無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡明教程(第2版)-第5章

戰(zhàn)場感知的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

常見的地面戰(zhàn)場微型傳感器

美軍沙地直線傳感器網(wǎng)絡(luò)項目介紹第7章傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的軍事應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡明教程

（第2版）崔遜學(xué)左從菊編著第五章傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)本章內(nèi)容5.1

仿真平臺和工程測試床5.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真技術(shù)概述5.1.2常用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺5.1.3仿真平臺的選擇和設(shè)計5.1.4傳感器網(wǎng)絡(luò)工程測試床5.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的硬件開發(fā)5.2.1硬件開發(fā)概述5.2.2傳感器結(jié)點的模塊化設(shè)計5.2.3傳感器結(jié)點的開發(fā)示例本章內(nèi)容5.3操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)5.3.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)點操作系統(tǒng)5.3.2軟件開發(fā)5.3.3后臺管理軟件5.1仿真平臺和工作測試床1、網(wǎng)絡(luò)研究與設(shè)計的三種方法1對所研究對象和所依存的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行分析，抽象出數(shù)學(xué)分析模型。2主要內(nèi)容是建立測試床和實驗室。3應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模擬軟件來仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行效果。分析方法實驗方法模擬方法5.1.1

戰(zhàn)場器網(wǎng)絡(luò)的仿真技術(shù)概述1全新的模擬實驗機(jī)理，在高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境得到高可信度結(jié)果的特點。2使用范圍廣，既可以用于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和擴(kuò)容，也可以用于新網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。3初期應(yīng)用成本不高，而且建好的網(wǎng)絡(luò)模型可以延續(xù)使用，后期投資還會不斷下降。可信度高使用范圍廣成本低2、網(wǎng)絡(luò)仿真的應(yīng)用意義5.1.1

戰(zhàn)場器網(wǎng)絡(luò)的仿真技術(shù)概述網(wǎng)絡(luò)仿真的軟件體系結(jié)構(gòu)5.1.1

戰(zhàn)場器網(wǎng)絡(luò)的仿真技術(shù)概述仿真特點綜合性分布性動態(tài)性5.1.1

戰(zhàn)場器網(wǎng)絡(luò)的仿真技術(shù)概述1、TOSSIMTinyOS是為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點而設(shè)計一個操作系統(tǒng)。它能夠快速實現(xiàn)各種應(yīng)用。TOSSIM是TinyOS自帶的仿真工具，提供運(yùn)行時的調(diào)試和配置功能。5.1.2

常用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺2、OMNeT++OMNeT++被稱作離散事件模擬系統(tǒng)(DiscreteEventSimulationSystem，DESS)。它是一種面向?qū)ο蟮碾x散事件建模仿真器。這種仿真軟件工具采用了特別定義的NED語言來完成。5.1.2

常用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺3、MatlabMatlab是指矩陣實驗室（MatrixLaboratory）。它具備卓越的數(shù)值計算能力，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。5.1.2

常用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺4、OPNETOPNET是MIL3公司開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件產(chǎn)品。這是一種優(yōu)秀的圖形化、支持面向?qū)ο蠼５拇笮途W(wǎng)絡(luò)仿真軟件。OPNET的產(chǎn)品主要針對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商和一般企業(yè)三類客戶。

5.1.2

常用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺OPNETWDMGuruServiceProviderGuru

OPNETModeler

ITGuru?為技術(shù)人員提供一個網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)平臺。面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商的智能化網(wǎng)絡(luò)管理軟件。幫助網(wǎng)絡(luò)專業(yè)人士預(yù)測和分析網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的性能、診斷問題。用于波分復(fù)用光纖網(wǎng)絡(luò)的分析、評測它的四個系列產(chǎn)品核心包括：1、仿真平臺的選擇仿真平臺種類多、功能各異，設(shè)計方法也不一樣.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。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。5.1.3

仿真平臺的選擇和設(shè)計2、仿真平臺的自主設(shè)計開發(fā)者構(gòu)建一個自己的傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真工具：如果開發(fā)時間有限且只有一些特性在現(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)。如果有足夠的開發(fā)時間，那么從頭開始創(chuàng)建一個仿真工具是最有效的。5.1.3

仿真平臺的選擇和設(shè)計Motelab是哈佛大學(xué)開發(fā)的一個開放的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗環(huán)境，是基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試床。它包括一組長期部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以及一個中心服務(wù)器。5.1.3

仿真平臺的選擇和設(shè)計SensoNet是美國亞特蘭大市喬治亞州技術(shù)學(xué)院電子與計算機(jī)工程學(xué)校寬帶＆無線網(wǎng)絡(luò)實驗室研制的傳感器網(wǎng)絡(luò)試驗床。SensoNet試驗床是由三部分組成：核心網(wǎng)、核心接入網(wǎng)和傳感器現(xiàn)場。5.1.3

