無線傳感器第五章

1、第第5 5章章傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ) 傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)技術(shù)是傳感器網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)技術(shù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)完成應(yīng)用功能的關(guān)鍵，這里主要介紹它的仿真絡(luò)完成應(yīng)用功能的關(guān)鍵，這里主要介紹它的仿真平臺(tái)和工程測(cè)試床、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件開發(fā)、操作平臺(tái)和工程測(cè)試床、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件開發(fā)、操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)等內(nèi)容。系統(tǒng)和軟件開發(fā)等內(nèi)容。5.1 5.1 仿真平臺(tái)和工程測(cè)試床仿真平臺(tái)和工程測(cè)試床5.1.1 5.1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真技術(shù)概述傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真技術(shù)概述1 1、網(wǎng)絡(luò)研究與設(shè)計(jì)方法、網(wǎng)絡(luò)研究與設(shè)計(jì)方法 通常計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計(jì)方法包括分析方法、實(shí)通常計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計(jì)

2、方法包括分析方法、實(shí)驗(yàn)方法和模擬方法。驗(yàn)方法和模擬方法。 分析方法是對(duì)所研究對(duì)象和所依存的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行初分析方法是對(duì)所研究對(duì)象和所依存的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行初步分析，根據(jù)一定的限定條件和合理假設(shè)，對(duì)研究對(duì)象和步分析，根據(jù)一定的限定條件和合理假設(shè)，對(duì)研究對(duì)象和系統(tǒng)進(jìn)行描述，抽象出研究對(duì)象的數(shù)學(xué)分析模型。系統(tǒng)進(jìn)行描述，抽象出研究對(duì)象的數(shù)學(xué)分析模型。 實(shí)驗(yàn)方法的主要內(nèi)容是建立測(cè)試床和實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)方法的主要內(nèi)容是建立測(cè)試床和實(shí)驗(yàn)室。 模擬方法主要是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模擬軟件來仿真網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的模擬方法主要是應(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。運(yùn)行效果。2 2、網(wǎng)絡(luò)仿真的應(yīng)用意義、網(wǎng)絡(luò)仿真的應(yīng)用意義 從應(yīng)用的角度來看，

3、網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)具有以下特點(diǎn)：從應(yīng)用的角度來看，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)具有以下特點(diǎn)： （1 1）全新的模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)理，使得這項(xiàng)技術(shù)具有在高）全新的模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)理，使得這項(xiàng)技術(shù)具有在高度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下得到高可信度結(jié)果的特點(diǎn)。度復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下得到高可信度結(jié)果的特點(diǎn)。 （2 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)）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(jì)，而且特別適用于大中型容，也可以用于新網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，而且特別適用于大中型規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。 （3 3）初期應(yīng)用成本不高，而且建好的網(wǎng)絡(luò)模型可以）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(huì)不

4、斷下降。延續(xù)使用，后期投資還會(huì)不斷下降。網(wǎng)絡(luò)仿真的軟件體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真的軟件體系結(jié)構(gòu)3 3、傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的特點(diǎn)、傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的特點(diǎn) 分布性分布性 動(dòng)態(tài)性動(dòng)態(tài)性 綜合性綜合性5.1.2 5.1.2 常用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺(tái)常用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件平臺(tái)1 1、TOSSIMTOSSIM (1) (1) 簡介簡介 TinyOS TinyOS是為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)，是為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而設(shè)計(jì)的一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的操作系統(tǒng)，由加州大學(xué)的伯利克分校開發(fā)，采用由加州大學(xué)的伯利克分校開發(fā)，采用nesCnesC編程語言。它主要應(yīng)用于無編程語言。它主要應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，采用基于一種組件的架構(gòu)方式，

5、能夠快速實(shí)現(xiàn)各線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，采用基于一種組件的架構(gòu)方式，能夠快速實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用。種應(yīng)用。 TOSSIM TOSSIM是是TinyOSTinyOS自帶的仿真工具，可以同時(shí)模擬傳感器網(wǎng)絡(luò)的多自帶的仿真工具，可以同時(shí)模擬傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行同一個(gè)程序，提供運(yùn)行時(shí)的調(diào)試和配置功能。個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行同一個(gè)程序，提供運(yùn)行時(shí)的調(diào)試和配置功能。由于由于TOSSIMTOSSIM仿真程序直接編譯來自實(shí)際運(yùn)行于硬件環(huán)境的代碼，因而仿真程序直接編譯來自實(shí)際運(yùn)行于硬件環(huán)境的代碼，因而可以用來調(diào)試最后實(shí)際真正運(yùn)行的程序代碼?？梢杂脕碚{(diào)試最后實(shí)際真正運(yùn)行的程序代碼。 在在PCPC機(jī)上安裝好機(jī)上安裝好TinyOSTinyOS

6、之后，可以按照如下關(guān)鍵步驟打開之后，可以按照如下關(guān)鍵步驟打開TinyVizTinyViz界界面：面： 1) CD 1) CD 到應(yīng)用的目錄到應(yīng)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(yīng)用目錄拷貝到應(yīng)用目錄 5) $ DBG=sim 5) $ DBG=sim 6) $ ./t

