无线传感器网络节点技术 ppt课件

,无线传感器网络讲义,第二章 节点技术,2014年3月,MICA2 mote by Intel and the University of California, Berkeley,第二章 节点技术,2.1 节点体系结构 2.2 节点设计原则 2.3 处理器模块 2.4 无线通信模块 2.5 传感器 2.6 节点能耗分析 2.7 常用节点介绍,2.1 节点体系结构,传感器网络节点作为传感器网络的硬件平台具有端节点和路由双重功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面将数据融合经多跳路由传送到汇聚节点，最后经互联网或其它通信网络传送到观察者。 无线传感器网络节点是一种微型化的嵌入式系统。 构成了无线传感器网络的基础支撑平台。,2.2 节点设计原则,在设计无线传感器网络节点时，主要遵循以下原则： （1）低成本 成本的高低是衡量无线传感器网络节点设计好坏的重要指标。通常，无线传感器网络规模较大，节点数量可能多达数百个甚至上千个。在大规模部署的情况下，单个节点的成本问题就尤为突出。只有成本低才能大量布置在目标区域中，体现出传感器网络的各种优点。因此，就要求无线传感器节点的各个模块的设计不能特别复杂，使用的所有器件都必须是低功耗的。最终目的是，在能够满足系统需求的前提下，将硬件成本降到足够低。,UC Berkeley: COTS Dust,2.2 节点设计原则（续）,（2）具有足够的数据处理及存储能力 无线传感器网络节点担负着环境数据采集和数据传输的功能。数据采集过程通常要对所采集的数据进行必要的处理及存储工作，这要占用一部分处理器与存储器资源；同时，由于节点要将所采集的数据通过无线发送，所以要对数据进一步加工，将数据组成能够满足网络要求的数据包格式，并由处理器将数据送往无线通信模块部分。另外，无线传感器网络节点还担负着路由功能，即将所接收到的数据包向下一跳节点进行转发，路由功能也会消耗节点一部分处理器和存储器资源。因此，节点要具有足够的数据处理和存储能力，能够同时完成数据采集和数据传输功能。,JPL: Sensor Webs,2.2 节点设计原则（续）,（3）低功耗 节能是无线传感器网络节点设计最主要的问题之一。无线传感器网络节点一般采用电池供电，并且大多数工作在野外环境或者人员不宜到达的地方，因而不可能随时更换节点的电池，这就要求节点能够在有限的电源供电的情况下，工作的时间尽可能长，以延长网络的寿命。节点本身需要具有低功耗技术，能量的节约需要节点硬件和软件配合实现。,Dot Mote,2.2 节点设计原则（续）,（4）可扩展性和灵活性 可扩展性也是传感器节点设计必须考虑的问题，实现方法之一是定义统一、完整的外部接口。在需要添加新的硬件部件时可以在现有节点上直接添加，而不需要开发新的节点。即传感器节点应当在具备通用处理器和通信模块的基础上拥有完整、规范的外部接口，以适应不同的部件。体现在传感器模块上，根据不同的应用场合需要，无线传感器网络节点应该具有不同的传感器接口，可以与不同的传感器相结合，进行灵活的配置。本特性也需要传感器节点硬件和软件配合实现。,Mica node,2.2 节点设计原则（续）,（5）微型化 微型化是无线传感器网络追求的终极目标。只有节点本身体积足够小，才能保证不影响目标系统环境或者造成的影响可以忽略不计；另外在某些特殊场合甚至要求目标系统能够小到不容易被察觉的程度。 （6）稳定性和安全性 设计的节点要求各个部件都能在给定的外部环境变化范围内正常工作。在一定的温度、湿度、压力等外部条件下，传感器节点各个部件应该能够保持正常的功能。,weC Mote,2.3 处理器模块,处理器模块是整个无线传感器网络节点硬件平台中最核心的部件，处理器的性能直接影响节点的性能。 处理器决定了节点的数据处理能力、路由算法的运行速度以及传感器网络的复杂程度。同时在一定程度上影响了节点的整体能耗和节点的工作寿命。 处理器模块的选择还决定了传感器节点软件系统的开发工具和开发周期，以及是否使用嵌入式操作系统，现有的上层软件是否可以方便的移植等。,2.3 处理器模块（续）,目前使用的三种主流微处理器： 美国Atmel公司推出的高性能8位单片机系列AVR芯片 美国TI公司推出的高性能16位单片机MSP430系列微型处理器 CHIPCON公司（现被TI收购）推出的CC2431芯片。,2.3 处理器模块（续）,（1）美国Atmel公司推出的高性能8位单片机系列AVR芯片。 AVR处理器根据芯片存储空间的不同，分为ATMega8，ATMegal6，ATMega64及ATmegal28等不同型号。