网络体系结构《无线传感器网络技术》.pptx

第二章 网络体系架构 WSN节点概述和分类 WSN节点结构 WSN节点体系结构 WSN网络结构 无线传感器网络分类和特点 WSN操作系统 传感器概述：功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。 传感器定义传感器定义 我国国标（我国国标（GB7665-2005GB7665-2005）对传感器的）对传感器的 定义是：定义是：“ “能能感受感受被测量并按照一定的规律被测量并按照一定的规律 转换转换成成可用输出信号可用输出信号的的器件或装置器件或装置” ”。 传感器的作用传感器的作用主要是感受和响应规定的被测主要是感受和响应规定的被测 量，并按一定规律将其转换成有用输出，量，并按一定规律将其转换成有用输出， 特别是特别是完成完成非电量到电量的转换非电量到电量的转换。 2/28 传感器的组成传感器的组成 传感传感器的组成，并无严格的规定。一般说器的组成，并无严格的规定。一般说 来，可以把传感器看作由敏感元件（有时来，可以把传感器看作由敏感元件（有时 又称为预变换器）和变换元件（有时又称又称为预变换器）和变换元件（有时又称 为变换器）两部分组成。为变换器）两部分组成。 qzm_3/28 传感器的分类 根据被测量与输出电量的转换原理分类 能量转换型、能量控制型 根据传感器感知的对象分类 温度传感器、力传感器、等 根据输出信号的性质不同分类 二值型、数字型、模拟型 根据传感器测量原理分类 物理和化学 . 4 常用物理传感器 与化学传感器 5 分类-物理传感器 1. 物理传感器 物理传感器的原理是利用力、热、声、 光、电、磁、射线等物理效应，将被测 信号量的微小变化转换成电信号 物理传感器可以进一步分为：力传感 器、热传感器、声传感器、光传感器、 电传感器、磁传感器与射线传感器等7 类 6 （1）力传感器 力传感器是能感受外力并将其转换成可用输出信号的 传感器。力传感器的种类繁多，常用的力与压力传感 器有电阻应变式、半导体应变式、压阻式、电感式、 电容式、谐振式压力传感器，以及光纤压力传感器等 用金属应变丝作为敏感元件的压力传感器原理示意图 7 不同用途的 力传感器 8 （2）温度传感器 （3）声传感器 9 （4）光传感器 图像传感器 光纤传感器 10 分布式光纤传感系统 分布式光纤传感系统利用光纤作为传感敏感元件和传 输信号介质，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变 的变化，实现分布、自动、实时、连续、精确的测 量。 分布式光纤传感系统应用领域包括： 智能电网的电力电缆表面温度检测、事故点定位 发电厂和变电站的温度监测、故障点检测和报警 水库大坝、河堤安全与渗漏监测 桥梁与高层建筑结构安全性监测 公路、地铁、隧道地质状况的监测 分布光纤温度传感系统可以在易燃、易爆的环境下同 时测量上万个点，可以对每个温度测量点进行实时测 量与定位 11 （5）电传感器 电传感器可以分为：电阻式、电容式、电感式传感器 电阻式传感器利用变阻器将非电量转换成电阻信号的 原理制成的。电阻式传感器主要用于位移、压力、应 变、力矩、气流流速、液面与液体流量等参数的测量 电容式是利用改变电容器的几何尺寸或介质参数，来 使电容量变化的原理制成的。电容式传感器主要用于 压力、位移、液面、厚度、水分含量等参数的测量 电感式是利用改变电感磁路的几何尺寸或磁体位置， 来使电感或互感量变化的原理制成的，主要用于压 力、位移、力、振动、加速度等参数的测量。 12 （6）磁传感器 磁传感器是最古老的传感器，指南针是磁传感 器的最早的一种应用 磁传感器将磁信号转化成为电信号输出 磁电式传感器目前已经被高性能磁敏感材料的 新型磁传感器所替代 13 （7）射线传感器 射线传感器是将射线强度转换出可输出的电信 号的传感器 射线传感器可以分为：X射线传感器、射线传 感器、射线传感器、辐射剂量传感器 射线传感器已经在环境保护、医疗卫生、科学 研究与安全保护领域广泛使用 14 分类-化学传感器 化学传感器可以将化学吸附、电化学反应过程中被测 信号的微小变化转换成电信号的一类传感器 按传感方式的不同，可分为： 接触式化学传感器 非接触式化学传感器 按结构形式的不同，可以分为： 分离型化学传感器 组装一体化化学传感器 按检测对象的不同，可以分为： 气体传感器 离子传感器 湿度传感器 15 分类-生物传感器 生物传感器是由生物敏感元件和信号传导器组成 生物敏感元件可以是生物体、组织、细胞、酶、核酸或 有机物分子 不同的生物元件对于光强度、热量、声强度、压力有不 同的感应特性 16 生物传感器的分类 常用传感器 qzm_17/28 智能传感器 qzm_18/28 定义：传统传感器加上处理器具有智能功能的传感器。所谓智能式传感器，就是 一种带有微处理机的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑分析与判 断功能的传感器。 组成：传感器+微处理器+信号处理电路。微处理器为核心。 智能传感器的特点 具有自动调零和自动校准功能 具有判断和信息处理功能、对测量值进行修正 和误差补偿 实现多惨了综合测量（复合感知能力） 自动诊断故障 灵活的通信能力 智能传感器的发展为传感器技术的 研究提出了很多富有挑战性的课题 qzm_19/28 微机电系统对智能传感器发展的影响 微机电系统（MEMS）是指集微型机构、微 型传感器、微型执行器以及信号处理和控 制电路，直至接口、通信和电源等于一体 的微型器件或系统 qzm_20/28 性能指标 静态指标 线性范围：输出量与输入量呈线性关系的测量范 围 线性度：传感器实际输入输出量曲线与拟合曲线 的重叠程度 灵敏度：输出变化量与输入变化量的比值 稳定性：表示传感器经过长期使用后，输出特性 不发生变化的性能 分辨率：能检测到的被测量的最小变化量 21/28 （具体定义公式见教材） 性能指标 迟滞：传感器在输入量从小到大正向变化与反向变化 ，其输入输出特性曲线不重合的程度 重复性：传感器在输入量按同一方向做全量程连续多 次变化时所得特性曲线一致的程度 漂移：输入量不变的情况下，输出量随时间变化的现 象 测量范围：最小/最大输入量的范围 精度：测量结果的可靠程度，以给定的准确度来表示 重复某个读数的能力 动态指标 输出信号对应随时间变化的输入量的响应特性，反映 测量精度、重复性和可靠性 第二章 网络体系架构 WSN节点概述和分类 WSN节点结构 WSN节点体系结构 WSN网络结构 无线传感器网络分类和特点 WSN操作系统 24 无线传感器节点结构（1） 无线传感器节点通常由4个功能模块组成：感知模块、处 理模块、通信模块和电源模块 25 无线传感器节点结构（2） 感知模块：由一个或多个传感器以及模数转换器组成。