了常見的自動識別方法和技術(shù)，重點介紹了RFID技術(shù)IC卡系統(tǒng)構(gòu)成，一維和二維條形碼RFID的概念和系統(tǒng)組成，標簽的存儲方式、分類以及常用頻率RFID標簽防沖突方法（基于ALOHA協(xié)議/基于二進制樹協(xié)議）本章重點介紹無線傳感器技術(shù)，涉及傳感器的基本概念和典型應(yīng)用，以及常用的硬件平臺和操作系統(tǒng)等內(nèi)容。內(nèi)容回顧3.1 傳感器概述傳感器概述3.2 傳感器技術(shù)發(fā)展史3.3 典型應(yīng)用3.4 設(shè)計需求3.5 硬件平臺3.6 操作系統(tǒng)究竟什么是傳感器？傳感器有

2、哪些部分組成呢？本章內(nèi)容3.1傳感器概述定義定義我國國家標準（GB7665-2005）對傳感器的定義是：“能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”。傳統(tǒng)傳感器的局限性傳統(tǒng)傳感器的局限性網(wǎng)絡(luò)化、智能化的程度十分有限，缺少有效的數(shù)據(jù)處理與信息共享能力現(xiàn)代傳感器現(xiàn)代傳感器特點：微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化典型代表：無線傳感節(jié)點無線傳感節(jié)點無線傳感節(jié)點的組成：無線傳感節(jié)點的組成：電池、傳感器、微處理器、無線通信芯片；相比于傳統(tǒng)傳感器，無線傳感節(jié)點不僅包括傳感器部件（左上圖），還集成了微型處理器和無線通信芯片等，能夠?qū)Ω兄畔⑦M行分析處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸。3.1 傳感器概述3.2 傳感器技術(shù)發(fā)展

3、史傳感器技術(shù)發(fā)展史3.3 典型應(yīng)用3.4 設(shè)計需求3.5 硬件平臺3.6 操作系統(tǒng)傳感器發(fā)展的兩條主線是什么？制約因素又有哪些？本章內(nèi)容3.2傳感器技術(shù)發(fā)展史：兩條主線加州伯克利分校SmartDust項目微型化傳感器節(jié)點對無線傳感器的研究始于20世紀90年代加州洛杉磯分校LWIN項目低功耗無線傳感節(jié)點1996年，LWIM團隊將多種傳感器、控制和通信芯片集成在一個設(shè)備上，開發(fā)了LWIM節(jié)點1998年，LWIM團隊和Rockwell科學中心合作開發(fā)了WINS節(jié)點1999年，該校發(fā)布了WeC節(jié)點 之后，該校又發(fā)布了一系列節(jié)點，包括Mica、Mica2、Mica2Dot，MicaZ 3.2傳感器技術(shù)發(fā)

4、展史：緩慢提升的性能時間硬件能力摩爾定律預(yù)測的曲線傳感器節(jié)點發(fā)展曲線2004計算機硬件的發(fā)展通常遵循摩爾定律摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數(shù)量，約每隔18個月增加一倍，性能也將提升一倍。 無線傳感器節(jié)點的發(fā)展并沒有像摩爾定律預(yù)測的速度發(fā)展！制約傳感器性能提升的因素？功耗功耗的制約的制約：無線傳感節(jié)點一般被部署在野外，不能通過有線供電。其硬件設(shè)計必須以節(jié)能節(jié)能為重要設(shè)計目標。 價格價格的制約的制約：無線傳感節(jié)點一般需要大量組網(wǎng)，以完成特定的功能。其硬件設(shè)計必須以廉價廉價為重要設(shè)計目標。 體積體積的制約的制約：無線傳感節(jié)點一般需要容易攜帶，易于部署。其硬件設(shè)計必須以微型化微型化為重要設(shè)計目標。

5、 3.1 傳感器概述3.2 傳感器技術(shù)發(fā)展史3.3 典型應(yīng)用典型應(yīng)用3.4 設(shè)計需求3.5 硬件平臺3.6 操作系統(tǒng)雖然傳感器性能有限，但仍然得到廣泛應(yīng)用。本章內(nèi)容軍事監(jiān)測中的傳感器：VigilNetVigilNet是由美國弗吉尼亞大學研制的用于軍事監(jiān)測的無線傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)由XSM，Mica2和Mica2Dot節(jié)點構(gòu)成，其規(guī)模最大達200個節(jié)點；節(jié)點通過電池供電，鋪設(shè)在道路旁邊，用于檢測與收集移動目標的情況。應(yīng)用特點應(yīng)用特點節(jié)點自主成網(wǎng)、多跳傳輸 節(jié)點通過電池供電，通過軟件節(jié)能機制延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期 節(jié)點智能感知、協(xié)同工作，向上提供預(yù)警的功能 智能樓宇中的傳感器： LoCal每年美國用電報告

