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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 5.1.1 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5.1.3 仿真平台的选择和设计5.1.4 传感器网络工程测试床5.2 网络结点的硬件开发5.2.1 硬件开发概述5.2.2 传感器结点的模块化设计5.2.3 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5.3.1 网络结点操作系统5.3.2 软件开发5.3.3 后台管理软件,5.1 仿真平台和工作测试床,1、网络研究与设计的三种方法,1,对所研究对象和所依存的网络系统进行分析，抽象出数学分析模型。,2,主要内容是建立测试床和实验室。,3,
2、应用网络模拟软件来仿真网络系统的运行效果。,分析方法,实验方法,模拟方法,5.1.1 战场器网络的仿真技术概述,1,全新的模拟实验机理，在高度复杂的网络环境得到高可信度结果的特点。,2,使用范围广，既可以用于现有网络的优化和扩容，也可以用于新网络的设计。,3,初期应用成本不高，而且建好的网络模型可以延续使用，后期投资还会不断下降。,可信度高,使用范围广,成本低,2、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,5.1.1 战场器网络的仿真技术概述,5.1.1 战场器网络的仿真技术概述,1、TOSSIM,TinyOS是为传感器网络节点而设计一个操作系统。它能够
3、快速实现各种应用。TOSSIM是TinyOS自带的仿真工具，提供运行时的调试和配置功能。,5.1.2 常用网络仿真软件平台,2、OMNeT+,OMNeT+被称作离散事件模拟系统(Discrete Event Simulation System，DESS)。它是一种面向对象的离散事件建模仿真器。这种仿真软件工具采用了特别定义的NED语言来完成。,5.1.2 常用网络仿真软件平台,3、Matlab,Matlab是指矩阵实验室（Matrix Laboratory）。它具备卓越的数值计算能力，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。,5.1.2 常用网络仿真软件平台,4、OP
4、NET,OPNET是MIL3公司开发的网络仿真软件产品。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。OPNET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。,5.1.2 常用网络仿真软件平台,OPNET,WDM Guru,ServiceProviderGuru,OPNET Modeler,ITGuru,为技术人员提供一个网络技术和产品开发平台。,面向网络服务提供商的智能化网络管理软件。,帮助网络专业人士预测和分析网络和网络应用的性能、诊断问题。,用于波分复用光纤网络的分析、评测,它的四个系列产品核心包括：,1、仿真平台的选择,仿真平台种类多、功能各异，设计方法也
5、不一样.每个仿真器都是在某些性能方面比较突出，而在其他方面又不重视。在选择仿真平台时，需要综合考虑各个因素，在其中寻找一个平衡点以获得最佳的仿真效果。,5.1.3 仿真平台的选择和设计,2、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：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。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。,5.1.3 仿真平台的选择和设计,Motelab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Web的无线传感器网络测试床。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。,5.1.3
6、仿真平台的选择和设计,SensoNet是美国亚特兰大市乔治亚州技术学院电子与计算机工程学校宽带无线网络实验室研制的传感器网络试验床。SensoNet试验床是由三部分组成：核心网、核心接入网和传感器现场。,5.1.3 仿真平台的选择和设计,SensoNet工程测试床的场景和部分实物,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、硬件系统的设计特点和要求,微型化,扩展性和灵活性,稳定性和安全性,低成本,低功耗,硬 件节 点,5.2.1 硬件开发概述,2、硬件系统的设计内容,传感器节点主要由数据处理模块、换能器模块、无线通信模块、电源模块和其他外围模块组成。换能器模块包括各种传感
7、器和执行器，用于感知数据和执行各种控制动作。,5.2.1 硬件开发概述,1、数据处理模块设计要考虑的五个方面的问题：,节能设计,处理速度的选择,低成本,小体积,安全性,硬 件节 点,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,5.2.2 传感器节点的模块化设计,2、换能器模块,所谓换能器(transducer)是指将一种物理能量变为另一种物理能量的器件，包括传感器和执行器两种类型。大部分传感器的输出是模拟信号，因此必须进行模/数转换。在网络节点中配置模/数和数/模转换器(ADC和DAC)，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。,5.2.2
8、 传感器节点的模块化设计,3、无线通信模块,无线通信模块由无线射频电路和天线组成。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。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。,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,5.2.2 传感器节点的模块化设计,常用短距离无线芯片的主要参数,5.2.2 传感器节点的模块化设计,在无线射频电路设计中，主要考虑以下三个问题：,天线增益是指天线在能量发射最大方向上的增益，天线的增益越高，通信距离就越远。,天线设计,1,天线效率是指天线以电磁波的形式发射到空中的能量与自身消耗能量的比值，信号能量损耗越大。,5