7、inyviz 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(yùn)行模擬器運(yùn)行TinyOSTinyOS程序程序 例如我們希望針對(duì)例如我們希望針對(duì)TinyOSTinyOS自自帶的帶的BlinkBlink應(yīng)用程序，模擬編譯出應(yīng)用程序，模擬編譯出可以在可以

8、在TOSSIMTOSSIM模擬器上運(yùn)行的程模擬器上運(yùn)行的程序，主要是在應(yīng)用程序目錄下運(yùn)序，主要是在應(yīng)用程序目錄下運(yùn)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(yùn)行模擬器上運(yùn)行BlinkBlink應(yīng)用程序。應(yīng)用程序。 Blink Blink應(yīng)用程序可以在應(yīng)用程序可以在motemote硬硬件節(jié)點(diǎn)上以頻率件節(jié)點(diǎn)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/pc/main.e

9、xe 30，會(huì)，會(huì)出現(xiàn)圖所示的界面。出現(xiàn)圖所示的界面。 在在TOSSIMTOSSIM模擬器運(yùn)行模擬器運(yùn)行BlinkBlink應(yīng)用程序，可按應(yīng)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 pc(3) (3) 使用使用gdbgdb調(diào)試程序調(diào)試程序 TOSSIM TOSSIM的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是它可以運(yùn)行在的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是它可以運(yùn)行在PCPC機(jī)上，機(jī)上，這樣可以運(yùn)用傳統(tǒng)的調(diào)試工具來調(diào)試這樣可以運(yùn)用傳統(tǒng)的調(diào)試工具來調(diào)試nesCnesC程序。程序。 使用使用gdbgdb進(jìn)行調(diào)試與采用傳統(tǒng)的調(diào)試方法大致相同，進(jìn)行調(diào)試與采用傳統(tǒng)的調(diào)試

10、方法大致相同，只是使用命令只是使用命令( (如在命令處設(shè)斷點(diǎn)如在命令處設(shè)斷點(diǎn)) )時(shí)必須按照上面的時(shí)必須按照上面的規(guī)則。規(guī)則。2 2、OMNeTOMNeT+ 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?qū)ο蟮摹㈦x散。它是一種面向?qū)ο蟮摹㈦x散事件建模仿

11、真器，屬于免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。事件建模仿真器，屬于免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)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。3 3、MatlabMatlab Matlab Matlab是矩陣實(shí)驗(yàn)室（是矩陣實(shí)驗(yàn)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(jì)算能力外，還提供專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算、文字具備卓越的數(shù)值計(jì)算能力外，還提供專業(yè)水平的符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能，也可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真，處理、可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能，也可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真，用于模擬傳感

12、器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況和某些應(yīng)用算法的性能。用于模擬傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況和某些應(yīng)用算法的性能。 在在MatlabMatlab軟件工具中，典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序如軟件工具中，典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序如WiSNAPWiSNAP。這是一個(gè)針對(duì)無線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的基于。這是一個(gè)針對(duì)無線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的基于MatlabMatlab的應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)。的應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)。4 4、OPNETOPNET OPNET OPNET是是MIL3MIL3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。圖形化、支持面向?qū)ο蠼５拇笮?/p>

13、網(wǎng)絡(luò)仿真軟件。OPNETOPNET的產(chǎn)品主的產(chǎn)品主要針對(duì)三類客戶，分成四個(gè)系列。要針對(duì)三類客戶，分成四個(gè)系列。 三類客戶是指網(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)。三類客戶是指網(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)。 它的四個(gè)系列產(chǎn)品核心包括：它的四個(gè)系列產(chǎn)品核心包括： OPNET ModelerOPNET Modeler：為技術(shù)人員提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)品開：為技術(shù)人員提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)平臺(tái)，可以幫助他們?cè)O(shè)計(jì)和分析網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議。發(fā)平臺(tái)，可以幫助他們?cè)O(shè)計(jì)和分析網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議。 ITGuruITGuru：幫助網(wǎng)絡(luò)專業(yè)人士預(yù)測(cè)和分析網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：幫助網(wǎng)絡(luò)專業(yè)人士預(yù)測(cè)和分析網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)

14、用的性能、診斷問題、查找影響系統(tǒng)性能的瓶頸、提出并驗(yàn)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(yàn)證解決方案。案。 ServiceProviderGuruServiceProviderGuru：面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商的智能化網(wǎng)：面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商的智能化網(wǎng)絡(luò)管理軟件。絡(luò)管理軟件。 WDM GuruWDM Guru：用于波分復(fù)用光纖網(wǎng)絡(luò)的分析、評(píng)測(cè)。：用于波分復(fù)用光纖網(wǎng)絡(luò)的分析、評(píng)測(cè)。 Modeler Modeler提供多種業(yè)務(wù)提供多種業(yè)務(wù)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(jì)量，查看動(dòng)畫集分析統(tǒng)計(jì)量，查看動(dòng)畫和調(diào)試等功能。它可以直和調(diào)試等功能。它可以直接收集常用的各個(gè)網(wǎng)