6、顯示至少有30%的電量是浪費的。這些電能浪費在何處？其中哪些是可以節(jié)省的？由美國加州大學伯克利分校大學發(fā)起的LoCal項目試圖通過在智能樓宇中部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來解決這些問題。應(yīng)用特點應(yīng)用特點傳感器能實現(xiàn)空間和時間上的細粒度感知，可實時跟蹤到單個電器 傳感器能實現(xiàn)“多功能”的感知，能推測用戶的行為 傳感器能夠互聯(lián)互通，通過大量連續(xù)的數(shù)據(jù)則有助于分析得出更多有用的信息 醫(yī)療監(jiān)控中的傳感器： Mercury傳感器的另一個重要應(yīng)用是醫(yī)療監(jiān)控 ，哈佛大學研究組改進了傳統(tǒng)傳感器，使得其外形更小，適合穿戴在身上應(yīng)用特點應(yīng)用特點傳感器的設(shè)計十分人性化 傳感器具有高精度的感知能力，醫(yī)用的數(shù)據(jù)需要較高的采樣精度

7、供醫(yī)生分析診斷傳感器能連續(xù)長期地采集數(shù)據(jù)傳感器使用無線通信方式，其數(shù)據(jù)傳輸是機會性的 3.1 傳感器概述3.2 傳感器技術(shù)發(fā)展史3.3 典型應(yīng)用3.4 設(shè)計需求設(shè)計需求3.5 硬件平臺3.6 操作系統(tǒng)不同的應(yīng)用場景對傳感器軟硬件提出獨特的設(shè)計需求本章內(nèi)容大規(guī)模長時間部署傳感器的設(shè)計需求低成本與微型化低成本與微型化低成本的節(jié)點才能被大規(guī)模部署，微型化的節(jié)點才能使部署更加容易 節(jié)點的軟件設(shè)計也需要滿足微型化的需求 。例如TelosB節(jié)點的內(nèi)存大小只有4KB，程序存儲的空間只有10KB。因此，節(jié)點程序的設(shè)計必須節(jié)約計算資源，避免超出節(jié)點的硬件能力 大規(guī)模長時間部署傳感器的設(shè)計需求低功耗低功耗在硬件設(shè)

8、計上采用低功耗芯片例如TelosB節(jié)點使用的微處理器，在正常工作狀態(tài)下功率為3mW，而一般的計算機的功率為200到300W 軟件節(jié)能策略來實現(xiàn)節(jié)能 軟件節(jié)能策略的核心就是盡量使節(jié)點在不需要工作的時候進入低功耗模式，僅在需要工作的時候進入正常狀態(tài) 大規(guī)模長時間部署傳感器的設(shè)計需求靈活性與擴展性靈活性與擴展性傳感器節(jié)點被用于各種不同的應(yīng)用中，因此節(jié)點硬件和軟件的設(shè)計必須具有靈活性和擴展性 節(jié)點的硬件設(shè)計需滿足一定的標準接口，例如節(jié)點和傳感板的接口統(tǒng)一有利于給節(jié)點安裝上不同功能的傳感器 軟件的設(shè)計必須是可剪裁的，能夠根據(jù)不同應(yīng)用的需求，安裝不同功能的軟件模塊 大規(guī)模長時間部署傳感器的設(shè)計需求魯棒性魯

9、棒性魯棒性是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)長時間部署的重要保障 對于普通的計算機，一旦系統(tǒng)崩潰了，人們可以采用重啟的方法恢復系統(tǒng)，而傳感器節(jié)點則不行 ，就整個網(wǎng)絡(luò)而言，可以適當增加冗余性，增加整體系統(tǒng)的魯棒性 3.1 傳感器概述3.2 傳感器技術(shù)發(fā)展史3.3 典型應(yīng)用3.4 設(shè)計需求3.5 硬件平臺硬件平臺3.6 操作系統(tǒng)結(jié)合設(shè)計需求可得出傳感器節(jié)點硬件平臺的基本特征本章內(nèi)容3.5 硬件平臺設(shè)計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性無線傳感器組成傳感器微處理器無線通信芯片電池供能裝置供能裝置采用電池供電，使得節(jié)點容易部署。但由于電壓、環(huán)境等變化，電池容量并不能被完全利用?？稍偕芰浚缣柲?。可再生

