《物联网技术案例教程》课件-第8章46

第八章物联网的应用开发基础8.1硬件开发8.2操作系统8.3物联网软件设计8.4ZigBee网络系统的设计开发案例8.1..1网络节点点的硬件件设计1、数据处处理信息采集集和数据据处理是是物联网网的重要要特征之之一。每每个网络络终端节节点都具具有一定定的智能能性，能能对数据据进行预预处理，，并根据据感知的的情况做做出不同同处理。。从处理器器的角度度来看，，网络节节点分为为两类：：一类采用用以ARM处理器为为代表的的高端处理器。。另一类是是以采用用低端微控制器器为代表表的节点点。该类类节点的的处理能能力较弱弱，但是是能量消消耗也很很小。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/μAAtmelMega10341285.51Mega1284128820Mega165/325/6454642.52MicrochipPIC87x0.36821Intel80518位Classic0.532305805116位1164510Philips5116位260153MotorolaHC050.5326.690HC082328100HCS084606.51TIMSP14x16位2601.51MSP16x16位104821AtmelAT91ARMThumb256102438160IntelXScalePXA27X256N/A39574SamsungS44B08N/A605常见的微微控制器器性能比比较芯片型号运行电压（V）运行频率单位指令消耗能量(nJ)ATMega3.34MHz4ARMThumb1.840MHz0.21C1213.332KHz0.2IBM405LP1152MHz0.35C1213.325MHz0.5TMS320VC55101.5200MHz0.8XscalePXA2501.3400MHz1.1IBM405LP1.8380MHz1.3XscalePXA2500.85130MHz1.9常用处理理器的每每指令耗耗费能量量2、采集识识别采集识别别功能经经常涉及及到一个个称作变变送器的的概念。。所谓变送器(transducer)是指将一一种物理理能量变变为另一一种物理理能量的的器件，，包括传传感器和和执行器器两种类类型。3、无线通通信无线通信信模块由由无线射射频电路路和天线线组成，，是网络络节点中中最主要要的耗能能部件。。无线通信信技术通通常包括括IEEE802.11b、IEEE802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID和IrDA等。无线技术频率距离/m功耗传输速率/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表示数字1~9物联网常常用的无无线通信信技术通信芯片片的传输输距离受受多种因因素的影影响。最最重要的的因素是是芯片的的发射功率率。显然发发射功率率越大，，则信号号传输的的距离越越远。一般来说说，发射射功率和和传输距距离的关关系是P∝dn，这里P表示发射射功率，，d表示传输输距离，，n通常为3～4之间的常常数。如如果要实实现2倍的传输输距离，，发射功功率需要要增加8～16倍。影响传输输距离的的另一重重要因素素是接收收机的灵敏度。在其他他因素不不变的情情况下，，提高接接收灵敏敏度可以以增加传传输的距距离。采用x表示功率率的dBm值，P表示功率率的绝对对值(瓦)，则1mW相当于0dBm，而1W相当于30dBm。无线射频频电路设设计考虑虑三个问问题：天线设计计阻抗匹配配电磁兼容容天线的性性能指标标:天线增益益天线效率率天线电压压驻波比比天线增益益是指天线线在能量量发射最最大方向向上的增增益。天线效率率是指天线线以电磁磁波的形形式发射射到空中中的能量量与自身身消耗能能量的比比值，其其中自身身消耗的的能量是是以热的的形式散散发。天线电压压驻波比比用来衡量量传输线线与天线线之间阻阻抗失配配的程度度。当天天线电压压驻波比比值越高高，表示示阻抗失失配程度度越高，，则信号号能量损损耗越大大。在通常情情况下，，内置天线线由于便于于携带，，且具有有免受机机械和外外界环境境损害等等优点，，常常是是设计时时的首选选方案。。第二种天天线是将将简单的的导线天线线或金属条条带天线线作为元元件，安安装在电电路板上上。第三种天天线是特特殊的陶瓷天线线元件。第四种是是外置天线线，它没有有内置天天线的尺尺寸限制制，通常常离网络络节点的的噪声源源的距离离较远，，因而具具有很高高的无线线通信传传输性能能。天线种类类射频放大大输出部部分与天天线之间间的阻抗匹配配情况，直直接关系系到功率率的利用用效率。。由于网网络节点点通常使使用较高高的工作作频率，，因而必必须考虑虑导线和和PCB基板的材材质、PCB走线、器器件的分分布参数数等诸多多可能造造成失配配的因素素。通常网络络节点体体积小，，包括微微处理器器、存储储器、传传感器和和天线在在内的各各种器件件，它们们聚集在在相对狭狭小的空空间，因因而任何何不合理理的设计计都可能能带来严严重的电磁兼容容问题。采用电池供电电是目前最最常见的的无线网网络节点点供电方方式。按按照电池池能否充充电，电电池可分分为可充充电电池池和不可可充电电电池；根根据电极极材料，，电池可可以分为为镍铬电电池、镍镍锌电池池、银锌锌电池、、锂电池池和锂聚聚合物电电池等。。网络节点点在某些些情况下下可以直直接从外界环境获取取足够的的能量，，包括通通过光电电效应、、机械振振动等方方式获取取能量。。最常见见的能量量收集技技术包括括太阳能能、风能能、热能能、电磁磁能和机机械能等等。4、供应电电能5、外围电电路网络节点点的外围围模块主主要包括括看门狗狗电路、、I/O电路和低低电量检检测电路路等。