无线传感器网络第5讲-节点结构

传感器网络节点结构 2 本章目标 无线传感器网络中构成一个节点的主要组件控制器 射频调制解调器 传感器 电池理解这些组件的能量损耗方面考虑不同操作模式的透视图和不同能量损耗对协议设计有什么样的影响传感器节点的操作系统支持一些示例节点注解 本章的细节是WSN专有的 能量损耗原理也适用于MANET 3 概要 传感器节点结构能量供应和损耗传感器节点的运行时间环境个案研究 TinyOS 4 传感器节点结构 一个WSN节点的主要组件控制器通信装置传感器 驱动器存储器能量供应 Memory Controller Sensor s actuator s Communicationdevice Powersupply 5 Adhoc节点结构 核心 本质上一样但是 更多辅助设备硬盘 显示器 键盘 声音接口 照相机 6 控制器 主要选择 微控制器 通用处理器 嵌入式应用的最佳化 低能量损耗数字信号处理器 信号处理任务的最佳化 在这里并不匹配现场可编程门阵列 可能对测试有益专用集成电路 只有当需要最佳性能 并不灵活微处理器示例德州仪器的MSP43016位精简指令集计算机内核 相当于4MHz 支持2 10kbytesRAM的版本 一些资料获取控制系统 收发始终 价格从0 49美金开始爱特梅尔公司的ATMega8位的控制器 内存比MSP430 但是处理速度比MSP430慢 7 通信装置 哪种传输介质 无线电频率上的电磁波 电磁波 光 超声波 无线电收发机以无线波的形式传输一个比特流或者字节流接受无线波之后把它转回为比特流或字节流 8 收发器特征 性能接口 比特 字节 分组级 支持的频率范围典型的是ISM的433MHz 2 4GHz频带多路通道 数据速率 范围 能量特征接收数据的能量损耗 不同状态转换的时间和能量损耗 传输功率控制 功率效率 发射功率中消耗功率的百分比 无线电性能调制 ASK FSK 噪声因数 NF SNRI SNRO增益 信号放大 接收机灵敏度 达到给定Eb N0的最小S 阻塞性能 在提示的频率偏移干涉下达到的BER 带外辐射载波检测 RSSI特征频率稳定度 举例来说 温度变化 电压范围 9 收发器状态 收发器可以进入不同的运行状态 典型的是 发射接收闲置 准备接收 但是并没有接收计算机硬件的一些功能可以关闭 这样可以减少一些能量损耗睡眠 收发机的有效部分被关闭不能立即接收信息离开睡眠状态的恢复时间和启动能量对收发器意义重大研究问题 唤醒接收器 当收发器处于睡眠状态时可以通过无线电唤醒 看起来是矛盾的 10 无线收发机的例子 几乎是不限种类的都可用一些例子RFMTR1000一族916或868MHz400kHz带宽多达115 2kbps开关键控或者ASK输出功率动态可协调最大功率大约是1 4mW功率损耗低ChipconCC1000频率范围从300MHz到1000MHz 在250Hz步上可编程FSK调制提供RSSI 接收信号强度指示 ChipconCC2400802 15 4工具2 4GHz DSSS调制解调250kbps比上述的收发机有更高的功率损耗InfineonTDA525x一族举例来说 5250 868MHzASK或者FSK调制RSSI 高效的功率放大智能的电源中断 自我查询 机制极好的抗阻塞性能 11 Adhoc网络中无线接收机的例子 Adhoc网络 通常需要更高的数据速率典型的Adhoc网络是IEEE802 11b g a数据速率高达54MBit s100sofmeterspossible typical10sofmetersathigherdatarates在可移动的环境中工作的相当好 不过当然不会是完美的 问题 设备昂贵 功率相当缺乏 12 唤醒接收器 主要能量问题 接收过程空运转和准备接收会消耗相当大量的功率什么时候开启接收器是不明确的基于MAC协议的竞争 接收器总是开着的基于MAC协议的TDMA 令人满意的是 接收器可以 只能 检测到收文当检测到信号时唤醒主要的接收器实时接收理想的是 唤醒的接收机可以处理简单的地址然而 我们并不清楚能否真正的建立起来它们 13 超宽带通信 标准的无线收发机 将一个信号调制到载波上需要相当小的带宽变换方法 使用一个大带宽 不调制 只是发射一个突发激励几乎形成一个矩形脉冲脉冲非常短在脉冲存在 消失的时候编码信息需要接收机完全的时钟同步相当短的范围 通常上 优势Prettyresilienttomulti pathpropagation很好的测距能力好的墙壁穿透能力 14 传感器本身 主要分类辐射一些能量 被动vs 主动传感器有方向感 全向 被动的 全向举例 光 温度计 麦克风 湿度计 被动的 