第5章傳感器網絡應用開發基礎1傳感器網絡的應用開發基礎技術是傳感器網絡完成應用功能的關鍵，這里主要介紹它的仿真平臺和工程測試床、網絡節點的硬件開發、操作系統和軟件開發等內容。25.1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1、網絡研究與設計方法通常計算機網絡的研究與設計方法包括分析方法、實驗方法和模擬方法。

分析方法：對研究對象和所依存的網絡系統進行初步分析，根據限定條件和假設，對研究對象和系統進行描述，抽象出研究對象的數學分析模型。

實驗方法：建立測試床和實驗室。

模擬方法：應用模擬軟件來仿真網絡系統的運行效果。32、網絡仿真的應用意義（1）全新的模擬實驗機理，使得這項技術具有在高度復雜的網絡環境下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，而且特別適用于大中型規模網絡的設計和優化。（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。4網絡仿真的軟件體系結構53、傳感器網絡仿真的特點①分布性②動態性③綜合性65.1.2常用網絡仿真軟件平臺1、TOSSIM

TinyOS是為傳感器網絡節點而設計的一個事件驅動的操作系統，由加州大學的伯利克分校開發，采用nesC編程語言。主要應用于無線傳感器網絡領域，采用基于一種組件的架構方式，能夠快速實現各種應用。7TOSSIM是TinyOS自帶的仿真工具，可以同時模擬傳感器網絡的多個節點運行同一個程序，提供運行時的調試和配置功能。由于TOSSIM仿真程序直接編譯來自實際運行于硬件環境的代碼，因而可以用來調試最后實際真正運行的程序代碼82、Matlab

Matlab除具備卓越的數值計算能力外，還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;也可以進行網絡仿真，用于模擬傳感器網絡的運行情況和某些應用算法的性能。92、Matlab

Matlab軟件工具中，典型的無線傳感器網絡應用程序如WiSNAP。這是一個針對無線圖像傳感器網絡而設計的基于Matlab的應用開發平臺。103、NS

NS(NetworkSimulator)是一種針對網絡技術的源代碼公開的、免費的軟件模擬平臺，使用它可以很容易地進行網絡技術的開發。目前它所包含的模塊內容已經非常豐富，幾乎涉及到網絡技術的所有方面，成為了目前學術界廣泛使用的一種網絡模擬軟件。113、NS網絡技術的學術論文中，利用NS給出模擬結果的文章最多，通過這種方法得出的研究結果也是被學術界所普遍認可的。NS也可作為一種輔助教學的工具，廣泛應用在網絡技術的教學方面。目前這種網絡仿真軟件工具已經發展到第二個版本，即NS2。125.1.3仿真平臺的選擇和設計1、仿真平臺的選擇仿真平臺種類較多、功能各異，側重點也不同。采用的設計方法也不一樣，仿真平臺的執行效率、速度、擴展性、重用性和易用性等有所差異。各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。需要綜合考慮各個因素，尋找一個平衡點以獲得最佳的仿真效果。132、仿真平臺的自主設計

開發者需要決定是在現有仿真平臺上開發還是單獨構建。如果開發時間有限并且只有一些需要用到的特定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，以及自己的設計思路比現有工具在仿真規模、執行速度、特點等方面優越，那么創建一個仿真工具是有效的。145.1.4傳感器網絡工程測試床傳感器網絡中，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，并不能獲取節點、網絡和無線通信等運行的詳細信息，只有實際的測試床(Testbed)才能夠捕獲到這些信息。15雖然在驗證大型傳感器網絡方面有一些有效的仿真工具，但只有通過對實際的傳感器網絡測試床的使用，才能真正理解資源的限制、通信損失及能源限制等問題。測試床可以對無線傳感器網絡的許多問題進行研究，簡化系統部署、調試等步驟，使得無線傳感器網絡的研究和應用變得相對容易。16

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。1718

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。1920

SensoNet工程測試床的場景和部分實物215.2網絡節點的硬件開發5.2.1硬件開發概述1、硬件系統的設計特點和要求(1)微型化(2)擴展性和靈活性(3)穩定性和安全性(4)低成本(5)低功耗222、硬件系統的設計內容

主要內容：傳感器網絡節點傳感器節點的基本硬件模塊組成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。其他外圍模塊包括看門狗電路、電池電量檢測模塊等，也是傳感器節點不可缺少的組成部分。23245.2.2傳感器節點的模塊化設計1、數據處理模塊對于數據處理模塊的設計，主要考慮如下五個方面的問題：(1)節能設計(2)處理速度的選擇(3)低成本(4)小體積(5)安全性25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/A605262、換能器模塊

功能：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。

傳感器輸出是模擬信號，通常傳感器網絡傳輸數字信號，須進行模/數轉換，同樣輸出也進行數/模轉換。在網絡節點中配置ADC和DAC，能降低系統的成本，尤其是在節點有多個傳感器且可共享一個轉換器。273、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。傳感器網絡應用的無線通信技術通常包括IEEE802.11b、IEEE802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID和IrDA等，還有很多芯片雙方通信的協議由用戶自己定義，這些芯片一般工作在ISM免費頻段。28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1~929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~QPSKnRF905433~91510012.5-10010GFSKnRF24012400100015-8520~0GFSK9Xstream902~92820140-11016~20FHSS30

目前市場上支持ZigBee協議的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半導體公司。

Chipcon公司的CC2420芯片應用較多，該公司還提供ZigBee協議的完整開發套件。

Freescale半導體公司提供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套件。31無線射頻電路設計①天線設計

