第5章傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)

第5章傳感器網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)的應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)《無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)》1共七十四頁傳感器網(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平臺(píngtái)和工程測試床、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件開發(fā)、操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)等內(nèi)容。2共七十四頁5.1仿真平臺和工程(gōngchéng)測試床5.1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)的仿真技術(shù)概述1、網(wǎng)絡(luò)研究與設(shè)計方法通常計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計方法包括分析方法、實驗方法和模擬方法。分析方法是對所研究對象和所依存的網(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)，對研究對象和系統(tǒng)進(jìn)行描述，抽象出研究對象的數(shù)學(xué)分析模型。實驗方法的主要內(nèi)容是建立測試床和實驗室。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)的運(yùn)行效果。3共七十四頁2、網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)仿真的應(yīng)用意義從應(yīng)用的角度來看，網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)具有以下特點：（1）全新的模擬實驗機(jī)理，使得這項技術(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。（2）使用(shǐyòng)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，而且特別適用于大中型規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和優(yōu)化。（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。4共七十四頁網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)仿真的軟件體系結(jié)構(gòu)5共七十四頁3、傳感器網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)仿真的特點①分布(fēnbù)性②動態(tài)性③綜合性6共七十四頁5.1.2常用網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)仿真軟件平臺1、TOSSIM(1)簡介TinyOS是為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(jiédiǎn)而設(shè)計的一個事件驅(qū)動的操作系統(tǒng)，由加州大學(xué)的伯利克分校開發(fā)，采用nesC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，能夠快速實現(xiàn)各種應(yīng)用。TOSSIM是TinyOS自帶的仿真工具，可以同時模擬傳感器網(wǎng)絡(luò)的多個節(jié)點運(yùn)行同一個程序，提供運(yùn)行時的調(diào)試和配置功能。由于TOSSIM仿真程序直接編譯來自實際運(yùn)行于硬件環(huán)境的代碼，因而可以用來調(diào)試最后實際真正運(yùn)行的程序代碼。7共七十四頁

在PC機(jī)上安裝好TinyOS之后，可以按照如下關(guān)鍵步驟打開TinyViz界面：1)CD到應(yīng)用(yìngyòng)的目錄2)$makepc3)若Tinyviz還沒有make,則：①cdtools/java/net/tinyos/sim/tinyviz②make4)將tinyviz拷貝到應(yīng)用目錄5)$DBG=sim6)$./tinyviz–runbuild/pc/main.exe10如果輸入makemica2命令，表示建立mica2目錄，可以編譯生成mote上的exe、srec和ihex文件。(2)TOSSIM模擬器運(yùn)行(yùnxíng)TinyOS程序8共七十四頁例如我們希望(xīwàng)針對TinyOS自帶的Blink應(yīng)用程序，模擬編譯出可以在TOSSIM模擬器上運(yùn)行的程序，主要是在應(yīng)用程序目錄下運(yùn)行“makepc"命令，就可以把源代碼編譯在TOSSIM模擬器上運(yùn)行Blink應(yīng)用程序。Blink應(yīng)用程序可以在mote硬件節(jié)點上以頻率1Hz讓LED紅燈顯示。如果執(zhí)行命令：$./tinyviz–runbuild/pc/main.exe30，會出現(xiàn)圖所示的界面。9共七十四頁在TOSSIM模擬器運(yùn)行Blink應(yīng)用程序，可按以下步驟(bùzhòu)操作：cdapp/Blinkmakepc10共七十四頁(3)使用(shǐyòng)gdb調(diào)試程序TOSSIM的一個顯著優(yōu)點就是它可以運(yùn)行在PC機(jī)上，這樣可以運(yùn)用傳統(tǒng)的調(diào)試工具來調(diào)試nesC程序。使用gdb進(jìn)行調(diào)試與采用傳統(tǒng)的調(diào)試方法大致相同，只是使用命令(mìnglìng)(如在命令處設(shè)斷點)時必須按照上面的規(guī)則。11共七十四頁2、OMNeT++OMNeT++是ObjectiveModularNetworkTestbed的簡寫，也被稱作離散事件模擬系統(tǒng)(DiscreteEventSimulationSystem，DESS)。它是一種面向?qū)ο蟮摹㈦x散事件建模仿真器，屬于(shǔyú)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NED語言來完成。12共七十四頁3、MatlabMatlab是矩陣實驗室（MatrixLaboratory）的意思。