9、.2.2 传感器节点的模块化设计,射频放大输出部分与天线之间的阻抗匹配情况，直接关系到功率的利用效率。由于传感器节点使用较高的工作频率，因而必须考虑导线、PCB走线、器件的分布参数等可能造成失配的因素。,阻抗匹配,2,5.2.2 传感器节点的模块化设计,电磁兼容问题容易导致微处理器和无线接收器出现不正常的工作状况。因为微处理器有很多外部引脚，各引脚上的引线通常连接到节点内部的各个部位，受到干扰影响的可能性很大。无线接收器本身就是用于接收电磁信号的，因此如果信号或强信号的高次谐波分量落在接收电路的通带范围内，就可能造成误码和阻塞等问题。,电磁兼容,3,5.2.2 传感器节点的模块化设计,电池供电
10、是目前最常见的传感器节点供电方式。按照电池能否充电，电池可分为可充电电池和不可充电电池；根据电极材料，电池可以分为镍铬电池、镍锌电池、银锌电池、锂电池和锂聚合物电池等。,电源模块设计,4,5.2.2 传感器节点的模块化设计,常见电池的性能参数,5.2.2 传感器节点的模块化设计,传感器网络节点的外围模块主要包括看门狗电路、I/O电路和低电量检测电路等。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。,外围模块设计,5,5.2.2 传感器节点的模块化设计,1、Mica系列节点,Mica系列节点是由U.C.Berkeley大学研制，Crossbow公司生产的
11、无线传感器节点。,5.2.3 传感器节点的开发实例,MICAz系列MPR2400的实物,5.2.3 传感器节点的开发实例,多传感器模块MTS300/310,MTS510实物,串行网关MIB510,Stargate 网关SPB400,Mica系列产品的处理器均采用Atmel公司的ATmegal28L：Mica节点的无线通信射频芯片均采用Chipcon公司的CCXXXX系列射频产品。Mica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。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。,1、网络节点操作系统
12、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：,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。能快速响应。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。提供方便的编程方法。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、TinyOS操作系统介绍,5.3.1 网络节点操作系统,采用基于组件的体系结构。采用事件驱动机制，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。采用轻量级线程技术和先进先出的任务队列调度方法。采用基于事件驱动模式的主动消息通信方式。,1、传感器网络软件开发的特点和要求,通常传
13、感器网络的软件运行采用分层结构,5.3.2 软件开发,传感器网络因资源受限、动态性强和以数据中心，网络节点的软件系统开发设计具有如下特点：具有自适应功能。保证节点的能量优化。采用模块化设计。面向具体应用。具有维护和升级功能。,5.3.2 软件开发,节点应用框架的组件,网络应用框架的组件,5.3.2 软件开发,3、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完全适合于传感器网络的软件开发，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程模式.,（1）抽象域编程（2）以对象为中心的
14、编程（3）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、图形用户界面和后台组件四个部分组成。,5.3.3 后台管理软件,数据库用于存储所有数据，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、探测数据和网络运行的一些信息等。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，以及接受图形用户界面产生的数据等。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
15、绘制组件等。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。,5.3.3 后台管理软件,2、MoteView软件介绍,MoteView是Windows平台下支持传感器网络系统的可视化监控软件。无线网络中所有节点的数据通过基站储存在 PostreSQL数据库中。MoteView能够将这些数据从数据库中读取并显示出来，也能够实时地显示基站接收到的数据。MoteView作为无线传感器网络客户端管理和监控软件，功能是提供Windows 图形用户界面，主要作用包括：,管理和监控系统,发送命令指示,报警功能,Mote 编程功能,网络诊断,5.3.3 后台管理软件,MoteView显示的传感器数据列表,5.3.3 后台管理软件,MoteView输出的传感器信号波形,5.3.3 后台管理软件,3、SNAMP软件介绍,中科院开发的SNAMP包括串口、数据处理模块、实时显示模块等主要模块。模块化的设计使得整个系统层次扩展性良好。,5.3.3 后台管理软件,SNAMP的实时曲线是应用于Windows服务器端和客户端开发的一种图表组件，是对绘制图表和图表分析功能所需要的数据和方法的简单封装。,5.3.3 后台管理软件,52,the end 谢 谢！,