仿真平臺的選擇和設(shè)計

SensoNet工程測試床的場景和部分實物5.1.3

仿真平臺的選擇和設(shè)計5.2

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件開發(fā)1、硬件系統(tǒng)的設(shè)計特點和要求微型化擴(kuò)展性和靈活性穩(wěn)定性和安全性低成本低功耗硬件節(jié)點5.2.1硬件開發(fā)概述

2、硬件系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容傳感器節(jié)點主要由數(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模塊組成。換能器模塊包括各種傳感器和執(zhí)行器，用于感知數(shù)據(jù)和執(zhí)行各種控制動作。5.2.1硬件開發(fā)概述

1、數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計要考慮的五個方面的問題：節(jié)能設(shè)計處理速度的選擇低成本小體積安全性硬件節(jié)點5.2.2傳感器節(jié)點的模塊化設(shè)計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/μAAtmelMega10341285.51Mega1284128820Mega165/325/6454642.52MicrochipPIC87x0.36821Intel80518位Classic0.532305805116位1164510Philips5116位260153MotorolaHC050.5326.690HC082328100HCS084606.51TIMSP14x16位2601.51MSP16x16位104821AtmelAT91ARMThumb256102438160IntelXScalePXA27X256N/A39574SamsungS44B08N/A6055.2.2傳感器節(jié)點的模塊化設(shè)計2、換能器模塊所謂換能器(transducer)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。大部分傳感器的輸出是模擬信號，因此必須進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中配置模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(ADC和DAC)，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(zhuǎn)換器的時候。5.2.2傳感器節(jié)點的模塊化設(shè)計3、無線通信模塊無線通信模塊由無線射頻電路和天線組成。目前采用的傳輸介質(zhì)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)點的設(shè)計重點。

5.2.2傳感器節(jié)點的模塊化設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)的常用無線通信技術(shù)無線技術(shù)頻率距離/m功耗傳輸速率/kbpsBluetooth2.4GHz10低10000802.11b2.4GHz100高11000RFID50kHz~5.8GHz<5~200ZigBee2.4GHz10~75低250IrDAInfrared1低16000UWB3.1~10.6GHz10低100000RF300~1000MHz10X~100X低10XX表示數(shù)字1~95.2.2傳感器節(jié)點的模塊化設(shè)計常用短距離無線芯片的主要參數(shù)芯片/參數(shù)頻段/MHZ速率/kbps電流/mA靈敏度/dBm功率/dBm調(diào)制方式TR10009161153-1061.5OOK/FSKCC1000300~100076.85.3-11020~10FSKCC1020402~904153.619.9-11820~10GFSKCC2420240025019.7-94-3O~QPSKnRF905433~91510012.5-10010GFSKnRF24012400100015-8520~0GFSK9Xstream902~92820140-11016~20FHSS5.2.2傳感器節(jié)點的模塊化設(shè)計在無線射頻電路設(shè)計中，主要考慮以下三個問題：天線增益是指天線在能量發(fā)射最大方向上的增益，天線的增益越高，通信距離就越遠(yuǎn)。天線設(shè)計1天線效率是指天線以電磁波的形式發(fā)射到空中的能量與自身消耗能量的比值，信號能量損耗越大。5.2.2傳感器節(jié)點的模塊化設(shè)計射頻放大輸出部分與天線之間的阻抗匹配情況，直接關(guān)系到功率的利用效率。由于傳感器節(jié)點使用較高的工作頻率，因而必須考慮導(dǎo)線、PCB走線、器件的分布參數(shù)等可能造成失配的因素。阻抗匹配25.2.2傳感器節(jié)點的模塊化設(shè)計電磁兼容問題容易導(dǎo)致微處理器和無線接收器出現(xiàn)不正常的工作狀況。因為微處理器有很多外部引腳，各引腳上的引線通常連接到節(jié)點內(nèi)部的各個部位，受到干擾影響的可能性很大。無線接收器本身就是用于接收電磁信號的，因此如果信號或強(qiáng)信號的高次諧波分量落在接收電路的通帶范圍內(nèi)，就可能造成誤碼和阻塞等問題。電磁兼容35.2.2傳感器節(jié)點的模塊化設(shè)計電池供電是目前最常見的傳感器節(jié)點供電方式。按照電池能否充電，電池可分為可充電電池和不可充電電池；根據(jù)電極材料，電池可以分為鎳鉻電池、鎳鋅電池、銀鋅電池、鋰電池和鋰聚合物電池等。