AVR芯片具有高可靠性、功能强大、高速率、低功耗、低价位的优点，芯片应用非常广泛，技术相对来说也比较成熟。另外，AVR芯片的外围接口也非常丰富，提供串行通信接口UART，JTAG在线调试接口，串行外设接口SPI等等。 使用AVR（ATMegal128L）的产品有：CrossBow公司的Mica系列节点、CSRIO研究室的CSRIO节点以及中科院计算所研制的EASINet系列节点等。,2.3 处理器模块（续）,（2）美国TI公司推出的高性能16位单片机MSP430系列微型处理器。 它也采用了精简指令集RISC结构，具有丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；高效的查表处理指令；较高的处理速度（在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns）；超低功耗（工作电流为微安级）。所有这些特点保证了MSP430系列芯片高可靠性，高效率的工作性能，使其在智能仪表、流量计、医疗设备及保安系统等方面得到了广泛的应用。 采用MSP430的产品有：Moteiv公司的Tmote节点（Telos）和hockFish公司的TinyNode584节点等。,2.3 处理器模块（续）,（3）CHIPCON公司推出的CC2431芯片。 它是一款真正的基于无线传感器网络ZigBee802.15.4解决方案的片上系统。相对前面两种来说，比较特殊的一点是芯片上不但具有符合工业标准的增强型8051微控制器内核及定位引擎，具有128K闪存、8KRAM空间以及各种丰富的外围接口。CC2431芯片还集成了一个性能卓越的射频收发模块CC2420内核。也就是说，只需要在CC2431芯片周围布设极少的外围电路即可完成整个节点的设计。,2.4 无线通信模块,无线通信模块是构成节点的另一个重要模块。 无线通信模块用于节点之间的数据通信。 传感器网络的特殊性决定了不能使用复杂的协议，例如像802.11这样的协议。主要原因是协议的复杂性会带来很大的能量消耗，同时节点的处理功能并不是十分强大，使用复杂协议会占用大量的处理器资源。 无线传感器网络中广泛采用的底层通信方式包括使用ISM（Industrial, Scientific and Medical）波段（各国规定不同，常用的有433MHz和868/915MHz），以及具有802.15.4协议和蓝牙通信协议的射频通信（2.4GHz）。,2.4 无线通信模块（续）,频段划分及主要用途,2.4 无线通信模块（续）,ISM波段频率,2.4 无线通信模块（续）,常用433MHz射频芯片,2.4 无线通信模块（续）,需要注意的是，有些芯片只包含单纯的无线通信功能，没有协议的支持，这类芯片非常适合研究无线传感器网络的底层MAC通信协议，所研究的协议内容能够在这样的平台上完全实现。例如，Chipcon公司生产的CC1000、Nordic规定生产的nrf903和Semtech公司生产的XE1205芯片等。 还有部分芯片内嵌了支持802.15.4/ZigBee协议，例如Chipcon公司的CC2420和RFWave公司的RFW102芯片组。,2.5 传感器,传感器是无线传感器网络的信息来源。 传感器网络的终端探头通常代表了用户的功能需求，终端传感器技术是支撑和最大化网络应用性能的基石，为网络提供了丰富多彩的业务功能。 什么是传感器？一般来说能够把特定的被测量信息（物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成某种可用信号（电信号、光信号等）的器件或装置，我们把它称为传感器。,2.5 传感器（续）,传统意义上，传感器指的是将物理信号转换为电信号的器件(这种器件又称为敏感元件)，但是这种电信号往往不能直接测量，需要通过调理电路将非标准电信号转换为标准电信号，这部分电路往往为一个单独的模块，称为变送器。随着传感技术，尤其是MEMs技术的不断发展，现在的传感器往往将调理电路(也称之为变送电路)也集成其中，或者将变送电路集成到电路板上，变送器的概念也逐渐淡化。而传感器的概念也同时包括了变送器，除非特别提出。本节中提到的传感器者包括了调理电路。 由于无线传感器网络尚未形成大规模的市场，面向无线传感器网络的专用传感器极少。目前应用于无线传感器网路的传感器一般来自于传统的军事、航空、汽车电子等镢域，而这类传感器往往和无线传感器网络的需求有一定的差距。,2.5 传感器（续）,传感器网络对传感器的特殊要求 （1）功耗低。