天線的設計指標有很多種，無線傳感器網絡節點使用的是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來衡量天線的性能。天線增益是指天線在能量發射最大方向上的增益，當以各向同性為增益基準時，單位為dBi；如果以偶極子天線的發射為基準時，單位為dBd。

天線的增益越高，通信距離就越遠。32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，其中自身消耗的能量是以熱的形式散發。

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。33②阻抗匹配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。如果匹配不好，很多能量會被天線反射回射頻放大電路，不僅降低了發射效率，嚴重時還會導致節點的電路發熱，縮短節點壽命。由于傳感器節點通常使用較高的工作頻率，因而必須考慮導線和PCB基板的材質、PCB走線、器件的分布參數等諸多可能造成失配的因素。34③電磁兼容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。354、電源模塊設計

電池供電是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。364、電源模塊設計

一般不可充電電池比可充電電池能量密度高，如果沒有能量補充來源，則應選擇不可充電電池。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)30301588202538原電池是把化學能轉變為電能的裝置，它以其成本低廉、能量密度高、標準化程度好、易于購買等特點而備受青睞。例如，我們日常使用的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)。394、外圍模塊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。看門狗(WatchDog)是一種增強系統魯棒性的重要措施，它能夠有效地防止系統進入死循環或者程序跑飛。傳感器節點工作環境復雜多變，可能由于干擾造成系統軟件的運行混亂。

由于電池壽命有限，為了避免節點工作中發生突然斷電的情況，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。405.2.3傳感器節點的開發實例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。Crossbow公司是第一家將智能微塵無線傳感器引入大規模商業用途的公司，現在給一些財富百強企業提供服務和智能微塵產品。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，傳感器和數據采集模塊與MPR集成在一起。41Mica系列節點的組網示意圖42MICA2系列MPR4x0(左上)和MICA2DOT系列MPR5x0(右下)的實物43

MICAz系列MPR2400的實物44多傳感器模塊MTS300/310（左）和MTS510（右）的實物45串行網關MIB510的實物46Stargate

網關SPB400的實物472、Mica系列處理器/射頻板①先進的RISC架構。②內部有128KB的在線可重復編程Flash、4KB的EEPROM和SRAM。③有53個I/O引腳。(1)微處理器電路Mica系列產品的處理器均采用Atmel公司的ATmegal28L：48④內部有2個8位定時器/計數器和2個具有比較/捕寄存器的16位定時器/計數器。⑤功耗低。⑥帶JTAG接口，便于調試。⑦電源電壓為2.7～5.5V，動態范圍較大，能夠適應惡劣的工作環境。49(2)射頻板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。該系列產品專門為低功耗、低速率無線傳感器應用開發的。例如MICAz節點采用CC2420通信芯片。503、Mica系列傳感器板Mica系列傳感器板是較早實現商用的無線傳感器節點部件，它的電路原理圖設計是公開的。(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514、編程調試接口板Mica系列節點在很大程度上是作為教學和研究試驗使用的，人們通過在由多個Mica節點組成的實驗床驗證自己的算法和體驗多跳自組網的特性。為了方便開發，Crossbow公司開發了一系列的編程調試工具，比較常見的是MIB510和MIB600接口板。MIB510的連線和節點的裝配525.3操作系統和軟件開發5.3.1網絡節點操作系統

嵌入式系統是指用于執行獨立功能的專用計算機系統。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、控制應用軟件組成。

嵌入式操作系統是一種支持嵌入式系統應用的操作系統軟件，它是嵌入式系統的重要組成部分。傳感器網絡節點作為一種典型的嵌入式系統，同樣需要操作系統來支撐它的運行。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，它能夠有效地管理硬件資源和任務的執行，并且使應用程序的開發更為方便。1、網絡節點操作系統的設計要求53傳統的嵌入式操作系統不能適用于傳感器網絡，這些操作系統對硬件資源有較高的要求，傳感器節點的有限資源很難滿足這些要求。通常設計操作系統時需要滿足如下要求：①代碼量必須盡可能小，復雜度盡可能低，從而盡可能降

低系統的能耗。②必須能夠適應網絡規模和拓撲高度動態變化的應用環境。③對監測環境發生的事件能快速響應。④能快速切換并執行頻繁發生的多個并發任務。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。542、TinyOS操作系統介紹

TinyOS是一個開源的嵌入式操作系統，它是由加州大學的伯利克分校開發，主要應用于無線傳感器網絡方面。它是基于一種組件（Component-Based）的架構方式，能夠快速實現各種應用。

TinyOS程序采用的是模塊化設計，程序核心往往都很小。一般來說，核心代碼和數據大概在400Bytes左右。555.3.2軟件開發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56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。572、網絡系統開發的基本內容主要包括以下三個方面的環節：①傳感器應用。②節點應用。這種應用包含針對專門應用的任務和用于建立與維護網絡的中間件功能，它涉及到操作系統、傳感驅動和中間件管理三部分。582、網絡系統開發的基本內容③網絡應用。這種應用的設計內容描述了整個網絡應用的任務和所需要的服務，為用戶提供操作界面，管理整個網絡并評估運行效果。59節點應用框架的組件網絡應用框架的組件603、傳感器網絡的軟件編程模式傳感器網絡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。

通用編程模式并不完全適合于傳感器網絡軟件開發，需要考慮設計適合于傳感器網絡開發特征的編程模式，主要有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615.3.3后臺管理軟件1、結構與組成可視化的后臺管理軟件是傳感器網絡系統的一個重要組成部分，是獲取和分析傳感器網絡數據的重要工具。

傳感器網絡的分析與管理是應用的重點和難點，傳感器網絡的分析和管理需要一個后臺系統來支持。62通常傳感器網絡在采集探測數據后，通過