传 感器负责感知监测目标的物理特征和现象，并产生相应的 模拟信号。 感知声、光、电、震动、磁、气体等信号 模数转换器负责将模拟信号转换为数字信号，并将数字信 号送往处理模块进行处理。 处理模块：由一个微处理器及相应的内存组成，负责对数 据进行处理、滤波、决策、执行、资源分配等判断，并对 传感器节点进行控制 通信模块：由数模转换器和无线收发送器（Zigbee, WiFi, GPRS,短波等）组成，负责发送和接收数据和控制信息 26 无线传感器节点结构（3） 电源模块：负责节点的供电（电池供电或从自然界采集能 量） 其他模块 位置模块：节点可以配置全球定位系统（Global Positioning System, GPS）或北斗定位系统接收器 移动模块：在某些需要移动传感器节点的应用中，可 以配置马达来驱动传感器节点 /wiki/List_of_wireless_sensor_nodes 一个简单的应用开发需要： 一个简单的应用开发需要： Serial gateway (MIB510) MICA2 (MPR400)（处理 模块和通信模块） MTS310 (感知模块) QTY: 1 COST: $95.00 Serial “gateway“ used to program and communicate with the motes. NOTE: If your computer does not have a serial port, you will also need to buy a serial to USB adapter. QTY: 2 COST: $150.00 each The 900 MHz motes offer greater bandwidth, which means more available channels. If you want to have several mote networks operating at once, this is the way to go. The 433 MHz motes get better range. Best for outdoor applications. QTY: 1 COST: $120.00 Basic sensor board that plugs into the mote. Contains light sensor, temperature sensor, microphone and sounder. More advanced sensor boards have accelerometers, magnetometers and GPS. Programming Board (MIB510) 29 Mica 2 Motes MICA 2 MOTE /isf/facilities/isa/in ternal/CrossBow/DataSheets/mica2.pdf 30 Sensor Board - MTS310 32 第二章 网络体系架构 WSN节点概述和分类 WSN节点结构 WSN节点体系结构 WSN网络结构 无线传感器网络分类和特点 WSN操作系统 跨层设计 联合优化 无线传感器网络协议栈 WSN的体系架构 35 WSN的通信协议 物理层(主要是电磁波) 负责频率选择、频率产生、 信号检测、调制解调和数据 加密 36 WSN的通信协议（续） 链路层 负责介质访问和差错控制 确保通信中点-点 /点-多 点的连接 介质访问控制： 创建网络架构 在节点间公平有效的共享 通信资源 差错控制 前向纠错FEC 自动重发检错ARQ 37 WSN的通信协议（续 网络层（路由层） 节能总是最重要的考虑 传感网络多以数据为中 心 数据聚合不能影响传感 节点的协同 理想的传感器网络基于 属性寻址并能感知位置 38 WSN的通信协议（续 传输层 负责数据流的传输控制 可靠性和拥塞控制 当传感系统需要被 Internet或者其它外部网 络访问时传输层设计与实 现至关重要 研究不成熟 39 WSN的通信协议（续） 跨层设计 联合优化 应用层 负责任务调度和数据分发等 具体业务，使得底层硬件和 软件对传感应用是透明的 Sensor management protocol (SMP) Task assignment and data advertisement protocol (TADAP) Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP) 网络管理平台 主要是对传感器节点自身的管理和用户对 wsn的管理，包括： 拓扑控制 服务质量管理 能力管理 安全管理 移动管理 网络管理 应用支撑平台 包括一系列基于监测任务的应用层软件，通过应 用服务借口和网络管理接口为用户提供各种应用 的支持。 时间同步 定位 应用服务接口 网络管理接口 第二章 网络体系架构 WSN节点概述和分类 WSN节点结构 WSN节点体系结构 WSN网络结构 无线传感器网络分类和特点 WSN操作系统 43 无线传感网的布设形式 随机布设网 战场：炮射、空投 应急：火灾、毒气 固定布设网 工控：自动控制 监测：远程监测 44 无线传感器网络的网络结构(1) 传感器网络基本组成：传感器节点(sensor node) 汇聚节点(sink) 管 理节点（Management node） 汇聚节点传感器节点: 查询消息或指令 汇聚节点还作为连接外部传输网络（如互联网、卫星网等）的网关，对收集到的数 据进行简单的处理，然后将数据通过互联网或其它传输网络，传送给监控中心和需 要使用这些数据的终端用户 传感器节点汇聚节点: 监测数据 sink Internet/ Satellite Sensor node 45 无线传感器网络的网络结构(2) 单跳结构 各传感器节点可以采用单跳的方式将各自的数据直接发送 给汇聚节点 