15、絡(luò)層接收集常用的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次的性能統(tǒng)計(jì)參數(shù)，能夠次的性能統(tǒng)計(jì)參數(shù)，能夠方便地編制和輸出仿真結(jié)方便地編制和輸出仿真結(jié)果的報(bào)告。果的報(bào)告。 OPNET OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真軟件是目前世界上最為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件是目前世界上最為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺(tái)之一。它曾被一些機(jī)構(gòu)評(píng)選為仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺(tái)之一。它曾被一些機(jī)構(gòu)評(píng)選為“世世界級(jí)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件界級(jí)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件”第一名第一名, ,可以進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)的各可以進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用業(yè)務(wù)仿真和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議運(yùn)行性能模擬。種應(yīng)用業(yè)務(wù)仿真和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議運(yùn)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(wǎng)絡(luò)使用它的最大問題在于它作為一種商業(yè)化高端網(wǎng)絡(luò)仿真產(chǎn)品，

16、價(jià)格十分昂貴。仿真產(chǎn)品，價(jià)格十分昂貴。5 5、NSNS NS(Network Simulator) NS(Network Simulator)是一種針對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的源代碼公開是一種針對(duì)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的源代碼公開的、免費(fèi)的軟件模擬平臺(tái)，研究人員使用它可以很容易地進(jìn)行網(wǎng)的、免費(fèi)的軟件模擬平臺(tái)，研究人員使用它可以很容易地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開發(fā)。目前它所包含的模塊內(nèi)容已經(jīng)非常豐富，幾乎涉絡(luò)技術(shù)的開發(fā)。目前它所包含的模塊內(nèi)容已經(jīng)非常豐富，幾乎涉及到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的所有方面，成為了目前學(xué)術(shù)界廣泛使用的一種網(wǎng)及到網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的所有方面，成為了目前學(xué)術(shù)界廣泛使用的一種網(wǎng)絡(luò)模擬軟件。絡(luò)模擬軟件。 在每年國內(nèi)外發(fā)表的有關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的學(xué)術(shù)

17、論文中，利用在每年國內(nèi)外發(fā)表的有關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的學(xué)術(shù)論文中，利用NSNS給給出模擬結(jié)果的文章最多，通過這種方法得出的研究結(jié)果也是被學(xué)出模擬結(jié)果的文章最多，通過這種方法得出的研究結(jié)果也是被學(xué)術(shù)界所普遍認(rèn)可的。術(shù)界所普遍認(rèn)可的。 NS NS也可作為一種輔助教學(xué)的工具，廣泛應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的教也可作為一種輔助教學(xué)的工具，廣泛應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的教學(xué)方面。目前這種網(wǎng)絡(luò)仿真軟件工具已經(jīng)發(fā)展到第二個(gè)版本，即學(xué)方面。目前這種網(wǎng)絡(luò)仿真軟件工具已經(jīng)發(fā)展到第二個(gè)版本，即NS2NS2（Network Simulator, version 2Network Simulator, version 2）。）。5.1.3 5.1.3

18、 仿真平臺(tái)的選擇和設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)的選擇和設(shè)計(jì)1 1、仿真平臺(tái)的選擇、仿真平臺(tái)的選擇 現(xiàn)有的仿真平臺(tái)種類較多、功能各異，每個(gè)仿真軟件平臺(tái)現(xiàn)有的仿真平臺(tái)種類較多、功能各異，每個(gè)仿真軟件平臺(tái)的側(cè)重點(diǎn)也不同。仿真平臺(tái)所采用的設(shè)計(jì)方法也不一樣，例如的側(cè)重點(diǎn)也不同。仿真平臺(tái)所采用的設(shè)計(jì)方法也不一樣，例如面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)和面向組件設(shè)計(jì)等，也會(huì)影響仿真平臺(tái)的執(zhí)行效面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)和面向組件設(shè)計(jì)等，也會(huì)影響仿真平臺(tái)的執(zhí)行效率、速度、擴(kuò)展性、重用性和易用性等。每個(gè)仿真器都是在某率、速度、擴(kuò)展性、重用性和易用性等。每個(gè)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。些性能方面比較突出，而在其他方面又不重視。 在選擇仿

19、真平臺(tái)時(shí)，需要綜合考慮各個(gè)因素，在其中尋找在選擇仿真平臺(tái)時(shí)，需要綜合考慮各個(gè)因素，在其中尋找一個(gè)平衡點(diǎn)以獲得最佳的仿真效果。一個(gè)平衡點(diǎn)以獲得最佳的仿真效果。2 2、仿真平臺(tái)的自主設(shè)計(jì)、仿真平臺(tái)的自主設(shè)計(jì) 如果開發(fā)者決定構(gòu)建一個(gè)自己的傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真工具，如果開發(fā)者決定構(gòu)建一個(gè)自己的傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真工具，首先需要決定是在現(xiàn)有仿真平臺(tái)上開發(fā)還是單獨(dú)構(gòu)建。首先需要決定是在現(xiàn)有仿真平臺(tái)上開發(fā)還是單獨(dú)構(gòu)建。如果開發(fā)時(shí)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(shí)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(tái)上做開發(fā)。現(xiàn)有工具中沒有，那么最好是在現(xiàn)有仿真平臺(tái)上做開發(fā)。 如果有

