戰場感知的網絡架構

常見的地面戰場微型傳感器

美軍沙地直線傳感器網絡項目介紹第7章傳感器網絡技術的軍事應用

無線傳感器網絡簡明教程

（第2版）崔遜學左從菊編著第五章傳感器網絡的應用開發基礎本章內容5.1

仿真平臺和工程測試床5.1.1傳感器網絡的仿真技術概述5.1.2常用網絡仿真軟件平臺5.1.3仿真平臺的選擇和設計5.1.4傳感器網絡工程測試床5.2網絡結點的硬件開發5.2.1硬件開發概述5.2.2傳感器結點的模塊化設計5.2.3傳感器結點的開發示例本章內容5.3操作系統和軟件開發5.3.1網絡結點操作系統5.3.2軟件開發5.3.3后臺管理軟件5.1仿真平臺和工作測試床1、網絡研究與設計的三種方法1對所研究對象和所依存的網絡系統進行分析，抽象出數學分析模型。2主要內容是建立測試床和實驗室。3應用網絡模擬軟件來仿真網絡系統的運行效果。分析方法實驗方法模擬方法5.1.1

戰場器網絡的仿真技術概述1全新的模擬實驗機理，在高度復雜的網絡環境得到高可信度結果的特點。2使用范圍廣，既可以用于現有網絡的優化和擴容，也可以用于新網絡的設計。3初期應用成本不高，而且建好的網絡模型可以延續使用，后期投資還會不斷下降。可信度高使用范圍廣成本低2、網絡仿真的應用意義5.1.1

戰場器網絡的仿真技術概述網絡仿真的軟件體系結構5.1.1

戰場器網絡的仿真技術概述仿真特點綜合性分布性動態性5.1.1

戰場器網絡的仿真技術概述1、TOSSIMTinyOS是為傳感器網絡節點而設計一個操作系統。它能夠快速實現各種應用。TOSSIM是TinyOS自帶的仿真工具，提供運行時的調試和配置功能。5.1.2

常用網絡仿真軟件平臺2、OMNeT++OMNeT++被稱作離散事件模擬系統(DiscreteEventSimulationSystem，DESS)。它是一種面向對象的離散事件建模仿真器。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

常用網絡仿真軟件平臺3、MatlabMatlab是指矩陣實驗室（MatrixLaboratory）。它具備卓越的數值計算能力，提供專業水平的符號計算、文字處理、可視化建模仿真和實時控制等功能。5.1.2

常用網絡仿真軟件平臺4、OPNETOPNET是MIL3公司開發的網絡仿真軟件產品。這是一種優秀的圖形化、支持面向對象建模的大型網絡仿真軟件。OPNET的產品主要針對網絡服務提供商、網絡設備制造商和一般企業三類客戶。

5.1.2

常用網絡仿真軟件平臺OPNETWDMGuruServiceProviderGuru

OPNETModeler

ITGuru?為技術人員提供一個網絡技術和產品開發平臺。面向網絡服務提供商的智能化網絡管理軟件。幫助網絡專業人士預測和分析網絡和網絡應用的性能、診斷問題。用于波分復用光纖網絡的分析、評測它的四個系列產品核心包括：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計2、仿真平臺的自主設計開發者構建一個自己的傳感器網絡仿真工具：如果開發時間有限且只有一些特性在現有工具中沒有，那么最好是在現有仿真平臺上做開發。如果有足夠的開發時間，那么從頭開始創建一個仿真工具是最有效的。5.1.3

仿真平臺的選擇和設計Motelab是哈佛大學開發的一個開放的無線傳感器網絡實驗環境，是基于Web的無線傳感器網絡測試床。它包括一組長期部署的傳感器網絡節點，以及一個中心服務器。5.1.3

仿真平臺的選擇和設計SensoNet是美國亞特蘭大市喬治亞州技術學院電子與計算機工程學校寬帶＆無線網絡實驗室研制的傳感器網絡試驗床。SensoNet試驗床是由三部分組成：核心網、核心接入網和傳感器現場。5.1.3

仿真平臺的選擇和設計

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計5.2

網絡節點的硬件開發1、硬件系統的設計特點和要求微型化擴展性和靈活性穩定性和安全性低成本低功耗硬件節點5.2.1硬件開發概述

2、硬件系統的設計內容傳感器節點主要由數據處理模塊、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行器，用于感知數據和執行各種控制動作。5.2.1硬件開發概述

1、數據處理模塊設計要考慮的五個方面的問題：節能設計處理速度的選擇低成本小體積安全性硬件節點5.2.2傳感器節點的模塊化設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傳感器節點的模塊化設計2、換能器模塊所謂換能器(transducer)是指將一種物理能量變為另一種物理能量的器件，包括傳感器和執行器兩種類型。大部分傳感器的輸出是模擬信號，因此必須進行模/數轉換。在網絡節點中配置模/數和數/模轉換器(ADC和DAC)，能夠降低系統的整體成本，尤其是在節點有多個傳感器且可共享一個轉換器的時候。5.2.2傳感器節點的模塊化設計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主要包括無線電、空氣、紅外、激光和超聲波等。它是傳感器節點中最主要的耗能模塊，是傳感器節點的設計重點。