電源模塊設(shè)計45.2.2傳感器節(jié)點的模塊化設(shè)計常見電池的性能參數(shù)電池類型鉛酸鎳鎘鎳氫鋰離子鋰聚合物鋰錳銀鉛重量能量比/(W·h·kg

)354150~80120~160140~180330體積能量比/(W·h·L)80120100~200200~280>3205501150循環(huán)壽命/次3005008001000100011工作溫度/℃-20~6020~6020~600~600~60-20~6020~60記憶效應(yīng)無有小很小無無無內(nèi)阻/mΩ30~807~1918~3580~10080~100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)3030158820255.2.2傳感器節(jié)點的模塊化設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的外圍模塊主要包括看門狗電路、I/O電路和低電量檢測電路等。由于電池壽命有限，當(dāng)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。外圍模塊設(shè)計55.2.2傳感器節(jié)點的模塊化設(shè)計1、Mica系列節(jié)點Mica系列節(jié)點是由U.C.Berkeley大學(xué)研制，Crossbow公司生產(chǎn)的無線傳感器節(jié)點。5.2.3傳感器節(jié)點的開發(fā)實例MICAz系列MPR2400的實物5.2.3傳感器節(jié)點的開發(fā)實例多傳感器模塊MTS300/310MTS510實物串行網(wǎng)關(guān)MIB510Stargate網(wǎng)關(guān)SPB400Mica系列產(chǎn)品的處理器均采用Atmel公司的ATmegal28L：Mica節(jié)點的無線通信射頻芯片均采用Chipcon公司的CCXXXX系列射頻產(chǎn)品。Mica系列傳感器板5.2.3傳感器節(jié)點的開發(fā)實例5.3

操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)嵌入式系統(tǒng)是指用于執(zhí)行獨(dú)立功能的專用計算機(jī)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的操作系統(tǒng)是運(yùn)行在每個傳感器節(jié)點上的基礎(chǔ)核心軟件。1、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點操作系統(tǒng)的設(shè)計要求5.3.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點操作系統(tǒng)通常設(shè)計操作系統(tǒng)時需要滿足如下要求：①代碼量小，復(fù)雜度低，盡可能降低系統(tǒng)的能耗。②能夠適應(yīng)變化的應(yīng)用環(huán)境。③能快速響應(yīng)。④能快速切換并執(zhí)行多個并發(fā)任務(wù)。⑤能夠使多個節(jié)點高效地協(xié)作完成監(jiān)測任務(wù)。⑥提供方便的編程方法。⑦能實現(xiàn)對節(jié)點在線動態(tài)重新編程。5.3.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點操作系統(tǒng)2、TinyOS操作系統(tǒng)介紹5.3.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點操作系統(tǒng)①采用基于組件的體系結(jié)構(gòu)。②采用事件驅(qū)動機(jī)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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。③采用輕量級線程技術(shù)和先進(jìn)先出的任務(wù)隊列調(diào)度方法。④采用基于事件驅(qū)動模式的主動消息通信方式。1、傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)的特點和要求通常傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件運(yùn)行采用分層結(jié)構(gòu)5.3.2軟件開發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)因資源受限、動態(tài)性強(qiáng)和以數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計具有如下特點：①具有自適應(yīng)功能。②保證節(jié)點的能量優(yōu)化。③采用模塊化設(shè)計。④面向具體應(yīng)用。⑤具有維護(hù)和升級功能。5.3.2軟件開發(fā)節(jié)點應(yīng)用框架的組件網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架的組件5.3.2軟件開發(fā)3、傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件編程模式傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件開發(fā)需要采取一定的編程模式，運(yùn)用適當(dāng)?shù)木幊炭蚣軄碇笇?dǎo)具體的程序設(shè)計。通用軟件的編程模式并不完全適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件開發(fā)，為此需要考慮設(shè)計適合于傳感器網(wǎng)絡(luò)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.（1）抽象域編程（2）以對象為中心的編程（3）以狀態(tài)為中心的編程模式5.3.2軟件開發(fā)后臺管理軟件通常由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理引擎、圖形用戶界面和后臺組件四個部分組成。5.3.3后臺管理軟件

數(shù)據(jù)庫用于存儲所有數(shù)據(jù)，主要涉及網(wǎng)絡(luò)管理信息和傳感器探測數(shù)據(jù)信息兩種，包括傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置信息、節(jié)點屬性、探測數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的一些信息等。

數(shù)據(jù)處理引擎負(fù)責(zé)傳輸網(wǎng)絡(luò)和后臺管理軟件之間的數(shù)據(jù)交換、分析和處理，將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫。另外它還負(fù)責(zé)從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)