它除了具備卓越的數(shù)值計算能力外，還提供專業(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，也可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真，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(suànfǎ)的性能。在Matlab軟件工具中，典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序如WiSNAP。這是一個針對無線圖像傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的基于Matlab的應(yīng)用開發(fā)平臺。13共七十四頁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)品主要針對三類客戶，分成四個系列。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)。它的四個系列產(chǎn)品核心包括：

①OPNETModeler：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，可以幫助他們設(shè)計和分析網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議。

②ITGuru?：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(xìngnéng)、診斷問題、查找影響系統(tǒng)性能(xìngnéng)的瓶頸、提出并驗證解決方案。

③ServiceProviderGuru：面向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商的智能化網(wǎng)絡(luò)管理軟件。

④WDMGuru：用于波分復(fù)用光纖網(wǎng)絡(luò)的分析、評測。14共七十四頁Modeler提供多種業(yè)務(wù)模擬方式，具有豐富的收集分析統(tǒng)計量，查看動畫和調(diào)試等功能。它可以直接收集常用的各個網(wǎng)絡(luò)層次的性能統(tǒng)計參數(shù)，能夠方便地編制和輸出仿真結(jié)果(jiēguǒ)的報告。15共七十四頁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)仿真開發(fā)和應(yīng)用平臺之一。它曾被一些機(jī)構(gòu)評選為“世界級網(wǎng)絡(luò)仿真軟件”第一名,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(yùnxíng)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)仿真產(chǎn)品，價格十分昂貴。16共七十四頁5、NSNS(NetworkSimulator)是一種針對網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)技術(shù)的源代碼公開的、免費(fèi)的軟件模擬平臺，研究人員使用它可以很容易地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)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)(wǎngluò)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)(wǎngluò)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)論文中，利用NS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)術(shù)界所普遍認(rèn)可的。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)展到第二個版本，即NS2（NetworkSimulator,version2）。17共七十四頁5.1.3仿真平臺的選擇(xuǎnzé)和設(shè)計1、仿真(fǎnɡzhēn)平臺的選擇現(xiàn)有的仿真平臺種類較多、功能各異，每個仿真軟件平臺的側(cè)重點也不同。仿真平臺所采用的設(shè)計方法也不一樣，例如面向?qū)ο笤O(shè)計和面向組件設(shè)計等，也會影響仿真平臺的執(zhí)行效率、速度、擴(kuò)展性、重用性和易用性等。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。18共七十四頁2、仿真平臺的自主(zìzhǔ)設(shè)計如果開發(fā)者決定(juédìng)構(gòu)建一個自己的傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真工具，首先需要決定(juédìng)是在現(xiàn)有仿真平臺上開發(fā)還是單獨(dú)構(gòu)建。如果開發(fā)時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)有仿真平臺上做開發(fā)。如果有足夠的開發(fā)時間，以及開發(fā)者感覺自己的設(shè)計思路比現(xiàn)有工具在仿真規(guī)模、執(zhí)行速度、特點等方面優(yōu)越，那么從頭開始創(chuàng)建一個仿真工具是最有效的。19共七十四頁5.1.4傳感器網(wǎng)絡(luò)工程測試(cèshì)床在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，仿真是一個重要的研究手段。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、網(wǎng)絡(luò)和無線通信等運(yùn)行的詳細(xì)信息，只有實際的測試床(Testbed)才能夠捕獲到這些信息。雖然在驗證大型傳感器網(wǎng)絡(luò)方面有一些有效的仿真工具(gōngjù)，但只有通過對實際的傳感器網(wǎng)絡(luò)測試床的使用，才能真正理解資源的限制、通信損失及能源限制等問題。通過測試床可以對無線傳感器網(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)用變得相對容易。20共七十四頁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(jīyú)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。21共七十四頁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(shìyàn)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。22共七十四頁