基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT） Sensor node Ref: NB-IoT: A sustainable technology for connecting billons of devices Ericssion Technology Review April 22, 2016 NB-IoT的应用 无线传感器网络的网络结构(3) 多跳结构 传感器节点通过一个或多个网络中间节点将所采集到的数 据传送给汇聚节点，从而有效地降低通信所需的能耗 平面结构 多跳分簇结构 多层分簇结构 第二章 网络体系架构 WSN节点概述和分类 WSN节点结构 WSN节点体系结构 WSN网络结构 无线传感器网络分类和特点 WSN操作系统 50 无线传感器网络的分类（1） 单跳网络与多跳网络 single-hop/multi-hop 静止网络与移动网络 static/mobile 静止传感网中，所有传感器节点都是静止不动的。静止传感网实 现简单，但静止WSN存在瓶颈； 移动传感网中，某些节点可以移动。移动可以平衡网络流量和能 耗分布，但动态性使得协议实现复杂。 静止汇聚节点网络与移动汇聚节点网络 静止汇聚节点网络中，汇聚节点的位置静止固定在监测区域附近 或内部； 移动汇聚节点网络中，汇聚节点在监测区域移动，收集传感器节 点的监测数据，可以平衡各网络负载，减小热点效应。 51 无线传感器网络的分类（2） 确定性网络与非确定性网络 根据传感器节点部署的情况不同 确定性传感器网络中，传感器节点的位置是预先规划的，且一旦 部署不再变化； 非确定性传感器网络中，节点随机布设，甚至可以移动，适合自 然条件恶劣或敌对的应用场合，难以预先规划。 单汇聚节点网络与多汇聚节点网络 根据汇聚节点的数量 单汇聚节点网络中，只有一个汇聚节点位于监测区域的附近或内 部； 多汇聚节点网络中，多个汇聚节点布设于不同位置，各传感器节 点可以将其监测数据发送给离自己最近的汇聚节点。 52 无线传感器网络的分类（3） 同构网络与异构网络 根据传感器节点是否具有相同的能力（通信能力、感知能 力、计算能力等的不同） 同构传感器网络中，所有传感器节点能力完全相同； 异构传感器网络中，传感器节点（或部分）能力不同，可以配备 较强的通信、处理模块或传感器。 先应式网络和反应式网络 先应式网络采用连续操作模式，节点定期打开传感器和发送器、感知 环境并进行数据汇包 适用于定期监控的应用 反应式网络采用查询-响应的操作模式，节点按需的进行感知和数据 汇报 WSN的特征 四大受限： 能量受限 通信能力受限 计算能力受限 存储能力受限 组网特征： 自组织性 以数据为中心 应用相关性 事件驱动 拓扑动态性 大规模 需要考虑可靠性和鲁棒性 54 无线传感器网络的设计目标 节点体积小型化 节点成本低廉 节点功耗超低 节点可自组成网 可扩展性强 自适应性强 可靠性高 满足一定的安全性和服务质量要求 55 传感网络面临的问题和挑战 56 影响传感器网络的因素(1) 57 影响传感器网络的因素(2) 58 影响传感器网络的因素(3) 制造成本 单个节点的成本是衡量整个网络成本的关键 如何以低于一美元的成本制造一定功能的传感 节点是很大的挑战 传输介质（选择的传输介质必须是全球可 用的） 无线电 红外 其他光波 59 影响传感器网络的因素(4) 传感器的环境 敌方战场 居家/大型建筑物 大型仓库 动物身上 快速移动的车辆 有水流动的排水管/河流 第二章 网络体系架构 WSN节点概述和分类 WSN节点结构 WSN节点体系结构 WSN网络结构 WSN分类 WSN操作系统 Major Concerns in WSN OS Design 能在有限的资源上运行:WSN节点资源非常有限(通信带宽资源/ 能量资源 /计算资源),操作系统必须能够高效地使用各种资源; 允许高度的并发性:要求执行模式能对事件作出快速的直接响应; 适应硬件升级 支持一系列平台:要求组件和执行模式能够应对硬 件/ 软件的替换，具有可移植性; 支持多样化的应用程序:良好的模块化设计,使应用/协议/服务与 硬件资源之间可以随意搭配，要求能够根据实际需要, 裁减操作 系统的服务; 鲁棒性强:要求通过组件间有限的交互渠道,就能应对各种复杂情 况; 提供高效的组网机制：WSN是一个网络系统,其操作系统也必然 是面向 网络化开发的。网络化系统要求操作系统必须为 应用提 供高效的组网和通信机制 WSNOS Outline Functional Aspects Data Types Scheduling Stacks System Calls Handling Interrupts Multithreading Thread-based vs. Event-based Programming Memory Allocation Non-Functional Aspects Separation of Concern System Overhead Portability Dynamic Reprogramming Prototypes TinyOS Contiki Evaluation Operating Systems An operating System is a thin software layer resides between the hardware and the application layer provides basic programming abstractions to application developers Its main task is to enable applications to interact with hardware resources Operating Systems Operating systems are classified as: single- task/multitasking and single-user/multiuser operating systems multi-tasking OS - the overhead of concurrent processing because of the limited resources single task OS - tasks should have