20、足夠的開發(fā)時(shí)間，以及開發(fā)者感覺自己的設(shè)計(jì)如果有足夠的開發(fā)時(shí)間，以及開發(fā)者感覺自己的設(shè)計(jì)思路比現(xiàn)有工具在仿真規(guī)模、執(zhí)行速度、特點(diǎn)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(diǎn)等方面優(yōu)越，那么從頭開始創(chuàng)建一個(gè)仿真工具是最有效的。越，那么從頭開始創(chuàng)建一個(gè)仿真工具是最有效的。5.1.4 5.1.4 傳感器網(wǎng)絡(luò)工程測(cè)試床傳感器網(wǎng)絡(luò)工程測(cè)試床 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，仿真是一個(gè)重要的研究手段。但是仿真通常僅在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，仿真是一個(gè)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(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)和無線通信等運(yùn)行的詳局限于特定問題的研究，并不能獲取節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)和無線通信等運(yùn)行的詳細(xì)信息，只有實(shí)際的測(cè)

21、試床細(xì)信息，只有實(shí)際的測(cè)試床( (TestbedTestbed) )才能夠捕獲到這些信息。才能夠捕獲到這些信息。 雖然在驗(yàn)證大型傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有一些有效的仿真工具，但只有通過雖然在驗(yàn)證大型傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有一些有效的仿真工具，但只有通過對(duì)實(shí)際的傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床的使用，才能真正理解資源的限制、通信損對(duì)實(shí)際的傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)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(cè)試床可以對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多問題進(jìn)行研究，簡化系統(tǒng)部通過測(cè)試床可以對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的許多問題進(jìn)行研究，簡化系統(tǒng)部署、調(diào)試等步驟，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用變得相對(duì)容易。署、調(diào)試等步驟，使得

22、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用變得相對(duì)容易。 Motelab Motelab是哈佛大學(xué)開發(fā)的一個(gè)開放的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)是哈佛大學(xué)開發(fā)的一個(gè)開放的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，是基于境，是基于WebWeb的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床。它包括一組長期部署的的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)試床。它包括一組長期部署的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以及一個(gè)中心服務(wù)器。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以及一個(gè)中心服務(wù)器。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)2傳感器節(jié)點(diǎn)1傳感器節(jié)點(diǎn)3傳感器節(jié)點(diǎn)4本地用戶因特網(wǎng)外部用戶中心服務(wù)器以太網(wǎng)端口 SensoNet SensoNet是美國是美國亞特蘭大市喬治亞州亞特蘭大市喬治亞州技術(shù)學(xué)院電子與計(jì)算技術(shù)學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)校寬帶無機(jī)工

23、程學(xué)校寬帶無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室研制的線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室研制的傳感器網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)床。傳感器網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)床。 SensoNetSensoNet試驗(yàn)床是由試驗(yàn)床是由三部分組成：核心網(wǎng)、三部分組成：核心網(wǎng)、核心接入網(wǎng)和傳感器核心接入網(wǎng)和傳感器現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)。 SensoNetSensoNet工程測(cè)試床的場(chǎng)景和部分實(shí)物工程測(cè)試床的場(chǎng)景和部分實(shí)物5.2 5.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件開發(fā)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)特點(diǎn)和要求、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和要求設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點(diǎn)需從以下方面考慮：設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點(diǎn)需從以下方面考慮：(1) (1) 微型化微型化(2) (2) 擴(kuò)

24、展性和靈活性擴(kuò)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2 2、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容 傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容在于傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容在于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 傳感器節(jié)點(diǎn)的基本硬件模塊組成傳感器節(jié)點(diǎn)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(dòng)作。其他

25、外圍模塊包括看門狗電路、動(dòng)作。其他外圍模塊包括看門狗電路、電池電量檢測(cè)模塊等，也是傳感器節(jié)電池電量檢測(cè)模塊等，也是傳感器節(jié)點(diǎn)不可缺少的組成部分。點(diǎn)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5.2.2 5.2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)的模塊化設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的模塊化設(shè)計(jì)1 1、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊 對(duì)于數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)，主要考慮如下五個(gè)方對(duì)于數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)，主要考慮如下五個(gè)方面的問題：面的問題：(1) (1) 節(jié)能設(shè)計(jì)節(jié)能設(shè)計(jì)(2) (2) 處理速度的選擇處理速度的選擇(3) (3) 低成本低成本(4) (4) 小體積小體積(5) (5)

26、 安全性安全性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(hào)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260153MotorolaHC050.5326.690HC082328100HCS084606.51TIMSP14x16位2601.51MSP16x16位104821AtmelAT

27、91 ARM Thumb256102438160IntelXScale PXA27X256N/A39574SamsungS44B08N/A6052 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(hào)，但通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳大部分傳感器的輸出是模擬信號(hào)，但通常無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖菙?shù)字化的數(shù)據(jù)，因此必須進(jìn)行模輸?shù)氖菙?shù)字化的數(shù)據(jù)，因此必須進(jìn)行模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換。類似的，許多執(zhí)數(shù)轉(zhuǎn)換。類

