物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)課件

第八章物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)8.1硬件開(kāi)發(fā)8.2操作系統(tǒng)8.3物聯(lián)網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)8.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)案例第八章物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)8.1硬件開(kāi)發(fā)8.2操作系統(tǒng)8.1.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)1、數(shù)據(jù)處理

信息采集和數(shù)據(jù)處理是物聯(lián)網(wǎng)的重要特征之一。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)都具有一定的智能性，能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并根據(jù)感知的情況做出不同處理。8.1.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)1、數(shù)據(jù)處理從處理器的角度來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為兩類：

一類采用以ARM處理器為代表的高端處理器。

另一類是以采用低端微控制器為代表的節(jié)點(diǎn)。該類節(jié)點(diǎn)的處理能力較弱，但是能量消耗也很小。從處理器的角度來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為兩類：廠商芯片型號(hào)RAM容量/KBFlash容量/KB正常工作電流/mA睡眠模式下的電流/μAAtmelMega10341285.51Mega1284128820Mega165/325/6454642.52MicrochipPIC87x0.36821Intel80518位Classic0.532305805116位1164510Philips5116位260153MotorolaHC050.5326.690HC082328100HCS084606.51TIMSP14x16位2601.51MSP16x16位104821AtmelAT91ARMThumb256102438160IntelXScalePXA27X256N/A39574SamsungS44B08N/A605常見(jiàn)的微控制器性能比較廠商芯片型號(hào)RAM容量/KBFlash容量/KB正常工作電流芯片型號(hào)運(yùn)行電壓（V）運(yùn)行頻率單位指令消耗能量(nJ)ATMega3.34MHz4ARMThumb1.840MHz0.21C1213.332KHz0.2IBM405LP1152MHz0.35C1213.325MHz0.5TMS320VC55101.5200MHz0.8XscalePXA2501.3400MHz1.1IBM405LP1.8380MHz1.3XscalePXA2500.85130MHz1.9常用處理器的每指令耗費(fèi)能量芯片型號(hào)運(yùn)行電壓（V）運(yùn)行頻率單位指令消耗能量(nJ)ATM2、采集識(shí)別

采集識(shí)別功能經(jīng)常涉及到一個(gè)稱作變送器的概念。所謂變送器(transducer)是指將一種物理能量變?yōu)榱硪环N物理能量的器件，包括傳感器和執(zhí)行器兩種類型。2、采集識(shí)別3、無(wú)線通信

無(wú)線通信模塊由無(wú)線射頻電路和天線組成，是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中最主要的耗能部件。無(wú)線通信技術(shù)通常包括IEEE802.11b、IEEE802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID和IrDA等。3、無(wú)線通信無(wú)線技術(shù)頻率距離/m功耗傳輸速率/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表示數(shù)字1~9物聯(lián)網(wǎng)常用的無(wú)線通信技術(shù)

無(wú)線技術(shù)頻率距離/m功耗傳輸速率/kbpsBluetooth

通信芯片的傳輸距離受多種因素的影響。最重要的因素是芯片的發(fā)射功率。顯然發(fā)射功率越大，則信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)射功率和傳輸距離的關(guān)系是P∝dn，這里P表示發(fā)射功率，d表示傳輸距離，n通常為3～4之間的常數(shù)。如果要實(shí)現(xiàn)2倍的傳輸距離，發(fā)射功率需要增加8～16倍。影響傳輸距離的另一重要因素是接收機(jī)的靈敏度。在其他因素不變的情況下，提高接收靈敏度可以增加傳輸?shù)木嚯x。通信芯片的傳輸距離受多種因素的影響。最重要的因素是芯采用x表示功率的dBm值，P表示功率的絕對(duì)值(瓦)，則1mW相當(dāng)于0dBm，而1W相當(dāng)于30dBm。采用x表示功率的dBm值，P表示功率的絕對(duì)值(瓦)，則無(wú)線射頻電路設(shè)計(jì)考慮三個(gè)問(wèn)題：天線設(shè)計(jì)阻抗匹配電磁兼容無(wú)線射頻電路設(shè)計(jì)考慮三個(gè)問(wèn)題：天線的性能指標(biāo):

天線增益

天線效率

天線電壓駐波比天線的性能指標(biāo):天線增益是指天線在能量發(fā)射最大方向上的增益。

天線效率是指天線以電磁波的形式發(fā)射到空中的能量與自身消耗能量的比值，其中自身消耗的能量是以熱的形式散發(fā)。

天線電壓駐波比用來(lái)衡量傳輸線與天線之間阻抗失配的程度。當(dāng)天線電壓駐波比值越高，表示阻抗失配程度越高，則信號(hào)能量損耗越大。天線增益是指天線在能量發(fā)射最大方向上的增益。