SensoNet工程測試床的場景(chǎngjǐng)和部分實物23共七十四頁5.2網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)節(jié)點的硬件開發(fā)5.2.1硬件(yìnɡjiàn)開發(fā)概述1、硬件系統(tǒng)的設(shè)計特點和要求設(shè)計傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點需從以下方面考慮：(1)微型化(2)擴(kuò)展性和靈活性(3)穩(wěn)定性和安全性(4)低成本(5)低功耗24共七十四頁2、硬件(yìnɡjiàn)系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的主要內(nèi)容在于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。傳感器節(jié)點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、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(dòngzuò)。其他外圍模塊包括看門狗電路、電池電量檢測模塊等，也是傳感器節(jié)點不可缺少的組成部分。25共七十四頁5.2.2傳感器節(jié)點(jiédiǎn)的模塊化設(shè)計1、數(shù)據(jù)處理模塊(mókuài)對于數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計，主要考慮如下五個方面的問題：(1)節(jié)能設(shè)計(2)處理速度的選擇(3)低成本(4)小體積(5)安全性26共七十四頁各種常見的微控制器性能(xìngnéng)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/A60527共七十四頁2、換能器模塊(mókuài)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，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(bìxū)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。類似的，許多執(zhí)行器的輸出也是模擬的，因此也必須進(jìn)行數(shù)/模轉(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。28共七十四頁3、無線通信模塊(mókuài)無線通信模塊(mókuài)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(mókuài)，是傳感器節(jié)點的設(shè)計重點。傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的無線通信技術(shù)通常包括IEEE802.11b、IEEE802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID和IrDA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ISM免費(fèi)頻段。29共七十四頁傳感器網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)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1~930共七十四頁常用(chánɡyònɡ)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~QPSKnRF905433~91510012.5-10010GFSKnRF24012400100015-8520~0GFSK9Xstream902~92820140-11016~20FHSS31共七十四頁目前市場上支持ZigBee協(xié)議的芯片(xīnpiàn)制造商有Chipcon公司和Freescale半導(dǎo)體公司。Chipcon公司的CC2420芯片應(yīng)用較多，該公司還提供ZigBee協(xié)議的完整開發(fā)套件。Freescale半導(dǎo)體公司提供ZigBee的2.4GHz無線傳輸芯片包括MC13191、MC13192、MC13193，該公司也提供配套的開發(fā)套件。32共七十四頁在無線射頻電路設(shè)計中，主要(zhǔyào)考慮以下三個問題：①天線(tiānxiàn)設(shè)計天線的設(shè)計指標(biāo)有很多種，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用的是ISM/SRD免證使用頻段，主要從天線增益、天線效率和電壓駐波比三個指標(biāo)來衡量天線的性能。天線增益是指天線在能量發(fā)射最大方向上的增益，當(dāng)以各向同性為增益基準(zhǔn)時，單位為dBi；如果以偶極子天線的發(fā)射為基準(zhǔn)時，單位為dBd。天線的增益越高，通信距離就越遠(yuǎn)。33共七十四頁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，其中自身消耗的能量是以熱的形式散發(fā)(sànfā)。天線電壓駐波比主要用來衡量傳輸線與天線之間阻抗失配的程度。當(dāng)天線電壓駐波比值越高，表示阻抗失配程度越高，則信號能量損耗越大。34共七十四頁②阻抗匹配(zǔkànɡpǐpèi)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。如果匹配不好，很多能量會被天線反射(fǎnshè)回射頻放大電路，不僅降低了發(fā)射效率，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致節(jié)點的電路發(fā)熱，縮短節(jié)點壽命。由于傳感器節(jié)點通常使用較高的工作頻率，因而必須考慮導(dǎo)線和PCB基板的材質(zhì)、PCB走線、器件的分布參數(shù)等諸多可能造成失配的因素。35共七十四頁③電磁兼容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(xiébō)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。36共七十四頁4、電源模塊設(shè)計(shèjì)電池供電是目前最常見的傳感器節(jié)點供電方式。按照(ànzhào)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。一般不可充電電池比可充電電池能量密度高，如果沒有能量補(bǔ)充來源，則應(yīng)選擇不可充電電池。在可充電電池中，鋰電池和鋰聚合物電池的能量密度最高，但是成本比較高；鎳錳電池和鋰聚合物電池是唯一沒有毒性的可充電電池。