28、似的，許多執(zhí)行器的輸出也是模擬的，因此也必須進(jìn)行數(shù)行器的輸出也是模擬的，因此也必須進(jìn)行數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換。模轉(zhuǎn)換。 在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中配置模在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中配置模/ /數(shù)和數(shù)數(shù)和數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)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(diǎn)有多個(gè)傳感器且可共享一個(gè)轉(zhuǎn)低系統(tǒng)的整體成本，尤其是在節(jié)點(diǎn)有多個(gè)傳感器且可共享一個(gè)轉(zhuǎn)換器的時(shí)候。換器的時(shí)候。3 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，目前采用的傳輸介質(zhì)主要包括無線電、空氣、紅外、激光和超聲波的傳輸介質(zhì)主要包括無線電、空氣、紅外、激光和超

29、聲波等，它是傳感器節(jié)點(diǎn)中最主要的耗能模塊，是傳感器節(jié)點(diǎn)等，它是傳感器節(jié)點(diǎn)中最主要的耗能模塊，是傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。 傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的無線通信技術(shù)通常包括傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的無線通信技術(shù)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)議由用戶自己定義，這些芯片一般工作在定義，這些芯片一般工作在ISMISM免費(fèi)頻段。免費(fèi)頻段。傳感器網(wǎng)絡(luò)的常

30、用無線通信技術(shù)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11000RFID50kHz5.8GHz3205501150循環(huán)壽命/次3005008001000100011工作溫度/-206020602060060060-20602060記憶效應(yīng)無有小很小無無無內(nèi)阻/m308071918358010080100毒性有有輕毒輕毒無無有價(jià)格低低中高最高高中可充電是是是是是否否漏電流(%/月)30301588202511 原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，它以其成原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，它

31、以其成本低廉、能量密度高、標(biāo)準(zhǔn)化程度好、易于購買等特本低廉、能量密度高、標(biāo)準(zhǔn)化程度好、易于購買等特點(diǎn)而備受青睞。點(diǎn)而備受青睞。 例如，我們?nèi)粘Ｊ褂玫睦?，我們?nèi)粘Ｊ褂玫腁AAA電池電池( (即通常所說的即通常所說的5 5號(hào)號(hào)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(hào)電池，尺寸為直徑號(hào)電池，尺寸為直徑11mm/11mm/高度高度44mm)44mm)。 雖然使用可充電的蓄電池似乎比使用原電池好，但雖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(diǎn)，例如它的能量密度有限。蓄電池的重蓄電池也有缺點(diǎn)

32、，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(yuǎn)低于原電池，這就意味著量能量密度和體積能量密度遠(yuǎn)低于原電池，這就意味著要想達(dá)到同樣的容量要求，蓄電池的尺寸和重量都要大要想達(dá)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(yán)重，這就限另外與原電池相比，蓄電池自放電更嚴(yán)重，這就限制了它的存放時(shí)間和在低負(fù)載條件下的服務(wù)壽命。制了它的存放時(shí)間和在低負(fù)載條件下的服務(wù)壽命。 盡管有這些缺點(diǎn)，蓄電池仍然有很多可取之處，譬盡管有這些缺點(diǎn)，蓄電池仍然有很多可取之處，譬如蓄電池的內(nèi)阻通常比原電池要低，這在要求峰值電流如蓄電池的內(nèi)阻通常比原電池要低，這在要求峰值電

33、流較高的應(yīng)用中有用途。較高的應(yīng)用中有用途。4 4、外圍模塊設(shè)計(jì)、外圍模塊設(shè)計(jì) 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的外圍模塊主要包括看門狗電路、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(cè)電路等。電路和低電量檢測(cè)電路等。 看門狗看門狗(Watch Dog)(Watch Dog)是一種增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性的重要是一種增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性的重要措施，它能夠有效地防止系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)或者程序跑措施，它能夠有效地防止系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)或者程序跑飛。傳感器節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境復(fù)雜多變，可能由于干擾造飛。傳感器節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境復(fù)雜多變，可能由于干擾造成系統(tǒng)軟件的運(yùn)行混亂。成系統(tǒng)軟件的運(yùn)行混亂。 由于電池壽命有限，為了避免節(jié)點(diǎn)工作

34、中發(fā)生突由于電池壽命有限，為了避免節(jié)點(diǎn)工作中發(fā)生突然斷電的情況，當(dāng)電池電量將要耗盡時(shí)必須要有某種然斷電的情況，當(dāng)電池電量將要耗盡時(shí)必須要有某種指示，以便及時(shí)更換電池或提醒鄰居節(jié)點(diǎn)。指示，以便及時(shí)更換電池或提醒鄰居節(jié)點(diǎn)。5.2.3 5.2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)實(shí)例傳感器節(jié)點(diǎn)的開發(fā)實(shí)例1 1、MicaMica系列節(jié)點(diǎn)系列節(jié)點(diǎn) Mica Mica系列節(jié)點(diǎn)是由系列節(jié)點(diǎn)是由U.C.BerkeleyU.C.Berkeley大學(xué)研制，大學(xué)研制，CrossbowCrossbow公司生產(chǎn)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。公司生產(chǎn)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。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

