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1、第八章第八章 物联网的应用开发基础物联网的应用开发基础8.1.1 网网络节络节点的硬件点的硬件设计设计1、数据、数据处处理理 信息采集和数据信息采集和数据处处理是物理是物联联网的重要特征之一。每网的重要特征之一。每个网个网络终络终端端节节点都具有一定的智能性,能点都具有一定的智能性,能对对数据数据进进行行预预处处理,并根据感知的情况做出不同理,并根据感知的情况做出不同处处理。理。从处理器的角度来看,网络节点分为两类:从处理器的角度来看,网络节点分为两类:一一类类采采用用以以ARM处处理理器器为为代代表表的的高高 端端处处理理器器。另另一一类类是是以以采采用用低低端端微微控控制制器器为为代代表表
2、的的节节点点。该该类类节节点点的的处处理理能能力力较较弱弱,但但是是能能量量消消耗耗也也很很小小。厂商厂商芯片型号芯片型号RAM容量容量/KBFlash容量容量/KB正常工作正常工作电电流流/mA睡眠模式下睡眠模式下的的电电流流/AAtmelMega10341285.51Mega1284128820Mega165/325/6454642.52MicrochipPIC87x0.36821Intel8051 8位位Classic0.5323058051 16位位1164510Philips51 16位位260153MotorolaHC050.5326.690HC082328100HCS084606
3、.51TIMSP14x16位位2601.51MSP16x16位位104821AtmelAT91 ARM Thumb256102438160IntelXScale PXA27X256N/A39574SamsungS44B08N/A605常见的微控制器性能比较芯片型号芯片型号运行运行电压电压(V)运行运行频频率率单单位指令消耗能位指令消耗能量量(nJ)ATMega3.34MHz4ARM Thumb1.840MHz0.21C1213.332KHz0.2IBM 405LP1152MHz0.35C1213.325MHz0.5TMS320VC55101.5200MHz0.8Xscale PXA2501.3
4、400MHz1.1IBM 405LP1.8380MHz1.3Xscale PXA2500.85130MHz1.9常用处理器的每指令耗费能量2 2、采集识别、采集识别、采集识别、采集识别 采集识别功能经常涉及到一个称作变送器的概念。所采集识别功能经常涉及到一个称作变送器的概念。所谓谓变送器变送器(transducer)是指将一种物理能量变为另一种物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。理能量的器件,包括传感器和执行器两种类型。3 3、无线通信、无线通信、无线通信、无线通信 无线通信模块由无线射频电路和天线组成,是网络节点中最无线通信模块由无线射频电路和天线组成,
5、是网络节点中最主要的耗能部件。主要的耗能部件。无线通信技术通常包括无线通信技术通常包括IEEE 802.11b、IEEE 802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID和和IrDA等等。无无无无线线线线技技技技术术术术频频频频率率率率距离距离距离距离/m/m功耗功耗功耗功耗传输传输传输传输速率速率速率速率/kbps/kbpsBluetoothBluetooth2.4GHz2.4GHz1010低低低低1000010000802.11b802.11b2.4GHz2.4GHz100100高高高高1100011000RFIDRFID50kHz5.850kHz5.8GHzGHz5
6、5 200200ZigBeeZigBee2.4GHz2.4GHz10751075低低低低250250IrDAIrDAInfraredInfrared1 1低低低低1600016000UWBUWB3.110.6G3.110.6GHzHz1010低低低低100000100000RFRF30010003001000MHzMHz10X100X10X100X低低低低10X10XX X表示数字表示数字表示数字表示数字1919物联网常用的无线通信技术 通信芯片的通信芯片的传输传输距离受多种因素的影响。最重要的因素是芯片距离受多种因素的影响。最重要的因素是芯片的的发发射功率射功率。显显然然发发射功率越大,射功