37共七十四頁常見(chánɡjiàn)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)30301588202538共七十四頁原電池是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，它以其成本低廉、能量密度高、標(biāo)準(zhǔn)化程度好、易于購買等特點而備受青睞。例如，我們?nèi)粘?rìcháng)使用的AA電池(即通常所說的5號電池，尺寸為直徑14mm/高度49mm)、AAA電池(即通常所說的7號電池，尺寸為直徑11mm/高度44mm)。39共七十四頁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，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。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間和在低負(fù)載條件(tiáojiàn)下的服務(wù)壽命。盡管有這些缺點，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，這在要求峰值電流較高的應(yīng)用中有用途。40共七十四頁4、外圍模塊(mókuài)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。看門狗(WatchDog)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)或者程序跑飛。傳感器節(jié)點工作環(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。由于電池壽命有限，為了避免節(jié)點工作中發(fā)生突然斷電的情況，當(dāng)電池電量將要(jiāngyào)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。41共七十四頁5.2.3傳感器節(jié)點(jiédiǎn)的開發(fā)實例1、Mica系列(xìliè)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。Crossbow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)用途的公司，現(xiàn)在給一些財富百強(qiáng)企業(yè)提供服務(wù)和智能微塵產(chǎn)品。MicaProcessor/Radioboards（MPR）即所謂的Mica智能卡板組成硬件平臺，它們由電池供能，傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊與MPR集成在一起。42共七十四頁Mica系列(xìliè)節(jié)點的組網(wǎng)示意圖43共七十四頁MICA2系列(xìliè)MPR4x0(左上)和MICA2DOT系列MPR5x0(右下)的實物44共七十四頁MICAz系列(xìliè)MPR2400的實物45共七十四頁多傳感器模塊(mókuài)MTS300/310（左）和MTS510（右）的實物46共七十四頁串行網(wǎng)關(guān)MIB510的實物(shíwù)47共七十四頁Stargate網(wǎng)關(guān)SPB400的實物(shíwù)48共七十四頁2、Mica系列(xìliè)處理器/射頻板①先進(jìn)的RISC架構(gòu)。②內(nèi)部有128KB的在線可重復(fù)編程Flash、4KB的EEPROM和SRAM。③有53個I/O引腳。④內(nèi)部有2個8位定時器/計數(shù)器和2個具有比較/捕捉寄存器的16位定時器/計數(shù)器。⑤功耗低。⑥帶JTAG接口，便于調(diào)試。⑦電源電壓為2.7～5.5V，動態(tài)范圍較大，能夠(nénggòu)適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。(1)微處理器電路Mica系列產(chǎn)品的處理器均采用Atmel公司的ATmegal28L：49共七十四頁(2)射頻(shèpín)板

Mica節(jié)點的無線通信射頻芯片(xīnpiàn)均采用Chipcon公司的CCXXXX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。例如MICAz節(jié)點采用了CC2420通信芯片。50共七十四頁3、Mica系列(xìliè)傳感器板Mica系列傳感器板是較早實現(xiàn)商用的無線傳感器節(jié)點部件，它的電路原理圖設(shè)計是公開(gōngkāi)的。(1)傳感器電源供電電路(2)溫濕度和照度檢測電路(3)磁性傳感器電路51共七十四頁4、編程調(diào)試(diàoshì)接口板Mica系列節(jié)點在很大程度上是作為教學(xué)和研究試驗使用(shǐyòng)的，人們通過在由多個Mica節(jié)點組成的實驗床驗證自己的算法和體驗多跳自組網(wǎng)的特性。為了方便開發(fā)，Crossbow公司開發(fā)了一系列的編程調(diào)試工具，比較常見的是MIB510和MIB600接口板。MIB510的連線和節(jié)點的裝配52共七十四頁5.3操作系統(tǒng)(cāozuòxìtǒnɡ)和軟件開發(fā)5.3.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(jiédiǎn)操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是指用于執(zhí)行獨(dú)立功能的專用計算機(jī)系統(tǒng)。它由微處理器、定時器、微控制器、存儲器、傳感器等一系列微電子芯片與器件，以及嵌入在存儲器中的微型操作系統(tǒng)、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)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，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)更為方便。1、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點操作系統(tǒng)的設(shè)計要求53共七十四頁傳統(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)對硬件資源有較高的要求，傳感器節(jié)點的有限資源很難滿足這些要求。通常設(shè)計(shèjì)操作系統(tǒng)時需要滿足如下要求：①代碼(dàimǎ)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。②必須能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓?fù)涓叨葎討B(tài)變化的應(yīng)用環(huán)境。