35、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(cái)富百強(qiáng)企業(yè)提供服務(wù)和用途的公司，現(xiàn)在給一些財(cái)富百強(qiáng)企業(yè)提供服務(wù)和智能微塵產(chǎn)品。智能微塵產(chǎn)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(tái)，它們由電池供能，智能卡板組成硬件平臺(tái)，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。MicaMica系列節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)示意圖系列節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)示意圖 MICA2 MICA2 系系列列MPR4x0(MPR4x0(左上左

36、上) )和和MICA2DOTMICA2DOT系系列列MPR5x0(MPR5x0(右下右下) )的實(shí)物的實(shí)物 MICAzMICAz系列系列MPR2400MPR2400的實(shí)物的實(shí)物多傳感器模塊多傳感器模塊MTS300/310MTS300/310（左）和（左）和MTS510MTS510（右）的實(shí)物（右）的實(shí)物串行網(wǎng)關(guān)串行網(wǎng)關(guān)MIB510MIB510的實(shí)物的實(shí)物StargateStargate 網(wǎng)關(guān)網(wǎng)關(guān)SPB400SPB400的實(shí)物的實(shí)物2 2、MicaMica系列處理器系列處理器/ /射頻板射頻板先進(jìn)的先進(jìn)的RISCRISC架構(gòu)。架構(gòu)。內(nèi)部有內(nèi)部有128KB128KB的在線可重復(fù)編程的在線可重復(fù)編程

37、FlashFlash、4KB4KB的的EEPROMEEPROM和和 SRAMSRAM。有有5353個(gè)個(gè)I/OI/O引腳。引腳。內(nèi)部有內(nèi)部有2 2個(gè)個(gè)8 8位定時(shí)器位定時(shí)器/ /計(jì)數(shù)器和計(jì)數(shù)器和2 2個(gè)具有比較個(gè)具有比較/ /捕捉寄存捕捉寄存器的器的1616位定時(shí)器位定時(shí)器/ /計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器。功耗低。功耗低。帶帶JTAGJTAG接口，便于調(diào)試。接口，便于調(diào)試。電源電壓為電源電壓為 V5.5 V，動(dòng)態(tài)范圍較大，能夠適應(yīng)惡劣，動(dòng)態(tài)范圍較大，能夠適應(yīng)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(chǎn)品的處理器均采用系列產(chǎn)品的處理器均采用A

38、tmelAtmel公司的公司的ATmegal28LATmegal28L：(2) (2) 射頻板射頻板 MicaMica節(jié)點(diǎn)的無線通信射頻芯片均采用節(jié)點(diǎn)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(chǎn)品。該系列產(chǎn)品是專門系列射頻產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品是專門為低功耗、低速率的無線傳感器應(yīng)用開發(fā)的。例為低功耗、低速率的無線傳感器應(yīng)用開發(fā)的。例如如MICAzMICAz節(jié)點(diǎn)采用了節(jié)點(diǎn)采用了CC2420CC2420通信芯片。通信芯片。3 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(shí)現(xiàn)商用的無線傳感器節(jié)點(diǎn)部件，系列傳感器板是較早

39、實(shí)現(xiàn)商用的無線傳感器節(jié)點(diǎn)部件，它的電路原理圖設(shè)計(jì)是公開的。它的電路原理圖設(shè)計(jì)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(cè)電路溫濕度和照度檢測(cè)電路(3) (3) 磁性傳感器電路磁性傳感器電路4 4、編程調(diào)試接口板、編程調(diào)試接口板 Mica Mica系列節(jié)點(diǎn)在很大程度系列節(jié)點(diǎn)在很大程度上是作為教學(xué)和研究試驗(yàn)使上是作為教學(xué)和研究試驗(yàn)使用的，人們通過在由多個(gè)用的，人們通過在由多個(gè)MicaMica節(jié)點(diǎn)組成的實(shí)驗(yàn)床驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)組成的實(shí)驗(yàn)床驗(yàn)證自己的算法和體驗(yàn)多跳自組自己的算法和體驗(yàn)多跳自組網(wǎng)的特性。網(wǎng)的特性。 為了方便開發(fā)，為了方便開發(fā)，CrossbowCro

40、ssbow公司開發(fā)了一系列的編程調(diào)公司開發(fā)了一系列的編程調(diào)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(diǎn)的裝配的連線和節(jié)點(diǎn)的裝配5.3 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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)是指用于執(zhí)行獨(dú)立功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是指用于執(zhí)行獨(dú)立功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它由微處理器、定時(shí)器、微控制器、存儲(chǔ)器、傳感器等一系它由微處理器、定時(shí)器、微控制器、存儲(chǔ)器、傳感器等一系列微電子芯片與器件，以及嵌入在存儲(chǔ)器中的微型操作系統(tǒng)、列微電子芯

