第5章传感器网络的应用开发基础

1、第五章 传感器网络的应用开发基础本章内容5.1 仿真平台和工程测试床仿真平台和工程测试床 5.1.1 传感器网络的仿真技术概述传感器网络的仿真技术概述 5.1.2 常用网络仿真软件平台常用网络仿真软件平台 5.1.3 仿真平台的选择和设计仿真平台的选择和设计 5.1.4 传感器网络工程测试床传感器网络工程测试床5.2 网络结点的硬件开发网络结点的硬件开发 5.2.1 硬件开发概述硬件开发概述 5.2.2 传感器结点的模块化设计传感器结点的模块化设计 5.2.3 传感器结点的开发示例传感器结点的开发示例本章内容5.3 操作系统和软件开发操作系统和软件开发 5.3.1 网络结点操作系统网络结点操作

2、系统 5.3.2 软件开发软件开发 5.3.3 后台管理软件后台管理软件5.1 仿真平台和工作测试床1 1、网络研究与设计的三种方法、网络研究与设计的三种方法1对所研究对象对所研究对象和所依存的网和所依存的网络系统进行分络系统进行分析，抽象出数析，抽象出数学分析模型学分析模型。2主要内容是建主要内容是建立测试床和实立测试床和实验室。验室。3应用网络模拟应用网络模拟软件来仿真网软件来仿真网络系统的运行络系统的运行效果。效果。分析方法分析方法实验方法实验方法模拟方法模拟方法5.1.1 战场器网络的仿真技术概述1全新的模拟实全新的模拟实验机理，在高验机理，在高度复杂的网络度复杂的网络环境得到高可环境

3、得到高可信度结果的特信度结果的特点。点。2使用范围广，使用范围广，既可以用于现既可以用于现有网络的优化有网络的优化和扩容，也可和扩容，也可以用于新网络以用于新网络的设计。的设计。3初期应用成本初期应用成本不高，而且建不高，而且建好的网络模型好的网络模型可以延续使用可以延续使用，后期投资还，后期投资还会不断下降。会不断下降。可信度高可信度高使用范围广使用范围广成本低成本低2 2、网络仿真的应用意义、网络仿真的应用意义5.1.1 战场器网络的仿真技术概述网络仿真的软件体系结构网络仿真的软件体系结构5.1.1 战场器网络的仿真技术概述用户应用编辑接口用户应用编辑接口可视化工具可视化工具网络模拟模型生

4、成网络模拟模型生成器器模拟监视器模拟监视器流程模型流程模型协议模型协议模型拓扑模型拓扑模型模拟引擎模拟引擎5.1.1 战场器网络的仿真技术概述1 1、TOSSIMTOSSIMuTinyOSTinyOS是为是为传感器网络节点传感器网络节点而设计一个操作系统。而设计一个操作系统。u它能够它能够快速实现快速实现各种应用。各种应用。uTOSSIMTOSSIM是是TinyOSTinyOS自带的仿真工具，提供运行时的自带的仿真工具，提供运行时的调试调试和和配置配置功能。功能。5.1.2 常用网络仿真软件平台2 2、OMNeT+OMNeT+uOMNeT+OMNeT+被称作被称作离散事件模拟系统离散事件模拟系

5、统(Discrete Event (Discrete Event Simulation SystemSimulation System，DESS)DESS)。u它是一种它是一种面向对象面向对象的的离散事件离散事件建模仿真器。建模仿真器。u这种仿真软件工具采用了特别定义的这种仿真软件工具采用了特别定义的NEDNED语言语言来完成。来完成。5.1.2 常用网络仿真软件平台3 3、MatlabMatlabuMatlabMatlab是指矩阵实验室（是指矩阵实验室（Matrix LaboratoryMatrix Laboratory）。）。u它具备卓越的数值计算能力，提供专业水平的符号计它具备卓越的数值

6、计算能力，提供专业水平的符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制等功能。5.1.2 常用网络仿真软件平台4 4、OPNETOPNETuOPNETOPNET是是MIL3MIL3公司开发的网络仿真软件产品。公司开发的网络仿真软件产品。u这是一种优秀的图形化、支持面向对象建模的大型网这是一种优秀的图形化、支持面向对象建模的大型网络仿真软件。络仿真软件。uOPNETOPNET的产品主要针对网络服务提供商、网络设备制的产品主要针对网络服务提供商、网络设备制造商和一般企业三类客户。造商和一般企业三类客户。 5.1.2 常用网络仿真软件平台OPNETOPNET