③對監(jiān)測環(huán)境發(fā)生的事件能快速響應(yīng)。④能快速切換并執(zhí)行頻繁發(fā)生的多個并發(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。54共七十四頁2、TinyOS操作系統(tǒng)(cāozuòxìtǒnɡ)介紹TinyOS是一個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)絡(luò)方面。它是基于一種組件（Component-Based）的架構(gòu)(jiàɡòu)方式，能夠快速實現(xiàn)各種應(yīng)用。TinyOS程序采用的是模塊化設(shè)計，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400Bytes左右。55共七十四頁TinyOS軟件包是開放源代碼的，用戶可以從網(wǎng)站http：//下載。如果在Windows2000/XP上安裝，可下載tinyos-1.1.0-lis.exe，按照提示(tíshì)逐步執(zhí)行，就能自動完成安裝，然后在Cygwin環(huán)境下操作命令。Cygwin是一個在windows平臺上運(yùn)行的Linux模擬環(huán)境，是cygnussolutions公司開發(fā)的自由軟件。如果要檢測tinyos的環(huán)境是否搭建好，可以運(yùn)行tos-check-env命令：$tos-check-env系統(tǒng)會檢測各個程序是否正常，如果最后出現(xiàn)正確的提示，則表明PC機(jī)上的TinyOS操作系統(tǒng)已經(jīng)可以使用了。（1）TinyOS的安裝(ānzhuāng)56共七十四頁(2)創(chuàng)建應(yīng)用程序在安裝TinyOS后，可以在apps目錄下創(chuàng)建應(yīng)用程序目錄，用來存放應(yīng)用程序文件。例如，Blink程序包含Blink和BlinkM兩個組件(zǔjiàn)，Blink組件包含在B1ink.nc文件中，而BlinkM組件包含在BlinkM.nc文件中。這些文件可以用任何文本編輯軟件來創(chuàng)建。57共七十四頁①采用基于組件的體系結(jié)構(gòu)，這種體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)(yǐjing)被廣泛應(yīng)用在嵌入式操作系統(tǒng)。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)和基于先進(jìn)先出(FirstInFirstOut，F(xiàn)IFO)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，這種方式已經(jīng)廣泛用于分布式并行計算。(3)TinyOS的特點(tèdiǎn)58共七十四頁(4)TinyOS的應(yīng)用程序示例1）Blink程序的配件(pèijiàn)2）BlinkM模塊3）ncc編譯nesC程序4）應(yīng)用程序?qū)牍?jié)點59共七十四頁5.3.2軟件開發(fā)1、傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)的特點(tèdiǎn)和要求通常傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件運(yùn)行采用(cǎiyòng)分層結(jié)構(gòu)60共七十四頁傳感器網(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(gōngnéng)。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。61共七十四頁2、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)(kāifā)的基本內(nèi)容主要包括以下三個方面的環(huán)節(jié)：①傳感器應(yīng)用。②節(jié)點應(yīng)用。這種應(yīng)用包含針對專門應(yīng)用的任務(wù)和用于建立與維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的中間件功能，它涉及(shèjí)到操作系統(tǒng)、傳感驅(qū)動和中間件管理三部分。③網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。這種應(yīng)用的設(shè)計內(nèi)容描述了整個網(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，管理整個網(wǎng)絡(luò)并評估運(yùn)行效果。62共七十四頁節(jié)點(jiédiǎn)應(yīng)用框架的組件網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用框架(kuànɡjià)的組件63共七十四頁3、傳感器網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)的軟件編程模式傳感器網(wǎng)絡(luò)(wǎngluò)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)(wǎngluò)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)(wǎngluò)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64共七十四頁5.3.3后臺(hòutái)管理軟件1、結(jié)構(gòu)(jiégòu)與組成可視化的后臺管理軟件是傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個重要組成部分，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)的分析與管理是應(yīng)用的重點和難點，傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析和管理需要一個后臺系統(tǒng)來支持。通常傳感器網(wǎng)絡(luò)在采集探測數(shù)據(jù)后，通過傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給后臺管理軟件。后臺管理軟件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲，得到傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)管理信息和目標(biāo)探測信息。后臺管理軟件可以提供多種形式的用戶接口，