在通常情況下，內(nèi)置天線由于便于攜帶，且具有免受機(jī)械和外界環(huán)境損害等優(yōu)點(diǎn)，常常是設(shè)計(jì)時(shí)的首選方案。

第二種天線是將簡(jiǎn)單的導(dǎo)線天線或金屬條帶天線作為元件，安裝在電路板上。

第三種天線是特殊的陶瓷天線元件。

第四種是外置天線，它沒(méi)有內(nèi)置天線的尺寸限制，通常離網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的噪聲源的距離較遠(yuǎn)，因而具有很高的無(wú)線通信傳輸性能。天線種類在通常情況下，內(nèi)置天線由于便于攜帶，且具有免受機(jī)械和外界

射頻放大輸出部分與天線之間的阻抗匹配情況，直接關(guān)系到功率的利用效率。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常使用較高的工作頻率，因而必須考慮導(dǎo)線和PCB基板的材質(zhì)、PCB走線、器件的分布參數(shù)等諸多可能造成失配的因素。

通常網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小，包括微處理器、存儲(chǔ)器、傳感器和天線在內(nèi)的各種器件，它們聚集在相對(duì)狹小的空間，因而任何不合理的設(shè)計(jì)都可能帶來(lái)嚴(yán)重的電磁兼容問(wèn)題。射頻放大輸出部分與天線之間的阻抗匹配情況，直接關(guān)系到功率的

采用電池供電是目前最常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電方式。按照電池能否充電，電池可分為可充電電池和不可充電電池；根據(jù)電極材料，電池可以分為鎳鉻電池、鎳鋅電池、銀鋅電池、鋰電池和鋰聚合物電池等。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在某些情況下可以直接從外界環(huán)境獲取足夠的能量，包括通過(guò)光電效應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)等方式獲取能量。最常見(jiàn)的能量收集技術(shù)包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、電磁能和機(jī)械能等。4、供應(yīng)電能采用電池供電是目前最常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電方式。按照電池能5、外圍電路

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的外圍模塊主要包括看門(mén)狗電路、I/O電路和低電量檢測(cè)電路等。

看門(mén)狗(WatchDog)是一種增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性的措施，能有效防止系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)或程序跑飛。

看門(mén)狗的工作過(guò)程如下：在系統(tǒng)運(yùn)行以后啟動(dòng)看門(mén)狗的計(jì)數(shù)器，看門(mén)狗開(kāi)始自動(dòng)計(jì)數(shù)。如果到達(dá)了指定的置位，看門(mén)狗計(jì)數(shù)器就會(huì)溢出，引起看門(mén)狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位，恢復(fù)正常程序流程。5、外圍電路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的外圍模塊主要包括看門(mén)狗電路、I/O8.1.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)案例1、Mica系列節(jié)點(diǎn)概述Mica系列節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)示意圖8.1.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)案例1、Mica系列節(jié)點(diǎn)概述MicaMICA2系列MPR4x0的實(shí)物MICA2系列MPR4x0的實(shí)物MICA2DOT系列MPR5x0的實(shí)物MICA2DOT系列MPR5x0的實(shí)物MICAz系列MPR2400的實(shí)物MICAz系列MPR2400的實(shí)物多傳感器模塊MTS300/310的實(shí)物多傳感器模塊MTS300/310的實(shí)物多傳感器模塊MTS510的實(shí)物多傳感器模塊MTS510的實(shí)物8.2操作系統(tǒng)8.2.1節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)①物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)代碼量必須盡可能小。②能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的應(yīng)用環(huán)境。③對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境發(fā)生的事件能快速響應(yīng)，迅速執(zhí)行相關(guān)的處理任務(wù)。④能有效地管理能量資源、計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和通信資源。⑤必須支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。⑥讓開(kāi)發(fā)者方便地開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，無(wú)需過(guò)多關(guān)注對(duì)底層硬件的操作。⑦能通過(guò)可靠傳輸技術(shù)對(duì)大量節(jié)點(diǎn)發(fā)布代碼，實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)態(tài)重新編程。8.2操作系統(tǒng)8.2.1節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)①物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)8.2.2節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的使用案例TinyOS的特點(diǎn)：①采用基于組件的體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在嵌入式操作系統(tǒng)。②采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，適用于節(jié)點(diǎn)眾多、并發(fā)操作頻繁發(fā)生的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。③采用輕量級(jí)線程技術(shù)和基于先進(jìn)先出(FIFO)的任務(wù)隊(duì)列調(diào)度方法。④采用基于事件驅(qū)動(dòng)模式的主動(dòng)消息通信方式，這種方式已經(jīng)廣泛用于分布式并行計(jì)算。8.2.2節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的使用案例TinyOS的特點(diǎn)：TinyOS有兩種安裝方式：一種是使用安裝向?qū)ё詣?dòng)安裝，另一種是全手動(dòng)安裝。不管使用哪種方式，都需要安裝相同的RPM。RPM即ReliabilityPerformanceMeasure，是廣泛使用的用于交付開(kāi)源軟件的工具，用戶可以輕松地安裝或升級(jí)RPM打包的產(chǎn)品。TinyOS有兩種安裝方式：一種是使用安裝TinyOS應(yīng)用程序示例