应选用低功耗传感器，一般工作电流小于0.5mA。 （2）尺寸小。大多数情况下，要求节点的尺寸要小，因此，传感器的尺寸应限制在一定范围内。 （3）数据量小。传感器网络是一个短距离，低速率的网络，不适合用来传输大量的数据。对于一些数据量较大的传感器，例如图像传感器，需要在传感器节点上对数据进行一定的处理，然后将我们更感兴趣的、相对简单的数据传送至后端。 （4）根据具体应用需求来决定传感器的工作方式。例如，合理地设置睡眠、工作周期等。,2.5 传感器（续）,部分具体应用领域中的传感器,2.5 传感器（续）,部分实际应用传感器的电气特性,注l：数据转换时瞬时电流为550A，T2ms 注2：数据转换时瞬时电流为1mA，T2ms,2.5 传感器（续）,部分实际应用传感器的电气特性（续）,2.5 传感器（续）,小结： 从已经投入实用或实验中的无线传感器网络使用的传感器来看，MEMS （Micro Electro Mechanical systems，MEMS）传感嚣占据了相当一部分。这是由于MEMS传感器集成度高、体积小、能耗低，有标准信号输出接口，信号凋理简单。 目前成熟的MEMS传感器包括加速度传感器、温湿度传感器、压力传感器、磁传感器、震动传感器、光敏(光照度)传感器、听觉传感嚣和图像传感器。这类传感器一般还集成了用于初步处理被测信号的电路，有些可以作为SMD标准元件直接焊接在硬件电路板上。 不同的工作环境、不同的被铡量，对被测量的不同评价标准，导致传感器的检测原理也是各式各样，其中有一些传感器已经不是传统意义上的传感器，例如雷达、GPS等。 总之，传感器技术是无线传感器网络实用化的关键技术之一。,2.6 节点能耗分析,为什么要研究节点能耗？ WSN是能量严重受限的网络，要求在WSN设计的各方面、各层次体现能量有效性。 在WSN中，有关能量有效性研究和基于能量感知的算法/协议研究是WSN研究的热点之一。 能量有效研究是指提出能量有效的算法或协议，并利用剩余能量信息验证能量的有效性； 基于能量感知的研究，则是将剩余能量信息作为设计算法协议的现实依据。从本质上讲，它们均是基于剩余能量信息的研究，均需要能耗模型的支持。 WSN能量模型与节点硬件环境高度相关。 本节对符合ZigBee/802.15.4规范的节点进行能耗分析。,2.6 节点能耗分析（续）,从硬件电路考虑，传感器节点能耗主要包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。 已有的研究结果表明，传感器节点将1 bit信息传输100 m距离需要的能量大约相当于执行3000条计算指令消耗的能量。同样，和无线通信模块所需能量相比，传感器模块采集信息耗能很低，且与工作时间成正比。 因此，在实际工作中传感器节点能耗主要集中在无线通信模块上。,设传感器节点总能耗为Edepletion 无线通信能耗为Erf 处理器MCU计算能耗为Ecal 传感器模块采样能耗为Esensor 则有： Edepletion=Erf+ Ecal+Esensor,2.6 节点能耗分析（续）,1.节点通信能耗模型 WSN通信有接收、发送、空闲监听和睡眠4种状态，总能耗是它们之和。 设射频模块(RF)的通信能耗总为Erf，发送能耗为Esend，接收能耗为Ereceive，空闲监听能耗为Eidle，睡眠能耗为Esleep，则有 Erf=Esend+Ereceive+Eidle+Esleep （1） 其中， Esend=psentsen Nc-sen （2） Ereceive=prec trec Nc-rec （3） Eidle=pidle tidle Nidle （4） Esleep=psleep tsleep Nsleep （5） 则：Erf=psentsen Nc-sen +prec trec Nc-rec+pidle tidle Nidle+psleep tsleep Nsleep （6） 式中： psen为RF发送的平均功率，由厂家提供；tsen为RF发送的平均用时/每帧，可由数据帧平均帧长和数据发送速率计算得出； Nc-sen为当前已发生的发生动作次数（含数据帧发送失败情况），它的值可通过在协议栈中设置计数器取得。其余参数类似。,2.6 节点能耗分析（续）,2.微处理器单元（MCU）计算能耗模型 首先定义“原子计算”概念如下： 原子计算是由一组计算组成的计算过程，该计算过程或者全部执行，或者全部不执行，它具有完整性、独立性特点。 