a short duration The choice of a particular OS depends on several factors; typically functional and non-functional aspects Outline Functional Aspects Data Types Scheduling Stacks System Calls Handling Interrupts Multithreading Thread-based vs. Event-based Programming Memory Allocation Non-Functional Aspects Separation of Concern System Overhead Portability Dynamic Reprogramming Prototypes TinyOS Contiki Evaluation Data Types Interactions between the different subsystems take place through: well-formulated protocols data types Complex data types have strong expression power but consume resources - struct and enum Simple data types are resource efficient but have limited expression capability - C programming language Scheduling Two scheduling mechanisms: queuing-based scheduling FIFO - the simplest and has minimum system overhead, but treats tasks unfairly sorted queue - e.g., shortest job first (SJF) - incurs system overhead (to estimate execution duration) round-robin scheduling a time sharing scheduling technique several tasks can be processed concurrently Scheduling Regardless of how tasks are executed, a scheduler can be either a non-preemptive scheduler - a task is executed to the end, may not be interrupted by another task or preemptive scheduler - a task of higher priority may interrupt a task of low priority Stacks signal higher level events; and post (schedule) other tasks scheduled based on FIFO principle (in TinyOS) Tasks, Commands and Events Commands: non-blocking requests made by higher-level components to lower- level components split-phase operation: a function call returns immediately the called function notifies the caller when the task is completed Events: events are processed by the event handler event handlers are called when hardware events occur an event handler may react to the occurrence of an event in different ways deposit information into its frame, post tasks, signal higher level events, or call lower level commands Outline Functional Aspects Data Types Scheduling Stacks System Calls Handling Interrupts Multithreading Thread-based vs. Event-based Programming Memory Allocation Non-Functional Aspects Separation of Concern System Overhead Portability Dynamic Reprogramming Prototypes TinyOS Contiki Evaluation LiteOS (Cao et al. 2008) LiteOS is a thread-based operating system and supports multiple applications based on the principle of clean separation between the OS and the applications does not provide components or modules that should be “wired” together provides several system calls provides a shell - isolates the system calls from a user provides a hierarchical file management system provides a dynamic reprogramming technique