接口(interface)是一個(gè)雙向通道，表明接口具有的功能和事件通知能力是雙向的，向調(diào)用者提供命令和實(shí)現(xiàn)命令者進(jìn)行事件通告。接口的例子：interfaceNAME{asycommandresult_tCNAME(pramp);asyeventresult_tENAME(pramp);

}TinyOS應(yīng)用程序示例接口(interfaBlink程序的層次結(jié)構(gòu)Blink程序的層次結(jié)構(gòu)Main配件的層次結(jié)構(gòu)Main配件的層次結(jié)構(gòu)8.3.1軟件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)8.3.1軟件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)8.3.2軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)內(nèi)容

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)需要使用基于框架的組件。這種框架運(yùn)用自適應(yīng)的中間件系統(tǒng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)交換和運(yùn)行組件，支撐高層的應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)，加速和簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的三個(gè)環(huán)節(jié)：①數(shù)據(jù)采集功能的設(shè)計(jì)②單個(gè)節(jié)點(diǎn)功能的設(shè)計(jì)③網(wǎng)絡(luò)功能的設(shè)計(jì)8.3.2軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)需網(wǎng)絡(luò)功能框架的組件單個(gè)節(jié)點(diǎn)功能框架的組件網(wǎng)絡(luò)功能框架的組件單個(gè)節(jié)點(diǎn)功能框架的組件8.3.3后臺(tái)管理軟件

可視化的后臺(tái)管理軟件是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是獲取和分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的重要工具。

從微觀角度來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的獲取難度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。

從宏觀角度來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行效率和性能也比一般網(wǎng)絡(luò)難以度量和分析。8.3.3后臺(tái)管理軟件可視化的后臺(tái)管理軟件是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的后臺(tái)管理軟件的組成

后臺(tái)管理軟件由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理引擎、圖形用戶界面和后臺(tái)組件四個(gè)部分組成。后臺(tái)管理軟件的組成后臺(tái)管理軟件由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理引擎典型的后臺(tái)管理軟件(1)MoteView軟件MoteView是Windows平臺(tái)下支持傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可視化監(jiān)控軟件。MoteView作為傳感器網(wǎng)絡(luò)客戶端管理和監(jiān)控軟件，提供Windows圖形用戶界面，主要作用包括：管理和監(jiān)控系統(tǒng)；發(fā)送命令指示；報(bào)警功能；Mote編程功能；網(wǎng)絡(luò)診斷。(2)SNAMP軟件