7、WDM GuruWDM GuruServicePServiceProviderGroviderGuruuruOPNET OPNET ModelerModelerITGuruITGuru为技术人员提为技术人员提供一个网络技供一个网络技术和产品开发术和产品开发平台平台。面向网络服务提面向网络服务提供商的智能化网供商的智能化网络管理软件。络管理软件。帮助网络专业人士预测和分析帮助网络专业人士预测和分析网络和网络应用的性网络和网络应用的性能、诊断问题。能、诊断问题。用于波用于波分复用光纤分复用光纤网络的分析、评测网络的分析、评测它的四个系列产品核心包括它的四个系列产品核心包括： 1 1、仿真平台的选择

8、、仿真平台的选择u仿真平台仿真平台种类多种类多、功能各异功能各异，设计方法设计方法也不一样也不一样. .u每个仿真器都是在每个仿真器都是在某些某些性能方面比较突出，而在性能方面比较突出，而在其他方面又不重视。其他方面又不重视。u在选择仿真平台时，需要综合考虑各个因素，在在选择仿真平台时，需要综合考虑各个因素，在其中寻找一个其中寻找一个平衡点平衡点以获得最佳的仿真效果。以获得最佳的仿真效果。5.1.3 仿真平台的选择和设计2 2、仿真平台的自主设计、仿真平台的自主设计 开发者构建一个自己的传感器网络仿真工具：开发者构建一个自己的传感器网络仿真工具：u如果开发时间有限且只有一些特性在现有工具中没有

9、，如果开发时间有限且只有一些特性在现有工具中没有，那么最好是在现有仿真平台上做开发。那么最好是在现有仿真平台上做开发。u如果有足够的开发时间，那么从头开始创建一个仿真如果有足够的开发时间，那么从头开始创建一个仿真工具是最有效的。工具是最有效的。5.1.3 仿真平台的选择和设计uMotelabMotelab是哈佛大学开发的一个开放的无线传感器网是哈佛大学开发的一个开放的无线传感器网络实验环境，是基于络实验环境，是基于WebWeb的无线传感器网络测试床。的无线传感器网络测试床。u它包括一组长期部署的传感器网络节点，以及一个中它包括一组长期部署的传感器网络节点，以及一个中心服务器。心服务器。无线传感

10、器网络传感器节点2传感器节点1传感器节点3传感器节点4本地用户因特网外部用户中心服务器以太网端口5.1.3 仿真平台的选择和设计 SensoNet SensoNet是美国亚特是美国亚特兰大市乔治亚州技术学院兰大市乔治亚州技术学院电子与计算机工程学校宽电子与计算机工程学校宽带无线网络实验室研制带无线网络实验室研制的传感器网络试验床。的传感器网络试验床。 SensoNetSensoNet试验床是由三部试验床是由三部分组成：分组成：核心网核心网、核心接核心接入网入网和和传感器现场传感器现场。5.1.3 仿真平台的选择和设计 SensoNetSensoNet工程测试床的场景和部分实物工程测试床的场景和

11、部分实物5.1.3 仿真平台的选择和设计5.2 网络节点的硬件开发1 1、硬件系统的、硬件系统的设计特点设计特点和和要求要求 微型化微型化 扩展性和灵活性扩展性和灵活性 稳定性和安全性稳定性和安全性 低成本低成本 低功耗低功耗5.2.1 硬件开发概述 2 2、硬件系统的设计内容、硬件系统的设计内容 传感器节点主要由传感器节点主要由数据处理数据处理模块模块、换能器模块换能器模块、无线通信模无线通信模块块、电源模块电源模块和和其他外围模块其他外围模块组组成。成。 换能器模块包括各种传感器换能器模块包括各种传感器和执行器，用于和执行器，用于感知数据感知数据和执和执行行各种控制动作各种控制动作。换 能

12、器 模 块数 据处 理模 块无 线通 信模 块电 源 模 块其 它 模 块5.2.1 硬件开发概述 1 1、数据处理模块设计要考虑的五个方面的问题：、数据处理模块设计要考虑的五个方面的问题：节能设计节能设计处理速度的选择处理速度的选择低成本低成本小体积小体积安全性安全性5.2.2 传感器节点的模块化设计各种常见的微控制器性能列表各种常见的微控制器性能列表厂商芯片型号RAM容量/KBFlash容量/KB正常工作电流/mA睡眠模式下的电流/AAtmelMega10341285.51Mega1284128820Mega165/325/6454642.52MicrochipPIC87x0.36821I