10、能源存儲能量有兩種方式：充電電池，自放電較少，電能利用會比較高，但充電的效率較低，且充電次數(shù)有限； 超電容，充電效率高，充電次數(shù)可達100萬次，且不易受溫度，振動等因素的影響。 3.5 硬件平臺設(shè)計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性無線傳感器組成傳感器微處理器無線通信芯片電池傳感器傳感器有許多傳感器可供節(jié)點平臺使用，使用哪種傳感器往往由具體的應(yīng)用需求以及傳感器本身的特點決定需要根據(jù)處理器與傳感器的交互方式：通過模擬信號和通過數(shù)字信號，選擇是否需要外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器和額外的校準技術(shù)。常用傳感器及其關(guān)鍵特性設(shè)計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性無線傳感器組成傳感器微處理器無

11、線通信芯片電池3.5 硬件平臺設(shè)計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性無線傳感器組成傳感器微處理器無線通信芯片電池微處理器微處理器微處理器是無線傳感節(jié)點中負責計算的核心 ，目前的微處理器芯片同時也集成了內(nèi)存、閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)化器、數(shù)字IO等 ，這種深度集成的特征使得它們非常適合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用。影響節(jié)點工作整體性能的微處理器關(guān)鍵性能包括功耗特性，喚醒時間（在睡眠/工作狀態(tài)間快速切換），供電電壓（長時間工作），運算速度和內(nèi)存大小常用微處理器及其關(guān)鍵特性設(shè)計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性無線傳感器組成傳感器微處理器無線通信芯片電池3.5 硬件平臺設(shè)計需求回顧低成本與

12、微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性無線傳感器組成傳感器微處理器無線通信芯片電池通信芯片（通信芯片（1）通信芯片是無線傳感節(jié)點中重要的組成部分 ，在一個無線傳感節(jié)點的能量消耗中，通信芯片通常消耗能量最多 ，在目前常用的TelosB節(jié)點上，CPU在工作狀態(tài)電流僅500uA，而通信芯片在工作狀態(tài)電流近20mA。 通信芯片具有四種運行狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑、休眠。3.5 硬件平臺設(shè)計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性無線傳感器組成傳感器微處理器無線通信芯片電池通信芯片（通信芯片（2） 通信芯片由兩大部分組成 射頻前端：包括天線接口、低噪聲放大器、功率放大器（PA），主要完成模擬信號的處理。

13、 基帶處理器：主要完成數(shù)字信號的處理及RF與其他電路的接口。 低功耗通信芯片在發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)時消耗的能量差別不大 ，這意味著只要通信芯片開著，都在消耗差不多的能量3.5 硬件平臺設(shè)計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性無線傳感器組成傳感器微處理器無線通信芯片電池通信芯片（通信芯片（3）通信芯片的傳輸距離是選擇傳感節(jié)點的重要指標。發(fā)射功率越大，接受靈敏度越高，信號傳輸距離越遠。常用通信芯片：CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz；采用串口通信模式時速率只能達到19.2Kbps CC2420：工作頻率2.4GHz，是一款完全符合IEEE 802.15.4協(xié)議

14、規(guī)范的芯片 ；傳輸率250Kbps常用通信芯片及其關(guān)鍵特性設(shè)計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性無線傳感器組成傳感器微處理器無線通信芯片電池 CC2530 TI公司生產(chǎn)的集成8051核心和IEEE 802.15.4 RF模塊的Soc。 工作在2.4GHz頻段，發(fā)射功率可調(diào)。 8KB RAM，32/64/128/256KB FLASH。 6mm*6mm封裝，體積小 RX：24mA；TX：29mA 自帶8通道12位AD轉(zhuǎn)換器，溫度傳感器和電量檢測器 2路UART/SPI，Watchdog，AES加密，DMA等 CC2530的節(jié)能模式 Active and Idle Mode: 正常工

