第3章_傳感器技術(shù)v11

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(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。本章將介紹傳感器的發(fā)展與應(yīng)用以及軟硬件平臺(tái)。第2章介紹了常見的自動(dòng)識(shí)別方法和技術(shù)，重點(diǎn)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(biāo)簽的存儲(chǔ)方式、分類以及常用頻率RFID標(biāo)簽防沖突方法（基于ALOHA協(xié)議/基于二進(jìn)制樹協(xié)議）本章重點(diǎn)介紹傳感器技術(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(tái)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(jì)需求3.5 硬件平臺(tái)3.6 操作系統(tǒng)究竟什么是傳感器？傳感器有哪些部分

2、組成呢？本章內(nèi)容3.1傳感器概述定義定義我國國家標(biāo)準(zhǔn)（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(hào)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(diǎn)：微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化典型代表：無線傳感節(jié)點(diǎn)無線傳感節(jié)點(diǎn)無線傳感節(jié)點(diǎn)的組成：無線傳感節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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)展史傳感器

3、技術(shù)發(fā)展史3.3 典型應(yīng)用3.4 設(shè)計(jì)需求3.5 硬件平臺(tái)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：兩條主線加州伯克萊分校SmartDust項(xiàng)目微型化傳感器節(jié)點(diǎn)對無線傳感器的研究始于20世紀(jì)90年代加州洛杉磯分校LWIN項(xiàng)目低功耗無線傳感節(jié)點(diǎn)1996年，LWIM團(tuán)隊(duì)將多種傳感器、控制和通信芯片集成在一個(gè)設(shè)備上，開發(fā)了LWIM節(jié)點(diǎn)1998年，LWIM團(tuán)隊(duì)和Rockwell科學(xué)中心合作開發(fā)了WINS節(jié)點(diǎn)1999年，該校發(fā)布了WeC節(jié)點(diǎn) 之后，該校又發(fā)布了一系列節(jié)點(diǎn)，包括Mica、Mica2、Mica2Dot，MicaZ 3.2傳感器技術(shù)發(fā)展史：緩

4、慢提升的性能時(shí)間硬件能力摩爾定律預(yù)測的曲線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)展曲線2004計(jì)算機(jī)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(gè)月增加一倍，性能也將提升一倍。 無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)一般被部署在野外，不能通過有線供電。其硬件設(shè)計(jì)必須以節(jié)能節(jié)能為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。 價(jià)格價(jià)格的制約的制約：無線傳感節(jié)點(diǎn)一般需要大量組網(wǎng)，以完成特定的功能。其硬件設(shè)計(jì)必須以廉價(jià)廉價(jià)為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。 體積體積的制約的制約：無線傳感節(jié)點(diǎn)一般需要容易攜帶，易于部署。其硬件設(shè)計(jì)必須以微型化微型化為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。 3.1

5、 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(jì)需求3.5 硬件平臺(tái)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(xué)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(diǎn)構(gòu)成，其規(guī)模最大達(dá)200個(gè)節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)通過電池供電，鋪設(shè)在道路旁邊，用于檢測與收集移動(dòng)目標(biāo)的情況。應(yīng)用特點(diǎn)應(yīng)用特點(diǎn)節(jié)點(diǎn)自主成網(wǎng)、多跳傳輸 節(jié)點(diǎn)通過電池供電，通過軟件節(jié)能機(jī)制延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期 節(jié)點(diǎn)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(bào)告顯示至少

6、有30%的電量是浪費(fèi)的。這些電能浪費(fèi)在何處？其中哪些是可以節(jié)省的？由美國加州大學(xué)伯克利分校大學(xué)發(fā)起的LoCal項(xiàng)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(diǎn)應(yīng)用特點(diǎn)傳感器能實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間上的細(xì)粒度感知，可實(shí)時(shí)跟蹤到單個(gè)電器 傳感器能實(shí)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(gè)重要應(yīng)用是醫(yī)療監(jiān)控 ，哈佛大學(xué)研究組改進(jìn)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(diǎn)應(yīng)用特點(diǎn)傳感器的設(shè)計(jì)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供醫(yī)生分

7、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(jī)會(huì)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(jì)需求設(shè)計(jì)需求3.5 硬件平臺(tái)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(dú)特的設(shè)計(jì)需求本章內(nèi)容大規(guī)模長時(shí)間部署傳感器的設(shè)計(jì)需求低成本與微型化低成本與微型化低成本的節(jié)點(diǎn)才能被大規(guī)模部署，微型化的節(jié)點(diǎn)才能使部署更加容易 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)也需要滿足微型化的需求 。例如TelosB節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存大小只有4KB，程序存儲(chǔ)的空間只有10KB。因此，節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)必須節(jié)約計(jì)算資源，避免超出節(jié)點(diǎn)的硬件能力 大規(guī)模長時(shí)間部署傳感器的設(shè)計(jì)需求低功耗低功耗在硬件設(shè)計(jì)上采用