41、片與器件，以及嵌入在存儲(chǔ)器中的微型操作系統(tǒng)、控制應(yīng)用軟件組成。控制應(yīng)用軟件組成。 嵌入式操作系統(tǒng)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為一種典型的嵌入式系統(tǒng)，同樣需要傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(yùn)行。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)是運(yùn)操作系統(tǒng)來支撐它的運(yùn)行。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)是運(yùn)行在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上的基礎(chǔ)核心軟件，它能夠有效地管理行在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上的基礎(chǔ)核心軟件，它能夠有效地管理硬件資源和任務(wù)的執(zhí)行，并且使應(yīng)用程序的開發(fā)更

42、為方便。硬件資源和任務(wù)的執(zhí)行，并且使應(yīng)用程序的開發(fā)更為方便。1 1、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)不能適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)，這些操作系統(tǒng)對(duì)硬件資源有較高的要求，傳感器節(jié)點(diǎn)的有限資源很難滿系統(tǒng)對(duì)硬件資源有較高的要求，傳感器節(jié)點(diǎn)的有限資源很難滿足這些要求。足這些要求。 通常設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)時(shí)需要滿足如下要求：通常設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)時(shí)需要滿足如下要求： 代碼量必須盡可能小，復(fù)雜度盡可能低，從而盡可能降代碼量必須盡可能小，復(fù)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓?fù)涓叨葎?dòng)態(tài)變化的

43、應(yīng)用環(huán)境。必須能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓?fù)涓叨葎?dòng)態(tài)變化的應(yīng)用環(huán)境。 對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境發(fā)生的事件能快速響應(yīng)。對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境發(fā)生的事件能快速響應(yīng)。 能快速切換并執(zhí)行頻繁發(fā)生的多個(gè)并發(fā)任務(wù)。能快速切換并執(zhí)行頻繁發(fā)生的多個(gè)并發(fā)任務(wù)。 能夠使多個(gè)節(jié)點(diǎn)高效地協(xié)作完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。能夠使多個(gè)節(jié)點(diǎn)高效地協(xié)作完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。 提供方便的編程方法。提供方便的編程方法。 能實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)在線動(dòng)態(tài)重新編程。能實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)在線動(dòng)態(tài)重新編程。 2 2、TinyOSTinyOS操作系統(tǒng)介紹操作系統(tǒng)介紹 TinyOS TinyOS是一個(gè)開源的嵌入式操作系統(tǒng)，它是由加是一個(gè)開源的嵌入式操作系統(tǒng)，它是由加州大學(xué)的伯利克分校開發(fā)，主要應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)州大學(xué)

44、的伯利克分校開發(fā)，主要應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面。它是基于一種組件（絡(luò)方面。它是基于一種組件（Component-BasedComponent-Based）的）的架構(gòu)方式，能夠快速實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用。架構(gòu)方式，能夠快速實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用。 TinyOS TinyOS程序采用的是模塊化設(shè)計(jì)，程序核心往往程序采用的是模塊化設(shè)計(jì)，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左右。左右。 TinyOS TinyOS軟件包是開放源代碼的，用戶可以從網(wǎng)站軟件包是開放源代碼的，用戶可以從網(wǎng)站httphttp：/ 如果在如果在Windows2000

45、/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(dòng)完成安裝，然后在，按照提示逐步執(zhí)行，就能自動(dòng)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(gè)在是一個(gè)在windowswindows平臺(tái)上運(yùn)行的平臺(tái)上運(yùn)行的LinuxLinux模擬環(huán)境，是模擬環(huán)境，是cygnus 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(cè)如果要檢測(cè)tinyostinyos的環(huán)境是否搭建好，可以運(yùn)

46、行的環(huán)境是否搭建好，可以運(yùn)行tos-tos-check-envcheck-env命令：命令：$ tos-check-env$ tos-check-env系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)各個(gè)程序是否正常，如果最后出現(xiàn)正確的提示，則系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)各個(gè)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(jī)上的機(jī)上的TinyOSTinyOS操作系統(tǒng)已經(jīng)可以使用了。操作系統(tǒng)已經(jīng)可以使用了。（1 1）TinyOSTinyOS的安裝的安裝(2) (2) 創(chuàng)建應(yīng)用程序創(chuàng)建應(yīng)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(yīng)用程序目錄，用來存放應(yīng)用程序文件。應(yīng)用程序目錄，用來存放應(yīng)

47、用程序文件。 例如，例如，BlinkBlink程序包含程序包含BlinkBlink和和BlinkMBlinkM兩個(gè)兩個(gè)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。 采用基于組件的體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)被采用基于組件的體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)被 廣泛應(yīng)用在嵌入式操作系統(tǒng)。廣泛應(yīng)用在嵌入式操作系統(tǒng)。 采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，能夠適用于節(jié)點(diǎn)眾多、并發(fā)采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，能夠

48、適用于節(jié)點(diǎn)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。操作頻繁發(fā)生的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。 采用輕量級(jí)線程技術(shù)和基于先進(jìn)先出采用輕量級(jí)線程技術(shù)和基于先進(jìn)先出(First In (First In First OutFirst Out，F(xiàn)IFO)FIFO)的任務(wù)隊(duì)列調(diào)度方法。的任務(wù)隊(duì)列調(diào)度方法。 采用基于事件驅(qū)動(dòng)模式的主動(dòng)消息通信方式，這采用基于事件驅(qū)動(dòng)模式的主動(dòng)消息通信方式，這 種方式已經(jīng)廣泛用于分布式并行計(jì)算。種方式已經(jīng)廣泛用于分布式并行計(jì)算。(3) TinyOS(3) TinyOS的特點(diǎn)的特點(diǎn)(4) TinyOS(4) TinyOS的應(yīng)用程序示例的應(yīng)用程序示例 1 1）BlinkBlink