15、作模式。 Power Mode 1 : 當需要休眠的時間小于3ms時，采用PM1休眠模式。當需要喚醒芯片時，只需要4us的時間。 Power Mode 2 : 當需要休眠的事件大于3ms時，可利用Sleep Timer指定休眠時間，時間到自動喚醒。PM2模式下芯片功耗將帶到1 uA。 Power Mode 3 : 該模式下芯片進入深度休眠，只能通過外部中斷來喚醒，芯片功耗降低到0.4 uA 。 PM1到PM3功耗依次降低，可根據(jù)實際需要進行選擇。 CC2530的射頻單元 Tx FIFO：128字節(jié)；Rx FIFO：128字節(jié)。 支持自動發(fā)送確認幀，支持在發(fā)送時自動添加CRC校驗碼。 支持硬件C

16、SMA/CA機制。 支持幀地址過濾和匹配機制。 支持CCA信道檢測，支持信號強度RSSI報告。 支持信道自由設(shè)定，2.4GHz可選16個頻點。 支持無線信道狀態(tài)自動測試功能。3.1 傳感器概述3.2 傳感器技術(shù)發(fā)展史3.3 典型應(yīng)用3.4 設(shè)計需求3.5 硬件平臺3.6 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是傳感器節(jié)點軟件系統(tǒng)的核心本章內(nèi)容 為什么要引入操作系統(tǒng)？（1）傳統(tǒng)的前/后臺方式不復雜的小系統(tǒng)常采用前/后臺方式進行程序操作，整個程序為一個大循環(huán)體。 其中前臺為中斷級，時間相關(guān)性很強的關(guān)鍵操作放在前臺執(zhí)行。后臺為任務(wù)級，用于處理前臺產(chǎn)生的各種信息。功能1功能2功能4功能3功能5功能6ISR1ISR2

17、后臺程序前臺程序 前后臺系統(tǒng)后臺程序：系統(tǒng)后臺程序按順序執(zhí)行各種動作，通常用于處理前臺產(chǎn)生的各種信息。前臺程序：前臺為中斷服務(wù)程序，用于響應(yīng)外部事件，并產(chǎn)生一些信息提供給后臺處理。 為什么要引入操作系統(tǒng)？（2）優(yōu)點邏輯關(guān)系簡單：系統(tǒng)中所有的功能程序都是串行進行的，軟件開發(fā)人員上手很快。缺點實時性差：所有工作都是串行進行的，循環(huán)周期不易確定；系統(tǒng)健壯性不強：因為所有程序都是串行執(zhí)行的，一個工作出現(xiàn)問題，將直接影響后續(xù)程序；不適合復雜系統(tǒng)：當系統(tǒng)功能比較復雜時，不易實現(xiàn)復雜的邏輯關(guān)系；不適合系統(tǒng)維護：一旦系統(tǒng)調(diào)試結(jié)束，產(chǎn)品定型后，如果要進行軟件升級將”牽一發(fā)而動全身“，不能方便的添加新功能。 前后

18、臺系統(tǒng)的優(yōu)缺點 多任務(wù)操作系統(tǒng)的引入 多任務(wù)運行的實現(xiàn)實際上是靠CPU在許多任務(wù)之間轉(zhuǎn)換和調(diào)度。CPU只有一個，輪番服務(wù)于一系列任務(wù)中的某一個。多任務(wù)運行使CPU的利用率達到最高，并使應(yīng)用程序模塊化。 最大特點是，。 多任務(wù)操作系統(tǒng)的工作原理（1）任務(wù)1任務(wù)2.空閑任務(wù)操作系統(tǒng)調(diào)度程序CPU資源信號量郵箱內(nèi)存管理數(shù)據(jù)隊列時間管理產(chǎn)生系統(tǒng)運作所必需的節(jié)拍調(diào)度程序?qū)λ腥蝿?wù)進行運行控制l操作系統(tǒng)可以同時支持多個任務(wù)的運行，例如ucOS可以同時運行64個 任務(wù)；l操作系統(tǒng)的；實際就是把當前任務(wù)所占用的CPU資源用其它任務(wù)來替換；lCPU資源包括寄存器和其它一些全局變量；l調(diào)度程序由；l每個任務(wù)都有確