5.2.2傳感器節點的模塊化設計傳感器網絡的常用無線通信技術無線技術頻率距離/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表示數字1~95.2.2傳感器節點的模塊化設計常用短距離無線芯片的主要參數芯片/參數頻段/MHZ速率/kbps電流/mA靈敏度/dBm功率/dBm調制方式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傳感器節點的模塊化設計在無線射頻電路設計中，主要考慮以下三個問題：天線增益是指天線在能量發射最大方向上的增益，天線的增益越高，通信距離就越遠。天線設計1天線效率是指天線以電磁波的形式發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傳感器節點的模塊化設計射頻放大輸出部分與天線之間的阻抗匹配情況，直接關系到功率的利用效率。由于傳感器節點使用較高的工作頻率，因而必須考慮導線、PCB走線、器件的分布參數等可能造成失配的因素。阻抗匹配25.2.2傳感器節點的模塊化設計電磁兼容問題容易導致微處理器和無線接收器出現不正常的工作狀況。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點內部的各個部位，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，因此如果信號或強信號的高次諧波分量落在接收電路的通帶范圍內，就可能造成誤碼和阻塞等問題。電磁兼容35.2.2傳感器節點的模塊化設計電池供電是目前最常見的傳感器節點供電方式。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。

電源模塊設計45.2.2傳感器節點的模塊化設計常見電池的性能參數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循環壽命/次3005008001000100011工作溫度/℃-20~6020~6020~600~600~60-20~6020~60記憶效應無有小很小無無無內阻/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傳感器節點的模塊化設計傳感器網絡節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點。外圍模塊設計55.2.2傳感器節點的模塊化設計1、Mica系列節點Mica系列節點是由U.C.Berkeley大學研制，Crossbow公司生產的無線傳感器節點。5.2.3傳感器節點的開發實例MICAz系列MPR2400的實物5.2.3傳感器節點的開發實例多傳感器模塊MTS300/310MTS510實物串行網關MIB510Stargate網關SPB400Mica系列產品的處理器均采用Atmel公司的ATmegal28L：Mica節點的無線通信射頻芯片均采用Chipcon公司的CCXXXX系列射頻產品。Mica系列傳感器板5.2.3傳感器節點的開發實例5.3

操作系統和軟件開發嵌入式系統是指用于執行獨立功能的專用計算機系統。傳感器網絡節點的操作系統是運行在每個傳感器節點上的基礎核心軟件。1、網絡節點操作系統的設計要求5.3.1網絡節點操作系統通常設計操作系統時需要滿足如下要求：①代碼量小，復雜度低，盡可能降低系統的能耗。②能夠適應變化的應用環境。③能快速響應。④能快速切換并執行多個并發任務。⑤能夠使多個節點高效地協作完成監測任務。⑥提供方便的編程方法。⑦能實現對節點在線動態重新編程。5.3.1網絡節點操作系統2、TinyOS操作系統介紹5.3.1網絡節點操作系統①采用基于組件的體系結構。②采用事件驅動機制，能夠適用于節點眾多、并發操作頻繁發生的無線傳感器網絡應用。③采用輕量級線程技術和先進先出的任務隊列調度方法。④采用基于事件驅動模式的主動消息通信方式。1、傳感器網絡軟件開發的特點和要求通常傳感器網絡的軟件運行采用分層結構5.3.2軟件開發傳感器網絡因資源受限、動態性強和以數據中心，網絡節點的軟件系統開發設計具有如下特點：①具有自適應功能。②保證節點的能量優化。③采用模塊化設計。④面向具體應用。⑤具有維護和升級功能。5.3.2軟件開發節點應用框架的組件網絡應用框架的組件5.3.2軟件開發3、傳感器網絡的軟件編程模式傳感器網絡的軟件開發需要采取一定的編程模式，運用適當的編程框架來指導具體的程序設計。通用軟件的編程模式并不完全適合于傳感器網絡的軟件開發，為此需要考慮設計適合于傳感器網絡開發特征的編程模式，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）以狀態為中心的編程模式5.3.2軟件開發后臺管理軟件通常由數據庫、數據處理引擎、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

數據庫用于存儲所有數據，主要涉及網絡管理信息和傳感器探測數據信息兩種，包括傳感器網絡的配置信息、節點屬性、探測數據和網絡運行的一些信息等。

數據處理引擎負責傳輸網絡和后臺管理軟件之間的數據交換、分析和處理，將數據存儲到數據庫。另外它還負責從數據庫中讀取數據