中科院開(kāi)發(fā)的SNAMP(SensorNetworkAnalysisandManagementPlatform)軟件包括串口、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊等主要模塊。SNAMP還提供了多種形式的用戶接口，包括拓?fù)錁?shù)、實(shí)時(shí)點(diǎn)列表等，滿足用戶在分析和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)的需求。典型的后臺(tái)管理軟件(1)MoteView軟件MoteView顯示的傳感器數(shù)據(jù)列表MoteView顯示的傳感器數(shù)據(jù)列表MoteView輸出的傳感器信號(hào)波形MoteView輸出的傳感器信號(hào)波形SNAMP實(shí)時(shí)顯示傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示例SNAMP實(shí)時(shí)顯示傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示例8.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)案例ZigBee是一種面向自動(dòng)化和無(wú)線控制的低速率、低功耗和低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方案。ZigBee無(wú)線設(shè)備工作在公共頻段(全球2.4GHz、美國(guó)915MHz、歐洲868MHz)，傳輸距離為10～75m，具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境和特定應(yīng)用條件下的輸出功耗。ZigBee的通信速率低于藍(lán)牙，由電池供電，并希望在不更換電池并且不充電的情況下能正常工作幾個(gè)月甚至幾年。ZigBee的通信速率在2.4GHz時(shí)為250kbps，在915MHz時(shí)為40kbps，在868MHz時(shí)為20kbps。8.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)案例ZigBee是一常見(jiàn)無(wú)線通信協(xié)議的應(yīng)用范圍常見(jiàn)無(wú)線通信協(xié)議的應(yīng)用范圍ZigBee的物理設(shè)備分為功能簡(jiǎn)化型設(shè)備和功能完備型設(shè)備。ZigBee支持三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型(Star)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)構(gòu)和簇樹(shù)型(ClusterTree)結(jié)構(gòu)。ZigBee的物理設(shè)備分為功能簡(jiǎn)化型設(shè)備和功能完備型設(shè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型最常見(jiàn)，可提供長(zhǎng)時(shí)間電池壽命；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)有多條傳輸路徑，具有高可靠性；簇樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了星型和網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)，既有較高可靠性，又節(jié)省電池能量。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型最常見(jiàn)，可提供長(zhǎng)時(shí)間電池壽(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低(2)有效范圍小(3)工作頻段靈活(4)省電(5)可靠(6)成本低(7)時(shí)延短(8)網(wǎng)絡(luò)容量大(9)安全性能好ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)ZigBee芯片硬件設(shè)計(jì)的要點(diǎn)在于ZigBee芯片和微處理器(MCU)之間的配合，每個(gè)協(xié)議棧都是在某個(gè)型號(hào)或序列的微處理器和ZigBee芯片配合的基礎(chǔ)上編寫(xiě)的。電路設(shè)計(jì)ZigBee應(yīng)用大多采用四層板結(jié)構(gòu)，需要滿足良好的電磁兼容性能要求。2、軟件設(shè)計(jì)步驟建立Profile初始化編寫(xiě)應(yīng)用層代碼ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1、硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)ZigBee芯片本章總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)，涉及到多門(mén)學(xué)科知識(shí)，通過(guò)有機(jī)結(jié)合形成物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用功能。本章介紹了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)所涉及的硬件設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容，并以ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，介紹了具體的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)案例。本章內(nèi)容屬于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)學(xué)習(xí)應(yīng)能掌握常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案的設(shè)計(jì)方法，理解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的基本原理。本章總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)，涉及到多門(mén)theend謝謝！theend第八章物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)8.1硬件開(kāi)發(fā)8.2操作系統(tǒng)8.3物聯(lián)網(wǎng)軟件設(shè)計(jì)8.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)案例第八章物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)8.1硬件開(kāi)發(fā)8.2操作系統(tǒng)8.1.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)1、數(shù)據(jù)處理

信息采集和數(shù)據(jù)處理是物聯(lián)網(wǎng)的重要特征之一。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)都具有一定的智能性，能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并根據(jù)感知的情況做出不同處理。8.1.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)1、數(shù)據(jù)處理從處理器的角度來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為兩類：

一類采用以ARM處理器為代表的高端處理器。

另一類是以采用低端微控制器為代表的節(jié)點(diǎn)。該類節(jié)點(diǎn)的處理能力較弱，但是能量消耗也很小。從處理器的角度來(lái)看，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為兩類：廠商芯片型號(hào)RAM容量/KBFlash容量/KB正常工作電流/mA睡眠模式下的電流/μAAtmelMega10341285.51Mega1284128820Mega165/325/6454642.52MicrochipPIC87x0.36821Intel80518位Classic0.532305805116位1164510Philips5116位260153MotorolaHC050.5326.690HC082328100HCS084606.51TIMSP14x16位2601.51MSP16x16位104821AtmelAT91ARMThumb256102438160IntelXScalePXA27X256N/A39574SamsungS44B08N/A605常見(jiàn)的微控制器性能比較廠商芯片型號(hào)RAM容量/KBFlash容量/KB正常工作電流芯片型號(hào)運(yùn)行電壓（V）運(yùn)行頻率單位指令消耗能量(nJ)ATMega3.34MHz4ARMThumb1.840MHz0.21C1213.332KHz0.2IBM405LP1152MHz0.35C1213.325MHz0.5TMS320VC55101.5200MHz0.8XscalePXA2501.3400MHz1.1IBM405LP1.8380MHz1.3XscalePXA2500.85130MHz1.9常用處理器的每指令耗費(fèi)能量芯片型號(hào)運(yùn)行電壓（V）運(yùn)行頻率單位指令消耗能量(nJ)ATM2、采集識(shí)別