19、定的狀態(tài)，而同時只能是一個任務(wù)占有CPU。 多任務(wù)操作系統(tǒng)的工作原理（2） 任務(wù)的運行狀態(tài)睡眠狀態(tài)就緒狀態(tài)運行狀態(tài)等待狀態(tài)ISR被刪除的任務(wù)退出中斷調(diào)度程序啟動就緒的最高優(yōu)先級任務(wù)被更高優(yōu)先級的任務(wù)搶奪運行權(quán)剛創(chuàng)建的任務(wù)等待某個事件事件發(fā)生或超時進入中斷 操作系統(tǒng)的主要功能 處理器管理（進程管理或任務(wù)管理）處理器管理（進程管理或任務(wù)管理） 存儲管理存儲管理 設(shè)備管理設(shè)備管理 文件管理文件管理 網(wǎng)絡(luò)管理網(wǎng)絡(luò)管理 最核心的是“處理器管理”，有了處理器管理才能稱為“操作系統(tǒng)”。 運行在傳感器節(jié)點上的操作系統(tǒng)一般均已任務(wù)管理為主體功能，在此基礎(chǔ)上根據(jù)需要可以添加或裁減其他功能。 主流的操作系統(tǒng) PC操

20、作系統(tǒng)操作系統(tǒng)WindowsLinuxMAC OS 嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)VxworksEmbedded LinuxWindows CE/MobileUcos-II ecos QNX 傳感器操作系統(tǒng)傳感器操作系統(tǒng)TinyOSContiki手機操作系統(tǒng)占有率節(jié)點操作系統(tǒng)VS其他操作系統(tǒng)節(jié)點操作系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的主要特點是：其硬件平臺資源極其有限 由圖可得，節(jié)點操作系統(tǒng)是極其微型化的。節(jié)點操作系統(tǒng)發(fā)展史節(jié)點操作系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的主要特點是：其硬件平臺資源極其有限 節(jié)點操作系統(tǒng)功能：硬件驅(qū)動資源管理任務(wù)調(diào)度編程借口TinyOSTinyOS由加州伯克利分校開發(fā),是目前無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究

21、領(lǐng)域使用最為廣泛的OS之一 。TinyOS開發(fā)語言：nesCnesC語言是專門為資源極其受限、硬件平臺多樣化的傳感節(jié)點設(shè)計的開發(fā)語言 使用nesC編寫的應(yīng)用程序是基于組件的 組件之間的交互必須通過使用接口 用nesC編寫的應(yīng)用程序一般有一個最頂層的配置文件 TinyOS代碼舉例/ BlinkC.ncmodule BlinkC uses interface Timer as Timer; uses interface Leds; uses interface Boot; implementation event void Boot.booted() call Timer.startPeriodi

22、c( 250 ); event void Timer.fired() call Leds.led0On(); 左側(cè)代碼中：BlinkC就表示一個組件，它使用了三個接口：Timer，Leds，Boot。在其實現(xiàn)部分，它可以調(diào)用這些接口提供的服務(wù)，如Timer.startPeriodic啟動一個以250ms周期觸發(fā)的時鐘，而Leds.led0Toggle使節(jié)點上第一個燈亮起。在上面的代碼中，注意的是，event關(guān)鍵字表示BlinkC組件處理的系統(tǒng)事件。TinyOS代碼舉例左側(cè)代碼顯示了一個典型的nesC配置文件。它必須指定當前程序使用了哪些組件。例如該程序使用了MainC，BlinkC（即代碼1顯

23、示的組件），LedsC和TimerC組件。BlinkC組件中使用的接口到底是由哪個組件提供的，例如，BlinkC組件使用的Boot接口由MainC組件提供；BlinkC組件使用的Timer接口由TimerC組件提供；BlinkC組件使用的Leds接口由LedsC組件提供。/ BlinkCApp.ncconfiguration BlinkAppC implementation components MainC, BlinkC, LedsC; components new TimerMilliC() as TimerC; BlinkC - MainC.Boot; BlinkC.Timer - TimerC; BlinkC.Leds - LedsC;節(jié)點操作系統(tǒng)功能：硬件驅(qū)動資源管理任務(wù)調(diào)度編程借口TinyOS任務(wù)調(diào)度TinyOS核心使用了基于事件驅(qū)動基于事件驅(qū)動的單線程任務(wù)調(diào)度機制，這和傳統(tǒng)OS的多線程調(diào)度機制截然不同 任何一個時刻