看门狗(WatchDog)是一种增增强系统统鲁棒性性的措施施，能有有效防止止系统进进入死循循环或程程序跑飞飞。看门狗的的工作过程程如下：在在系统运运行以后后启动看看门狗的的计数器器，看门门狗开始始自动计计数。如如果到达达了指定定的置位位，看门门狗计数数器就会会溢出，，引起看看门狗中中断，造造成系统统复位，，恢复正正常程序序流程。。8.1..2网络节点点设计案案例1、Mica系列节点点概述Mica系列节点点的组网网示意图图MICA2系列MPR4x0的实物MICA2DOT系列列MPR5x0的实物物MICAz系列列MPR2400的实实物多传感器器模块MTS300//310的实物物多传感器器模块MTS510的的实物8.2操作系统统8.2..1节点操作作系统的的特点①物联网节节点的操操作系统统代码量量必须尽尽可能小小。②能适应网网络拓扑扑动态变变化的应应用环境境。③对监测环环境发生生的事件件能快速速响应，，迅速执执行相关关的处理理任务。。④能有效地地管理能能量资源源、计算算资源、、存储资资源和通通信资源源。⑤必须支持持多个节节点协作作完成监监测任务务。⑥让开发者者方便地地开发应应用程序序，无需需过多关关注对底底层硬件件的操作作。⑦能通过可可靠传输输技术对对大量节节点发布布代码，，实现在在线动态态重新编编程。8.2..2节点操作作系统的的使用案案例TinyOS的特点：①采用基于于组件的的体系结结构，这这种结构构广泛应应用在嵌嵌入式操操作系统统。②采用事件件驱动机机制，适适用于节节点众多多、并发发操作频频繁发生生的传感感器网络络应用。。③采用轻量量级线程程技术和和基于先先进先出出(FIFO)的任务队队列调度度方法。。④采用基于于事件驱驱动模式式的主动动消息通通信方式式，这种种方式已已经广泛泛用于分分布式并并行计算算。TinyOS有两种安装方式：一种是使使用安装装向导自自动安装装，另一一种是全全手动安安装。不不管使用用哪种方方式，都都需要安安装相同同的RPM。RPM即ReliabilityPerformanceMeasure，是广泛泛使用的的用于交交付开源源软件的的工具，，用户可可以轻松松地安装装或升级级RPM打包的产产品。TinyOS应用程序序示例接口(interface)是一个双双向通道道，表明明接口具具有的功功能和事事件通知知能力是是双向的的，向调调用者提提供命令令和实现现命令者者进行事事件通告告。接口的例例子：interfaceNAME{{asycommandresult_tCNAME(pramp);;asyeventresult__tENAME(pramp);;}Blink程序的层层次结构构Main配件的层层次结构构8.3..1软件系统统的分层层结构网络节点点软件系系统的分分层结构构8.3..2软件系统统的开发发内容网络节点点的软件件开发需需要使用用基于框框架的组组件。这这种框架架运用自自适应的的中间件件系统，，通过动动态交换换和运行行组件，，支撑高高层的应应用服务务架构，，加速和和简化应应用系统统的设计计。网络节点点设计的的三个环环节：①数据采集集功能的的设计②单个节点点功能的的设计③网络功能能的设计计网络功能能框架的的组件单个节点点功能框框架的组组件8.3..3后台管理理软件可视化的的后台管管理软件件是物联联网系统统的一个个重要组组成部分分，是获获取和分分析网络络数据的的重要工工具。从微观角角度来看看，物联联网节点点状态的的获取难难度远大大于传统统有线网网络的节点。从宏观角角度来看看，物联联网的运运行效率率和性能能也比一一般网络络难以度度量和分分析。后台管理理软件的的组成后台管理理软件由由数据库库、数据据处理引引擎、图图形用户户界面和和后台组组件四个个部分组组成。典型的后后台管理理软件(1)MoteView软件MoteView是Windows平台下支支持传感感器网络络系统的的可视化化监控软软件。MoteView作为传感感器网络络客户端端管理和和监控软软件，提提供Windows图形用户户界面，，主要作作用包括括：管理理和监控控系统；；发送命命令指示示；报警警功能；；Mote编程功能能；网络络诊断。。(2)SNAMP软件中科院开开发的SNAMP(SensorNetworkAnalysisandManagementPlatform)软件包括括串口、、数据处处理模块块、实时时显示模模块等主主要模块块。SNAMP还提供了了多种形形式的用用户接口口，包括括拓扑树树、实时时点列表表等，满满足用户户在分析析和管理理传感器器网络时时的需求求。MoteView显示示的传感感器数据据列表MoteView输出出的传感感器信号号波形SNAMP实时显示示传感器器网络拓拓扑结构构示例8.4ZigBee网络系统统的设计计开发案案例ZigBee是一种面面向自动动化和无无线控制制的低速速率、低低功耗和和低成本本的无线线网络方方案。ZigBee无线设备备工作在在公共频频段(全球2.4GHz、美国915MHz、欧洲868MHz)，传输距距离为10～75m，具体数数值取决决于射频频环境和和特定应应用条件件下的输输出功耗耗。ZigBee的通信速速率低于于蓝牙，，由电池池供电，，并希望望在不更更换电池池并且不不充电的的情况下下能正常常工作几几个月甚甚至几年年。ZigBee的通信速速率在2.4GHz时为250kbps，在915MHz时为40kbps，在868MHz时为20kbps。常见无线线通信协协议的应应用范围围ZigBee的物理设设备分为为功能简化化型设备和功能完备备型设备。ZigBee支持三种种拓扑结结构：星型(Star)结构、网状(Mesh)结构和簇树型(ClusterTree)结构。ZigBee网络的拓拓扑结构构星型最常常见，可可提供长长时间电电池寿命命；网状状网络有有多条传传输路径径，具有有高可靠靠性；簇簇树型网网络结合合了星型型和网状状型结