LiteOS (Cao et al. 2008) LiteOS is modeled as a distributed file system Figure 4.8 The LiteOS operating system architecture (Cao et al. 2008) Shell and System Calls The shell provides: a mounting mechanism to a wireless node which is one-hop away from it a distributed and hierarchical file system a user can access the resources of a named node a large number of Linux commands file commands - move, copy and, delete files and directories process commands - manage threads debugging commands - set up a debugging environment and debug code environment commands user - managing the environment of OS manual - displaying interaction history and providing command reference device commands - provide direct access to hardware devices LiteFS Figure 4.9 The file system structure of LiteFS (Cao et al. 2008) Dynamic Reprogramming The LiteFS is a distributed file system A user can access the entire sensor network program and manage individual nodes LiteOS supports the dynamic replacement and reprogramming of user applications if the original source code is available to the OS recompiled with a new memory setting the old version will be redirected Dynamic Reprogramming If the original source code is not available to the OS use a differential patching mechanism to replace an older version binary the start address (S) of the binary executable in the flash memory the start address of allocated memory in RAM (M) the stack top (T) T - M = the memory space allocated for the program code but the parameters are obtained empirically and require knowledge of the node architecture - limits the usefulness of the patching scheme TinyOS简介 TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统,它是由 加州大学的 伯利克分校开发出来的,主要应用 于无线传感器网络方面。 它是基于一种组件 (Component-Based)的架构方式,使得能够 快速实现各种应用。 支持的平台:eyesIFXv2、intelmote2、mica2 、 mica2dot、 micaZ、telosb、tinynode 。 TinyOS的编程语言 TinyOS最初是用汇编和C语言编写的,后来改用 支持组件化编程的nesC语言。该语言把组件化 模 块化思想和基于事件驱动的执行模型结合 起来。 nesC:使用C作为其基础语言,支持所有的C语言 词法和语法,其独有的特色如下: 增加了组件(component)和接口(interface) 的关键字 定义; 定义了接口及如何使用接口表达组件之间关系 的 方法; 目前只支持组件的静态连接,不能实现动态连接和 配置。 TinyOS提供一系列可重用的组件component, 包括network protocols, distributed services, sensor drivers, and data acquisition tools 一个组件由两部分组成 Specification规范说明,包含要用接口的名字 implementation接口的具体实现。 组件分两种: Module组件(模块):实现某种逻辑功能; Configuration组件(配件):将各个组件连接起来成为一个整体。 一个应用程序可以通过连接配置文件(A Wiring Specification)将各种组件连 接 （wire）起来,以完成它所需要的功能 组件特征:组件内变量、函数可以自由访问,但组件之间不能访问和调用。 Component based OS 组件 component 一个应用程序都由一个或多个组件链接起来 一个组件由接口(interface)组成，它是双向的并且是组件间的唯一访问点 可以提供(provides)接口, 描述了该组件提供给调用者的功能 可以使用(uses)接口，则表示该组件本身工作时需要用到的功能 一个接口由命令(command)和事件(event)组成 A command is a request to perform some service，接口的提供者必须 实现它们 An event signals the completion of the service，接口的使用者必须实现 它们 The interfaces user makes requests (calls commands) on the interfaces provider, the provider makes callbacks (signals events) to the interfaces user. 