7、率越大,则则信号信号传输传输的距离越的距离越远远。一般来一般来说说,发发射功率和射功率和传输传输距离的关系是距离的关系是Pdn,这这里里P表示表示发发射功率,射功率,d表示表示传输传输距离,距离,n通常通常为为34之之间间的常数。如果要的常数。如果要实现实现2倍的倍的传输传输距离,距离,发发射功率需要增加射功率需要增加816倍。倍。影响影响传输传输距离的另一重要因素是接收机的距离的另一重要因素是接收机的灵敏度灵敏度。在其他因素。在其他因素不不变变的情况下,提高接收灵敏度可以增加的情况下,提高接收灵敏度可以增加传输传输的距离的距离。采用采用x表示功率的表示功率的dBm值值,P表示功率的表示功率的
8、绝对值绝对值(瓦瓦),则则 1mW相当于相当于0dBm,而,而1W相当于相当于30dBm。无线射频电路设计考虑三个问题:无线射频电路设计考虑三个问题:无线射频电路设计考虑三个问题:无线射频电路设计考虑三个问题:u 天线设计天线设计天线设计天线设计u 阻抗匹配阻抗匹配阻抗匹配阻抗匹配u 电磁兼容电磁兼容电磁兼容电磁兼容天线的性能指标天线的性能指标天线的性能指标天线的性能指标:u 天线增益天线增益天线增益天线增益u 天线效率天线效率天线效率天线效率u 天线电压驻波比天线电压驻波比天线电压驻波比天线电压驻波比天线增益天线增益是指天线在能量发射最大方向上的增益。是指天线在能量发射最大方向上的增益。天线
9、效率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,其中自身消耗的能量是以热的形式散身消耗能量的比值,其中自身消耗的能量是以热的形式散发。发。天线电压驻波比天线电压驻波比用来衡量传输线与天线之间阻抗失配的程用来衡量传输线与天线之间阻抗失配的程度。当天线电压驻波比值越高,表示阻抗失配程度越高,度。当天线电压驻波比值越高,表示阻抗失配程度越高,则信号能量损耗越大。则信号能量损耗越大。在通常情况下,在通常情况下,内置天线内置天线由于便于携带,且具有免受机械和由于便于携带,且具有免受机械和外界环境损害等优点,常常是设计时的首选方案。外界环境
10、损害等优点,常常是设计时的首选方案。第二种天线是将简单的第二种天线是将简单的导线天线导线天线或金属条带天线作为元件,安或金属条带天线作为元件,安装在电路板上。装在电路板上。第三种天线是特殊的第三种天线是特殊的陶瓷天线陶瓷天线元件。元件。第四种是第四种是外置天线外置天线,它没有内置天线的尺寸限制,通常离网络,它没有内置天线的尺寸限制,通常离网络节点的噪声源的距离较远,因而具有很高的无线通信传输性能。节点的噪声源的距离较远,因而具有很高的无线通信传输性能。天线种类 射频放大输出部分与天线之间的射频放大输出部分与天线之间的阻抗匹配阻抗匹配情况,直接关系到功情况,直接关系到功率的利用效率。由于网络节点
11、通常使用较高的工作频率,因而率的利用效率。由于网络节点通常使用较高的工作频率,因而必须考虑导线和必须考虑导线和PCB基板的材质、基板的材质、PCB走线、器件的分布参数走线、器件的分布参数等诸多可能造成失配的因素。等诸多可能造成失配的因素。通常网络节点体积小,包括微处理器、存储器、传感器和天线通常网络节点体积小,包括微处理器、存储器、传感器和天线在内的各种器件,它们聚集在相对狭小的空间,因而任何不合在内的各种器件,它们聚集在相对狭小的空间,因而任何不合理的设计都可能带来严重的理的设计都可能带来严重的电磁兼容电磁兼容问题。问题。采用采用电池供电电池供电是目前最常见的无线网络节点供电方式。按照电是目
12、前最常见的无线网络节点供电方式。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。池和锂聚合物电池等。网络节点在某些情况下可以直接从网络节点在某些情况下可以直接从外界外界环境获取足够的能量,环境获取足够的能量,包括通过光电效应、机械振动等方式获取能量。最常见的能量包括通过光电效应、机械振动等方式获取能量。最常见的能量收集技术包括太阳能、风能、热能、电磁能和机械能等。收集技术包括太阳能、风能、热能、电磁能和
13、机械能等。4、供、供应电应电能能5、外、外围电围电路路 网络节点的外围模块主要包括看门狗电路、网络节点的外围模块主要包括看门狗电路、I/O电路和低电电路和低电量检测电路等。量检测电路等。看门狗看门狗(Watch Dog)是一种增强系统鲁棒性的措施,能有是一种增强系统鲁棒性的措施,能有效防止系统进入死循环或程序跑飞。效防止系统进入死循环或程序跑飞。看门狗的看门狗的工作过程工作过程如下:在系统运行以后启动看门狗的计如下:在系统运行以后启动看门狗的计数器,看门狗开始自动计数。如果到达了指定的置位,看数器,看门狗开始自动计数。如果到达了指定的置位,看门狗计数器就会溢出,引起看门狗中断,造成系统复位,门