49、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(yīng)用程序?qū)牍?jié)點(diǎn)）應(yīng)用程序?qū)牍?jié)點(diǎn)5.3.2 5.3.2 軟件開發(fā)軟件開發(fā)1 1、傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件、傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)的特點(diǎn)和要求開發(fā)的特點(diǎn)和要求 通常傳感器網(wǎng)絡(luò)通常傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件運(yùn)行采用分層的軟件運(yùn)行采用分層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)核心支撐技術(shù) 具體應(yīng)用代碼 系統(tǒng)內(nèi)核通信協(xié)議應(yīng)用數(shù)據(jù)功能管理控制功能收/發(fā)模塊 硬件抽象層 物理層 傳感器網(wǎng)絡(luò)因資源受限、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)和以數(shù)據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)因資源受限、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)和以數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)具有如下特中心，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)具有如

50、下特點(diǎn)：點(diǎn)： 具有自適應(yīng)功能。具有自適應(yīng)功能。 保證節(jié)點(diǎn)的能量優(yōu)化。保證節(jié)點(diǎn)的能量優(yōu)化。 采用模塊化設(shè)計(jì)。采用模塊化設(shè)計(jì)。 面向具體應(yīng)用。面向具體應(yīng)用。 具有維護(hù)和升級(jí)功能。具有維護(hù)和升級(jí)功能。2 2、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)的基本內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)的基本內(nèi)容主要包括以下三個(gè)方面的環(huán)節(jié)：主要包括以下三個(gè)方面的環(huán)節(jié)： 傳感器應(yīng)用。傳感器應(yīng)用。 節(jié)點(diǎn)應(yīng)用。節(jié)點(diǎn)應(yīng)用。 這種應(yīng)用包含針對(duì)專門應(yīng)用的任這種應(yīng)用包含針對(duì)專門應(yīng)用的任 務(wù)和用于建務(wù)和用于建 立與維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的中間件功能，它涉及到操作系統(tǒng)、立與維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的中間件功能，它涉及到操作系統(tǒng)、傳感驅(qū)動(dòng)和中間件管理三部分。傳感驅(qū)動(dòng)和中間件管理三部分。 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

51、 這種應(yīng)用的設(shè)計(jì)內(nèi)容描述了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的任這種應(yīng)用的設(shè)計(jì)內(nèi)容描述了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的任務(wù)和所需要的服務(wù)，為用戶提供操作界面，管理務(wù)和所需要的服務(wù)，為用戶提供操作界面，管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)并評(píng)估運(yùn)行效果。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)并評(píng)估運(yùn)行效果。算 法模 塊服 務(wù)虛 擬 機(jī)中 間 件 管 理操 作 系 統(tǒng)傳 感 驅(qū) 動(dòng)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 端 傳 感 器 網(wǎng) 絡(luò) 應(yīng) 用分 布 式 中 間 件 系 統(tǒng)傳 感 器 硬 件節(jié) 點(diǎn)節(jié) 點(diǎn)節(jié) 點(diǎn)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用框架的組件節(jié)點(diǎn)應(yīng)用框架的組件網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架的組件網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架的組件3 3、傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件編程模式、

52、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)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(jì)。通用軟件的編程模式并不的編程框架來指導(dǎo)具體的程序設(shè)計(jì)。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(jì)適合于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(jì)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程模式. .（1 1）抽象域編程）抽象域編程（2 2）以對(duì)象為中心的編程）以對(duì)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

53、編程模式5.3.3 5.3.3 后臺(tái)管理軟件后臺(tái)管理軟件1 1、結(jié)構(gòu)與組成、結(jié)構(gòu)與組成 可視化的后臺(tái)管理軟件是傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成可視化的后臺(tái)管理軟件是傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是獲取和分析傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的重要工具。傳感器網(wǎng)絡(luò)部分，是獲取和分析傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的重要工具。傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析與管理是應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析和管理的分析與管理是應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析和管理需要一個(gè)后臺(tái)系統(tǒng)來支持。需要一個(gè)后臺(tái)系統(tǒng)來支持。 通常傳感器網(wǎng)絡(luò)在采集探測(cè)數(shù)據(jù)后，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)通常傳感器網(wǎng)絡(luò)在采集探測(cè)數(shù)據(jù)后，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給后臺(tái)管理軟件。后臺(tái)管理軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處傳輸給后臺(tái)管理軟件。后臺(tái)管理軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲(chǔ)，得到傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)管理信息和目標(biāo)探測(cè)信息。理和存儲(chǔ)，得到傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)管理信息和目標(biāo)探測(cè)信息。后臺(tái)管理軟件可以提供多種形式的用戶接口，包括拓?fù)錁洹⒐?jié)后臺(tái)管理軟件可