窄射型n举例 照相机主动传感器举例 雷达重要参数 覆盖范围给定的传感器可以充分覆盖那个区域 15 概要 传感器节点结构能量提供和损耗传感器节点的运行环境个案研究 TinyOS 16 移动 传感器节点的能量供应 目的 在最小花费 体积 重量 再充电时间 寿命基础上提供尽可能大的功率在无线传感器网络中 再充电可能是也可能不是一个选择 选项原电池 不可再充电蓄电池 可再充电 这只有与一些能量收获形式结合时才有意义要求包括自放电低储藏寿命长负载过轻能力在低电流下能有效再充电好的放松性能 就像是自身再充电seemingself recharging 电压稳定度 来避免直流电到直流电的转换 17 电池示例 单位体积的能量 每立方厘米的焦耳量 18 能量收集 如何对电池再充电 一个笔记本电脑 简单 在晚上将插头插入墙壁插座一个传感器节点 尝试从环境中吸收能量周围环境能源光 太阳能电池 介于10 W cm2和15mW cm2之间温度梯度 80 W cm2 1Vfrom5Kdifference振动 介于0 1和10000 W cm3之间气压变化 压电的 从鞋跟来的330 W cm2空气流动 MEMS燃气轮机 19 能量收集 概览 20 能量损耗 一个 包络反馈 的估计指令数目每个指令的能量 1nJ小电池 smartdust 1J 1Ws相应的 109指令 寿命或者 需要一整天的操作 寿命 24 60 60 86400s最大的可持续能量功耗是1Ws 86400s 11 5 W 21 多重能量功耗模式 解决方法 不要所有时候都运行传感器节点如果闲着没事 转到电源安全模式问题 什么时候节流 怎样再次唤醒 典型模式控制器 活跃的 闲置的 睡眠的无线电模式 打开 关闭发射器 接收器可能的多模式 即 更深的 睡眠模式坚决地依赖于硬件TIMSP430 举例来说 四种不同的睡眠模式AtmelATMega 六种不同的模式 22 一些能量损耗值 微控制器TIMSP430 1MHz 3V 充分操作于1 2mW最深的睡眠模式0 3 W 只被外部中断唤醒 即使计时器不再运行 AtmelATMega运作模式 15mW活动 6mW闲置睡眠模式 75 W 23 模式间的转换 最简单的想法 只要可能就转向更低的模式问题 到达更高的模式需要的时间和功率是不可忽略的介绍开销只有当Esaved Eoverhead才转换举例 从睡眠模式唤醒的事件触发不确定的调度问题 exercise 24 供选择的 动态电压转换 多久可以得到睡眠时间的不确定性使得模式转换变得复杂供选择的 低电压供给 时钟动态电压缩放 DVS 基本原理 功率损耗P取决于时钟频率供给电压的平方P fV2允许更低的时钟更低的电压供给容易转向更高的时钟但是 执行时间更长 25 内存功耗 重要部分 闪存RAM的功耗几乎是可忽略的FLASH写入 擦除是昂贵的举例 云母微粒的FLASH读出 每字节 1 1nAh写入 每字节 83 3nAh 26 nbits的发射机功耗 Amplifierpower Pamp amp ampPtxPtxradiatedpower amp ampconstantsdependingonmodelHighestefficiency Ptx Pamp atmaximumoutputpowerInaddition transmitterelectronicsneedspowerPtxElecTimetotransmitnbits n R Rcode Rnomialdatarate RcodecodingrateToleavesleepmodeTimeTstart averagepowerPstart Etx TstartPstart n R Rcode PtxElec amp ampPtx Simplification Modulationnotconsidered 27 nbits的接收机功耗 ReceiveralsohasstartupcostsTimeTstart averagepowerPstartTimefornbitsisthesamen R Rcode ReceiverelectronicsneedsPrxElecPlus energytodecodenbitsEdecBits Erx TstartPstart n R Rcode PrxElec EdecBits R 28 一些收发机数据 29 控制收发机 类似于控制器 占空比必须低发射器必须容易工作 与控制器相似的问题 什么时候值得关掉接收机的困难 不仅什么时候去唤醒接收机是未知的 它也取决于远程的工作伙伴 MAC协议与功耗之间的关联是很强的 对类似于DVS的技术只有有限的适用性动态调制 