不失一般性，对BeeStack协议栈（符合ZigBee/802.15.4规范）的研究发现，微控制器(MCU)计算活动具有如下特征：每次帧发送动作前，会进行一次原子计算（发送前预处理数据）；每次帧接收动作后，会伴随一次原子计算（接收后处理数据）；节点MCU向传感器模块串口（缓存）写数据前，会进行一次原子计算，节点MCU从传感器模块串口（缓存）读数据后，会伴随一次原子计算即一次完整通信收发(含接收、发送、串口读和串口写动作各1次)时的MCU计算由4次原子计算组成,2.6 节点能耗分析（续）,设MCU计算能耗为Ecal，节点初始化能耗为Eini-c，对传感器模块串口读、写动作伴随的计算能耗为Esen-c，通信发送、接收动作伴随的计算能耗为Ecom-c，则有 Ecal=Eini-c+Esen-c+Ecom-c （7） 一般， Eini-c远小于Esen-c和Ecom-c，则式（7）变为 Ecal=Esen-c+Ecom-c （8） 设原子计算的平均功率为Patom；原子计算的平均用时为tatom；当前已发生的串口读操作次数为Ns-rec(含读失败的情况)；当前已发生的串口写操作次数为Ns-sen(含写失败的情况)，则有： Esen-c=patomtatom （Ns-rec+ Ns-sen） （9） Ecom-c=patomtatom （Nc-rec+ Nc-sen） （10） 令Ncal= Ns-rec+ Ns-sen+ Nc-rec+ Nc-sen,则MCU能耗为 Ecal=patomtatom Ncal （11）,2.6 节点能耗分析（续）,3.传感器模块采样能耗模型 传感器模块一般进行周期性采样，设传感器模块采样能耗为Esensor，采样平均功率为psensor，平均采样时间为tsensor，且Nsensor为采样次数，则有 Esensor=psensortsensor Nsensor （12） 设节点的工作周期内，传感器采样结束后即向Sink节点发送数据，收发完成后转入睡眠状态。且有：采样周期=通信周期=睡眠周期再设系统当前运行时间为T，采样周期为tcycle，则有： Nidle=Nsleep=Nsensor=T/tcycle （13） 于是，在运行时间T内的采样能耗为： Esensor=psensortsensor T/tcycle （14）,2.6 节点能耗分析（续）,4.面向应用的节点总能耗模型 设节点当前总能耗为Edepletion,则有 Edepletion=Erf+Ecal+Esensor （15） 将（6）（11）（13）（14）代入式（15），得 Edepletion= （psentsen Nc-sen + prec trec Nc-rec + pidle tidle T/tcycle + psleep tsleep T/tcycle ）+ patomtatom Ncal + psensortsensor T/tcycle 其中， Nc-sen 、 Nc-rec 、 Ncal 值可通过在协议栈设置相应计数器获得，其它参数可通过厂家提供的电气参数计算或实测获得。因此，各节点只需向Sink节点上传3个计数器值即可进行能耗计算。,2.7 常用节点介绍,1.Mote系列节点 Mote系列节点是无线传感器网络领域的主流节点。该系列节点是由美国军方资助，加州大学伯克利分校研制的用于传感器网络研究的演示平台试验节点。Mote系列节点包括WeC、Renee、Mica、Mica2和Mica2dot。,2.7 常用节点介绍（续）,Mote系列节点采用的技术和性能指标,2.7 常用节点介绍（续）,另外，Crossbow公司还有2款新产品：Micaz和Imote2。 Micaz是符合ZigBee/802.15.4协议的Mote模块，工作频率为2.4GHz，处理器采用ATmegal128L芯片，通信模块采样CC2420。室外测量范围：75m-100m；室内测量范围：20m-30m。 Imote2 是一款先进的无线传感器节点平台。它集成了低功耗的PXA271 XScale CPU和兼容IEEE 802.15.4/zigbee的射频芯片。Imote2提供多种I/O，能够灵活的支持不同种类的传感器、A/Ds、射频器。PXA271还包括1个帮助提高处理多媒体能力的无线 MMX协处理器。使用的是德州仪器公司的CC2420 IEEEE 802.15.4/zigbee射频发射器。CC2420支持2.4GHz带宽16通道250kb/s数据传输率。强大的cpu和高性能的射频发射器，可以实现以视频传输为代表的大处理量的无线传感器网络。 详细请参阅：,2.7 常用节点介绍（续）,2.Telos节点 Telos节点是美国国防部DARPA支持NEST项目的一部分，在处理器芯片和无线射频芯片选择上，使用TI公司的MS