13、ntel8051 8位Classic0.5323058051 16位1164510Philips51 16位260153MotorolaHC050.5326.690HC082328100HCS084606.51TIMSP14x16位2601.51MSP16x16位104821AtmelAT91 ARM Thumb256102438160IntelXScale PXA27X256N/A39574SamsungS44B08N/A6055.2.2 传感器节点的模块化设计2 2、换能器模块、换能器模块u所谓换能器所谓换能器(transducer)(transducer)是指将一种物理能量变为是指将一种

14、物理能量变为另一种物理能量的器件，包括另一种物理能量的器件，包括传感器传感器和和执行器执行器两种类两种类型。型。u大部分传感器的输出是大部分传感器的输出是模拟信号模拟信号，因此必须进行模，因此必须进行模/ /数转换。数转换。u 在网络节点中配置模在网络节点中配置模/ /数和数数和数/ /模转换器模转换器(ADC(ADC和和DAC)DAC)，能够降低系统的整体成本，尤其是在节点有多，能够降低系统的整体成本，尤其是在节点有多个传感器且可共享一个转换器的时候。个传感器且可共享一个转换器的时候。5.2.2 传感器节点的模块化设计3 3、无线通信模块、无线通信模块u无线通信模块由无线射频电路和天线组成。

15、无线通信模块由无线射频电路和天线组成。u目前采用的传输介质主要包括无线电、空气、红外、目前采用的传输介质主要包括无线电、空气、红外、激光和超声波等。激光和超声波等。u它是传感器节点中最主要的耗能模块，是传感器节点它是传感器节点中最主要的耗能模块，是传感器节点的设计重点。的设计重点。 5.2.2 传感器节点的模块化设计传感器网络的常用无线通信技术传感器网络的常用无线通信技术无线技术频率距离/m功耗传输速率/kbpsBluetooth2.4GHz10低10000802.11b2.4GHz100高11000RFID50kHz5.8GHz3205501150循环寿命/次3005008001000100

16、011工作温度/-206020602060060060-20602060记忆效应无有小很小无无无内阻/m308071918358010080100毒性有有轻毒轻毒无无有价格低低中高最高高中可充电是是是是是否否漏电流(%/月)303015882025115.2.2 传感器节点的模块化设计u传感器网络节点的外围模块主要包括看门狗电路、传感器网络节点的外围模块主要包括看门狗电路、I/OI/O电路和低电量检测电路等。电路和低电量检测电路等。u由于电池寿命有限，当电池电量将要耗尽时必须要由于电池寿命有限，当电池电量将要耗尽时必须要有某种指示，以便及时更换电池或提醒邻居节点。有某种指示，以便及时更换电池或

17、提醒邻居节点。外围模块设计外围模块设计55.2.2 传感器节点的模块化设计1 1、MicaMica系列节点系列节点pMicaMica系列节点是由系列节点是由U.C.BerkeleyU.C.Berkeley大学研制，大学研制，CrossbowCrossbow公司生产的无线传感器节点。公司生产的无线传感器节点。5.2.3 传感器节点的开发实例MICAzMICAz系列系列MPR2400MPR2400的实物的实物5.2.3 传感器节点的开发实例多传感器模块多传感器模块MTS300/310MTS300/310MTS510MTS510实物实物串行网关串行网关MIB510MIB510Stargate Sta

18、rgate 网关网关SPB400SPB400p Mica Mica系列产品的处理器均采用系列产品的处理器均采用AtmelAtmel公司的公司的ATmegal28LATmegal28L：pMicaMica节点的无线通信射频芯片均采用节点的无线通信射频芯片均采用ChipconChipcon公司公司的的CCXXXXCCXXXX系列射频产品。系列射频产品。pMicaMica系列传感器板系列传感器板5.2.3 传感器节点的开发实例5.3 操作系统和软件开发 嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。嵌入式系统是指用于执行独立功能的专用计算机系统。 传感器网络节点的操作系统是运行在每个传感器节点上的

19、传感器网络节点的操作系统是运行在每个传感器节点上的基础核心软件。基础核心软件。1 1、网络节点操作系统的设计要求、网络节点操作系统的设计要求5.3.1 网络节点操作系统 通常设计操作系统时需要满足如下要求：通常设计操作系统时需要满足如下要求： 代码量小，复杂度低，尽可能降低系统的能耗。代码量小，复杂度低，尽可能降低系统的能耗。 能够适应变化的应用环境。能够适应变化的应用环境。 能快速响应。能快速响应。 能快速切换并执行多个并发任务。能快速切换并执行多个并发任务。 能够使多个节点高效地协作完成监测任务。能够使多个节点高效地协作完成监测任务。 提供方便的编程方法。提供方便的编程方法。 能实现对节点