组件模型 Wiring components A configuration can bind an interface user to a provider using - or Perface Perface Provider Uerface - Perface TinyOS (Gay et al. 2007) The logical structure of components and component configurations Figure 4.2 A TinyOS component providing an interface In Figure 4.2, Component A declares its service by providing interface C, which in turn provides command D1 and signals event D2. Figure 4.3 A TinyOS components that uses an interface Figure 4.4 A TinyOS configuration that wires an interface provider and an interface user In Figure 4.3, Component B expresses interest in interface C by declaring a call to command D1 and by providing an event handler to process event D2. In Figure 4.4, a binding between Component A and Component B is established through the Configuration E. BlinkM.nc /* Implementation for Blink application. Toggle the red LED when a Timer fires.*/ module BlinkM provides /必须实现这个接口 interface StdControl; uses /它可能调用这些接口中声明的任何命令以及必须实现这些接口中声明的任何事件。 interface Timer; interface Leds; implementation / Initialize the component. command result_t StdControl.init() call Leds.init(); return SUCCESS; /* Start things up. This just sets the rate for the clock component.*/ command result_t StdControl.start() return call Timer.start(TIMER_REPEAT, 1000); / Start a repeating timer that fires every 1000ms /*Halt execution of the application. This just disables the clock component. */ command result_t StdControl.stop() return call Timer.stop(); /*Toggle the red LED in response to the Timer.fired event. */ event result_t Timer.fired() call Leds.redToggle(); return SUCCESS; Example-module file Example-configuration file Blink.nc configuration Blink implementation components Main, BlinkM, SingleTimer, LedsC; /指定了该配置要引用的组件集合 Main.StdControl - SingleTimer.StdControl Main.StdControl - BlinkM.StdControl; BlinkM.Timer - SingleTimer.Timer; BlinkM.Leds - LedsC; BlinkM StdControl provides uses Timer Leds Main StdControl LedsC Leds SingleTimer timer StdControl Blink Execution Model 任务加事件的两级调度 Tasks: Time flexible Longer background processing jobs Atomic with respect to other tasks (single threaded) Preempted by event Hardware event handlers Time critical Shorter duration (hand off to task if need be) Interrupts task and other hardware handler. Last-in first-out semantics (no priority among events) executed in response to a hardware interrupt Execution Model nEvents generated by interrupts preempt tasks nTasks do not preempt tasks Hardware Interrupts events commands Tasks Execution Model