DSM 转向最适合通信的调制 取决于信道增益动态编码 根据信道增益选择不同的编码速率组合 30 计算vs 通信能量成本 折衷 发送一个比特与计算一个指令的能量比 在文献中一切介于220和2900的都可以传达 发和收 一千字节 计算三百万个指令 因此 只要可以就尝试计算而非传达WSN中的关键技术 网络内部处理 开发压缩机制 智能编码机制 31 概要 传感器节点结构能量供给和损耗传感器节点的运行环境个案研究 TinyOS SS05 Adhoc sensornetworks Ch2 Singlenodearchitecture 32 WSN中的操作系统挑战 通常的操作系统目标使进入装置资源抽象化 虚拟化 从并行接入中保护资源通常方法CPU的保护操作模式 只有在这种模式下才能硬件接入使用分离的地址空间处理由一个内存管理单元支持问题 在微控制器中这些是无法使用的没有分离保护模式 没有内存管理单元这会使得装置更贵 耗电更高 33 WSN中的操作系统挑战 可能的选择试着在WSN节点中实施 尽可能接近一个操作系统 尤其是 尝试提供一个已知的编程接口也就是 进程支持 牺牲从彼此那里的对不同进程的保护 可能 但是管理费用相当高不使用操作系统工作 或多或少 毕竟 在WSN节点中只有一个单独的 应用 没必要从彼此那里保护恶意软件直接由应用处理的硬件控制可能会提高效率目前普及的结论 没有OS 只是一个简单的运行时间环境足够来抽象出硬件接入详情最大的影响 与众不同的编程模式 34 主要问题 怎样支持并发执行 最简单的选择 没有并发性 顺序的任务处理这是不符合要求的 在处理数据时有丢失数据的风险 比如说 从收发机 必须支持中断 异步操作为什么需要并发执行传感器节点的CPU必须为无线调制解调器服务 实际的传感器为应用执行计算 执行通信协议软件等等 35 传统的并行方式 进程 传统的OS 进程 线程基于中断 上下文转接但是这是不可用的 内存开销 执行开销但是 并行不匹配每个协议一个进程需要太多的上下文转接WSN中许多关于上下文转接的小任务使得开销过大并且 在WSN中不需要进程间的保护无论怎样只有一个应用程序 36 基于事件的并行性 供选择的 转向基于事件的编程模型执行常规进程或者闲置当事件发生时立即回应基本上是中断处理器问题 不能在中断处理上停留太久有丢失事件的危险只能数据存档 公布信息事件已经发生 然后返回 运行到完成原理两种环境 一种来处理 一种是常规执行 37 组件代替进程 需要一个抽象概念来组功能这个目的是代替 进程 比如说 一个网络协议的单个功能一个选择 组件这里 在TinyOS的传感器中典型的只需要一个单独的 定义好的函数和进程的主要不同点 组件没有执行组件进入相同的地址空间 没有防范彼此Componentsaccesssameaddressspace noprotectionagainsteachother不要混淆基于组件的编程 38 API和一个基于事件的协议栈的对比 通常网络API 套接字问题 阻塞调用接收数据和基于事件的操作系统不匹配并且 WSN中的网络语义与套接字语义并不一定匹配的好因而API也是基于事件的比如 告诉一些组件说一些别的的组件想要被告知是否和什么时候数据已经到达了 一旦条件满足 组件会发布一个事件细节 看下面讨论的例子TinyOS 39 动态功率管理 开发多操作模式是有希望的问题 在功率安全模式下什么时候转换问题 时间和能量开销与苏醒相关 贪睡并无益处 看例子 调度方法问题 怎样控制动态电压缩放 更咄咄逼人的 增加电压 频率更容易截止时间通常限制下面需要的速度或者 交易掉精确度和能量损耗如果可以得到更多的能力 就可以计算更多精确的结果例子 多项式逼近从高指数还是低指数开始取决于多项式是从哪里估值的 SS05 Adhoc sensornetworks Ch2 Singlenodearchitecture 40 概要 传感器节点结构能量供给和损耗传感器节点运行环境个案研究 TinyOS 41 嵌入式操作系统个案研究 TinyOS nesC 由UCBerkely开发的TinyOS是作为它们 motes 的运行环境nesC作为附属 编程语言 目标 小的内存占用所付出的牺牲使得 比如 在使用和可移植方面更简单在新版本中多少提高了可移植性最重要的设计方面基于组件的系统组件间通过互换异步事件相互作用组件通过将它们接线在一起形成一个程序 类似于VHDL 硬件描述语言 42 TinyOS组件 组件框架 状态信息任务 正常执行l程式命令处理程序事件处理程序处理程序必须运行到结束形成一个组件的接口理解并发出命令和事件层次的安排事件通过硬件向上传递到更高层次的组件命令被