14、狗计数器就会溢出,引起看门狗中断,造成系统复位,恢复正常程序流程。恢复正常程序流程。8.1.2 网络节点设计案例网络节点设计案例1、Mica系列系列节节点概述点概述Mica系列系列节节点的点的组组网示意网示意图图MICA2 系列MPR4x0的实物MICA2DOT系列MPR5x0的实物MICAz系列MPR2400的实物多传感器模块MTS300/310的实物多传感器模块MTS510的实物8.2 操作系统操作系统8.2.1 节节点操作系点操作系统统的特点的特点 物联网节点的操作系统代码量必须尽可能小。物联网节点的操作系统代码量必须尽可能小。能适应网络拓扑动态变化的应用环境。能适应网络拓扑动态变化的应
15、用环境。对监测环境发生的事件能快速响应,迅速执行相关的处理任务。对监测环境发生的事件能快速响应,迅速执行相关的处理任务。能有效地管理能量资源、计算资源、存储资源和通信资源。能有效地管理能量资源、计算资源、存储资源和通信资源。必须支持多个节点协作完成监测任务。必须支持多个节点协作完成监测任务。让开发者方便地开发应用程序,无需过多关注对底层硬件的操作。让开发者方便地开发应用程序,无需过多关注对底层硬件的操作。能通过可靠传输技术对大量节点发布代码,实现在线动态重新编程。能通过可靠传输技术对大量节点发布代码,实现在线动态重新编程。8.2.2 节节点操作系点操作系统统的使用案例的使用案例TinyOSTi
16、nyOS的的的的特点特点特点特点:采用基于组件的体系结构,这种结构广泛应用在嵌入式操作系统。采用基于组件的体系结构,这种结构广泛应用在嵌入式操作系统。采用事件驱动机制,适用于节点众多、并发操作频繁发生的传感采用事件驱动机制,适用于节点众多、并发操作频繁发生的传感器网络应用。器网络应用。采用轻量级线程技术和基于先进先出采用轻量级线程技术和基于先进先出(FIFO)的任务队列调度方法。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,这种方式已经广泛采用基于事件驱动模式的主动消息通信方式,这种方式已经广泛用于分布式并行计算。用于分布式并行计算。TinyOS 有两种有两种安装安装方式方式:一
17、种是使用安装向导自动一种是使用安装向导自动安装,另一种是全手动安装。不管使用哪种方式,都需要安装,另一种是全手动安装。不管使用哪种方式,都需要安装相同的安装相同的RPM。RPM 即即 Reliability Performance Measure,是广泛使用的用于交付开源软件的工具,用户,是广泛使用的用于交付开源软件的工具,用户可以轻松地安装或升级可以轻松地安装或升级 RPM 打包的产品。打包的产品。TinyOS应用程序示例 接口接口(interface)是一个双向通道,表明接口具有的功能是一个双向通道,表明接口具有的功能和事件通知能力是双向的,向调用者提供命令和实现命令者和事件通知能力是双向
18、的,向调用者提供命令和实现命令者进行事件通告。进行事件通告。接口的例子:接口的例子:interface NAME asy commandresult_t CNAME(pram p);asy eventresult_tENAME(pram p);Blink程序的层次结构Main配件的层次结构软软件系件系统统的分的分层结层结构构网网络节络节点点软软件系件系统统的分的分层结层结构构8.3.2 软软件系件系统统的开的开发发内容内容 网络节点的软件开发需要使用基于框架的组件。这种框网络节点的软件开发需要使用基于框架的组件。这种框架运用自适应的中间件系统,通过动态交换和运行组件,支架运用自适应的中间件系统
19、,通过动态交换和运行组件,支撑高层的应用服务架构,加速和简化应用系统的设计。撑高层的应用服务架构,加速和简化应用系统的设计。网络节点设计的三个环节:网络节点设计的三个环节:网络节点设计的三个环节:网络节点设计的三个环节:数据采集功能的设计数据采集功能的设计数据采集功能的设计数据采集功能的设计 单个节点功能的设计单个节点功能的设计单个节点功能的设计单个节点功能的设计 网络功能的设计网络功能的设计网络功能的设计网络功能的设计网网络络功能框架的功能框架的组组件件单个节点功能框架的组件单个节点功能框架的组件8.3.3 后台管理后台管理软软件件 可视化的后台管理软件是物联网系统的一个重要组成部分,可视化
20、的后台管理软件是物联网系统的一个重要组成部分,是获取和分析网络数据的重要工具。是获取和分析网络数据的重要工具。从微观角度来看,物联网节点状态的获取难度远大于传统从微观角度来看,物联网节点状态的获取难度远大于传统有线网络有线网络的节的节点。点。从宏观角度来看,物联网的运行效率和性能也比一般网络从宏观角度来看,物联网的运行效率和性能也比一般网络难以度量和分析。难以度量和分析。后台管理软件的组成 后台管理软件由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台后台管理软件由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件四个部分组成。组件四个部分组成。典型的后台管理典型的后台管理软软件件(1)MoteView软软