8、低功耗芯片例如TelosB節(jié)點(diǎn)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(jì)算機(jī)的功率為200到300W 軟件節(jié)能策略來實(shí)現(xiàn)節(jié)能 軟件節(jié)能策略的核心就是盡量使節(jié)點(diǎn)在不需要工作的時(shí)候進(jìn)入低功耗模式，僅在需要工作的時(shí)候進(jìn)入正常狀態(tài) 大規(guī)模長時(shí)間部署傳感器的設(shè)計(jì)需求靈活性與擴(kuò)展性靈活性與擴(kuò)展性傳感器節(jié)點(diǎn)被用于各種不同的應(yīng)用中，因此節(jié)點(diǎn)硬件和軟件的設(shè)計(jì)必須具有靈活性和擴(kuò)展性 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)需滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)接口，例如節(jié)點(diǎn)和傳感板的接口統(tǒng)一有利于給節(jié)點(diǎn)安裝上不同功能的傳感器 軟件的設(shè)計(jì)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(shí)間部署傳感器的設(shè)計(jì)需求魯棒性魯棒性魯棒

9、性是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)長時(shí)間部署的重要保障 對于普通的計(jì)算機(jī)，一旦系統(tǒng)崩潰了，人們可以采用重啟的方法恢復(fù)系統(tǒng)，而傳感器節(jié)點(diǎn)則不行 ，就整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言，可以適當(dāng)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(jì)需求3.5 硬件平臺(tái)硬件平臺(tái)3.6 操作系統(tǒng)結(jié)合設(shè)計(jì)需求可得出傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)的基本特征本章內(nèi)容3.5 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)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(diǎn)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?，如太陽能?？稍偕茉创鎯?chǔ)

10、能量有兩種方式：充電電池，自放電較少，電能利用會(huì)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(dá)100萬次，且不易受溫度，振動(dòng)等因素的影響。 3.5 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)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(diǎn)平臺(tái)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(diǎn)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(hào)和通過數(shù)字信號(hào)，選擇是否需要外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器和額外的校準(zhǔn)技術(shù)。常用傳感器及其關(guān)鍵特性設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)展性魯棒性無線傳感器組成傳感器微處理器無線通信芯

11、片電池3.5 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)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(diǎn)中負(fù)責(zé)計(jì)算的核心 ，目前的微處理器芯片同時(shí)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(diǎn)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(shí)間（在睡眠/工作狀態(tài)間快速切換），供電電壓（長時(shí)間工作），運(yùn)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(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)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(tái)設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低

12、功耗靈活性與擴(kuò)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通信芯片是無線傳感節(jié)點(diǎn)中重要的組成部分 ，在一個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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。 低功耗的通信芯片在發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)時(shí)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(tái)設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)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（續(xù)）通信芯片（續(xù)）通信芯片的傳輸距離是選擇傳感節(jié)點(diǎn)的重要指標(biāo)。發(fā)射功率越大，接受靈

13、敏度越高，信號(hào)傳輸距離越遠(yuǎn)。常用通信芯片：CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz；采用串口通信模式時(shí)速率只能達(dá)到19.2Kbps CC2420：工作頻率2.4GHz，是一款完全符合IEEE 802.15.4協(xié)議規(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(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)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3.1 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(jì)需求3.5 硬件平臺(tái)3.6 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是傳感器節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)的核心本章內(nèi)容節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)VS其他操作系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)操作系

14、統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：其硬件平臺(tái)資源極其有限 由圖可得，節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)是極其微型化的。節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)發(fā)展史節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：其硬件平臺(tái)資源極其有限 節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)功能：硬件驅(qū)動(dòng)資源管理任務(wù)調(diào)度編程借口TinyOSTinyOS由加州伯克萊分校開發(fā),是目前無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域使用最為廣泛的OS (http:/)TinyOS開發(fā)語言：nesCnesC語言是專門為資源極其受限、硬件平臺(tái)多樣化的傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(gè)最頂層的配置文件 TinyOS代碼舉例/ BlinkC.ncmodu

15、le BlinkC uses interface Timer as Timer; uses interface Leds; uses interface Boot; implementation event void Boot.booted() call Timer.startPeriodic( 250 ); event void Timer.fired() call Leds.led0On(); 左側(cè)代碼中：BlinkC就表示一個(gè)組件，它使用了三個(gè)接口：Timer，Leds，Boot。在其實(shí)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(dòng)一個(gè)以250ms周期

16、觸發(fā)的時(shí)鐘，而Leds.led0Toggle使節(jié)點(diǎn)上第一個(gè)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(gè)典型的nesC配置文件。它必須指定當(dāng)前程序使用了哪些組件。例如該程序使用了MainC，BlinkC（即代碼1顯示的組件），LedsC和TimerC組件。BlinkC組件中使用的接口到底是由哪個(gè)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.ncconf

17、iguration BlinkAppC implementation components MainC, BlinkC, LedsC; components new TimerMilliC() as TimerC; BlinkC - MainC.Boot; BlinkC.Timer - TimerC; BlinkC.Leds - LedsC;節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)功能：硬件驅(qū)動(dòng)資源管理任務(wù)調(diào)度編程借口TinyOS（續(xù)）TinyOS任務(wù)調(diào)度任務(wù)調(diào)度TinyOS核心使用了事件驅(qū)動(dòng)的單線程任務(wù)調(diào)度機(jī)制，這和傳統(tǒng)OS的多線程調(diào)度機(jī)制截然不同 任何一個(gè)時(shí)刻，處理器只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。因此，如果當(dāng)前正在執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，處理器必須等這個(gè)任務(wù)處理完畢