20、在线动态重新编程。能实现对节点在线动态重新编程。 5.3.1 网络节点操作系统2 2、TinyOSTinyOS操作系统介绍操作系统介绍5.3.1 网络节点操作系统 采用采用基于组件基于组件的体系结构。的体系结构。 采用采用事件驱动机制事件驱动机制，能够适用于节点众多、并发操作频，能够适用于节点众多、并发操作频繁发生的无线传感器网络应用。繁发生的无线传感器网络应用。 采用采用轻量级线程技术轻量级线程技术和和先进先出的先进先出的任务队列调度方法。任务队列调度方法。 采用采用基于事件驱动基于事件驱动模式的主动消息通信方式。模式的主动消息通信方式。1 1、传感器网络软件、传感器网络软件开发的特点和要求

21、开发的特点和要求 通常传感器网络通常传感器网络的软件运行采用分层的软件运行采用分层结构结构核心支撑技术 具体应用代码 系统内核通信协议应用数据功能管理控制功能收/发模块 硬件抽象层 物理层5.3.2 软件开发 传感器网络因资源受限、动态性强和以数据传感器网络因资源受限、动态性强和以数据中心，网络节点的软件系统开发设计具有如下特中心，网络节点的软件系统开发设计具有如下特点：点： 具有自适应功能。具有自适应功能。 保证节点的能量优化。保证节点的能量优化。 采用模块化设计。采用模块化设计。 面向具体应用。面向具体应用。 具有维护和升级功能。具有维护和升级功能。5.3.2 软件开发算 法模 块服 务虚

22、 拟 机中 间 件 管 理操 作 系 统传 感 驱 动CPU 传 感 器操 作 系 统操 作 系 统 传 感 器 硬 件操 作 系 统传 感 器 硬 件用 户 终 端 传 感 器 网 络 应 用分 布 式 中 间 件 系 统传 感 器 硬 件节 点节 点节 点节点应用框架的组件节点应用框架的组件网络应用框架的组件网络应用框架的组件5.3.2 软件开发3 3、传感器网络的软件编程模式、传感器网络的软件编程模式 传感器网络的软件开发需要采取一定的编程模式，运用适当传感器网络的软件开发需要采取一定的编程模式，运用适当的编程框架来指导具体的程序设计。通用软件的编程模式并不的编程框架来指导具体的程序设计

23、。通用软件的编程模式并不完全适合于传感器网络的软完全适合于传感器网络的软件件开发，为此需要考虑设计适合于开发，为此需要考虑设计适合于传感器网络开发特征的编程模式，这里主要简介三种常见的编传感器网络开发特征的编程模式，这里主要简介三种常见的编程模式程模式. .（1 1）抽象域编程）抽象域编程（2 2）以对象为中心的编程）以对象为中心的编程（3 3）以状态为中心的编程模式）以状态为中心的编程模式5.3.2 软件开发 后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、后台管理软件通常由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。图形用户界面和后台组件四个部分组成。后 台 管 理 系 统图 形 用

24、 户 界 面后 台 组 件数 据 处 理 引 擎传 感 器 网 络 数 据数 据 库5.3.3 后台管理软件 数据库数据库用于存储所有数据，主要涉及网络管理信息和传感用于存储所有数据，主要涉及网络管理信息和传感器探测数据信息两种，包括传感器网络的配置信息、节点属性、器探测数据信息两种，包括传感器网络的配置信息、节点属性、探测数据和网络运行的一些信息等。探测数据和网络运行的一些信息等。 数据处理引擎数据处理引擎负责传输网络和后台管理软件之间的数据交负责传输网络和后台管理软件之间的数据交换、分析和处理，将数据存储到数据库。另外它还负责从数据换、分析和处理，将数据存储到数据库。另外它还负责从数据库中读取数据，将数据按照某种方式传递给图形用户界面，以库中读取数据，将数据按照某种方式传递给图形用户界面，以及接受图形用户界面产生的数据等。及接受图形用户界面产生的数据等。 后台组件后台组件利用数据库中的数据实现一些逻辑功能或者图形利用数据库中的数据实现一些逻辑功能或者图形显示功能，它主要涉及到网络拓扑显示组件、网络节点显示组显示功能，它主要涉及到网络拓扑显示组件、网络节点显示组件、图形绘制组件等。件、图形绘制组件等。 图形用户界面图形用户界面是用户对传感器网络进行检测的可视化窗口。是用户对传感器网络进行检测的可视化窗口。5.3.3 后台管理软件2 2、M