21、件件 MoteView是是Windows平台下支持传感器网络系统的可视化监平台下支持传感器网络系统的可视化监控软件。控软件。MoteView作为传感器网络客户端管理和监控软件,提供作为传感器网络客户端管理和监控软件,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;令指示;报警功能;Mote 编程功能;网络诊断。编程功能;网络诊断。(2)SNAMP软软件件 中科院开发的中科院开发的SNAMP(Sensor Network Analysis and Management Platform)软件包括串口、数据处
22、理模块、实时显示软件包括串口、数据处理模块、实时显示模块等主要模块。模块等主要模块。SNAMP还提供了多种形式的用户接口,包括拓扑还提供了多种形式的用户接口,包括拓扑树、实时点列表等,满足用户在分析和管理传感器网络时的需求。树、实时点列表等,满足用户在分析和管理传感器网络时的需求。MoteView显示的传感器数据列表MoteView输出的传感器信号波形SNAMP实时显示传感器网络拓扑结构示例8.4 ZigBee网络系统的设计开发案例网络系统的设计开发案例 ZigBee是一种面向自是一种面向自动动化和无化和无线线控制的低速率、低功耗和低成控制的低速率、低功耗和低成本的无本的无线线网网络络方案。方
23、案。ZigBee无无线设备线设备工作在公共工作在公共频频段段(全球全球2.4GHz、美国、美国915MHz、欧洲欧洲868MHz),传输传输距离距离为为1075m,具体数,具体数值值取决于射取决于射频环频环境境和特定和特定应应用条件下的用条件下的输输出功耗。出功耗。ZigBee的通信速率低于蓝牙,由电池供电,并希望在不更换电的通信速率低于蓝牙,由电池供电,并希望在不更换电池并且不充电的情况下能正常工作几个月甚至几年。池并且不充电的情况下能正常工作几个月甚至几年。ZigBee的的通信速率在通信速率在2.4GHz时为时为250kbps,在,在915MHz时为时为40kbps,在,在868MHz时为
24、时为20kbps。常见无线通信协议的应用范围 ZigBee的物理的物理设备设备分分为为功能功能简简化型化型设备设备和和功能完功能完备备型型设备设备。ZigBee支持三种拓扑支持三种拓扑结结构:构:星型星型(Star)结结构、构、网状网状(Mesh)结结构和构和簇簇树树型型(Cluster Tree)结结构。构。ZigBee网络的拓扑结构星型最常星型最常见见,可提供,可提供长时间电长时间电池寿命;网状网池寿命;网状网络络有多条有多条传输传输路径,具有高可靠路径,具有高可靠性;簇性;簇树树型网型网络结络结合了星型和网状型合了星型和网状型结结构,既有构,既有较较高可靠性,又高可靠性,又节节省省电电池
25、能量。池能量。(1)数据数据传输传输速率低速率低(2)有效范有效范围围小小(3)工作工作频频段灵活段灵活(4)省省电电(5)可靠可靠(6)成本低成本低(7)时时延短延短(8)网网络络容量大容量大(9)安全性能好安全性能好ZigBee网络的特点 ZigBee网络系统的设计网络系统的设计1、硬件、硬件设计设计要点要点ZigBee芯片硬件设计的要点在于芯片硬件设计的要点在于ZigBee芯片和微处理器芯片和微处理器(MCU)之间的配合,每个协议栈都是在某个型号或序列的微之间的配合,每个协议栈都是在某个型号或序列的微处理器和处理器和ZigBee芯片配合的基础上编写的芯片配合的基础上编写的。电路设计电路设计ZigBee应用大多采用四层板结构,需要满足良好的应用大多采用四层板结构,需要满足良好的电磁兼容性能要求。电磁兼容性能要求。2、软软件件设计设计步步骤骤建立建立Profile初始化初始化编写应用层代码编写应用层代码本章总结 物联网的应用开发是一项实践性很强的技术,涉及到多门学科知识,通过有机结合形成物联网的应用功能。本章介绍了物联网应用开发所涉及的硬件设计、节点操作系统和软件设计的内容,并以ZigBee网络系统为例,介绍了具体的设计开发案例。本章内容属于物联网应用的基础知识,通过学习应能掌握常见网络应用方案的设计方法,理解物联网设计的基本原理。the end谢 谢!
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