采集識(shí)別功能經(jīng)常涉及到一個(gè)稱作變送器的概念。所謂變送器(transducer)是指將一種物理能量變?yōu)榱硪环N物理能量的器件，包括傳感器和執(zhí)行器兩種類型。2、采集識(shí)別3、無(wú)線通信

無(wú)線通信模塊由無(wú)線射頻電路和天線組成，是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中最主要的耗能部件。無(wú)線通信技術(shù)通常包括IEEE802.11b、IEEE802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID和IrDA等。3、無(wú)線通信無(wú)線技術(shù)頻率距離/m功耗傳輸速率/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表示數(shù)字1~9物聯(lián)網(wǎng)常用的無(wú)線通信技術(shù)

無(wú)線技術(shù)頻率距離/m功耗傳輸速率/kbpsBluetooth

通信芯片的傳輸距離受多種因素的影響。最重要的因素是芯片的發(fā)射功率。顯然發(fā)射功率越大，則信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)射功率和傳輸距離的關(guān)系是P∝dn，這里P表示發(fā)射功率，d表示傳輸距離，n通常為3～4之間的常數(shù)。如果要實(shí)現(xiàn)2倍的傳輸距離，發(fā)射功率需要增加8～16倍。影響傳輸距離的另一重要因素是接收機(jī)的靈敏度。在其他因素不變的情況下，提高接收靈敏度可以增加傳輸?shù)木嚯x。通信芯片的傳輸距離受多種因素的影響。最重要的因素是芯采用x表示功率的dBm值，P表示功率的絕對(duì)值(瓦)，則1mW相當(dāng)于0dBm，而1W相當(dāng)于30dBm。采用x表示功率的dBm值，P表示功率的絕對(duì)值(瓦)，則無(wú)線射頻電路設(shè)計(jì)考慮三個(gè)問(wèn)題：天線設(shè)計(jì)阻抗匹配電磁兼容無(wú)線射頻電路設(shè)計(jì)考慮三個(gè)問(wèn)題：天線的性能指標(biāo):

天線增益

天線效率

天線電壓駐波比天線的性能指標(biāo):天線增益是指天線在能量發(fā)射最大方向上的增益。

天線效率是指天線以電磁波的形式發(fā)射到空中的能量與自身消耗能量的比值，其中自身消耗的能量是以熱的形式散發(fā)。

天線電壓駐波比用來(lái)衡量傳輸線與天線之間阻抗失配的程度。當(dāng)天線電壓駐波比值越高，表示阻抗失配程度越高，則信號(hào)能量損耗越大。天線增益是指天線在能量發(fā)射最大方向上的增益。

在通常情況下，內(nèi)置天線由于便于攜帶，且具有免受機(jī)械和外界環(huán)境損害等優(yōu)點(diǎn)，常常是設(shè)計(jì)時(shí)的首選方案。

第二種天線是將簡(jiǎn)單的導(dǎo)線天線或金屬條帶天線作為元件，安裝在電路板上。

第三種天線是特殊的陶瓷天線元件。

第四種是外置天線，它沒(méi)有內(nèi)置天線的尺寸限制，通常離網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的噪聲源的距離較遠(yuǎn)，因而具有很高的無(wú)線通信傳輸性能。天線種類在通常情況下，內(nèi)置天線由于便于攜帶，且具有免受機(jī)械和外界

射頻放大輸出部分與天線之間的阻抗匹配情況，直接關(guān)系到功率的利用效率。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常使用較高的工作頻率，因而必須考慮導(dǎo)線和PCB基板的材質(zhì)、PCB走線、器件的分布參數(shù)等諸多可能造成失配的因素。

通常網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小，包括微處理器、存儲(chǔ)器、傳感器和天線在內(nèi)的各種器件，它們聚集在相對(duì)狹小的空間，因而任何不合理的設(shè)計(jì)都可能帶來(lái)嚴(yán)重的電磁兼容問(wèn)題。射頻放大輸出部分與天線之間的阻抗匹配情況，直接關(guān)系到功率的

采用電池供電是目前最常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電方式。按照電池能否充電，電池可分為可充電電池和不可充電電池；根據(jù)電極材料，電池可以分為鎳鉻電池、鎳鋅電池、銀鋅電池、鋰電池和鋰聚合物電池等。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在某些情況下可以直接從外界環(huán)境獲取足夠的能量，包括通過(guò)光電效應(yīng)、機(jī)械振動(dòng)等方式獲取能量。最常見(jiàn)的能量收集技術(shù)包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、熱能、電磁能和機(jī)械能等。4、供應(yīng)電能采用電池供電是目前最常見(jiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電方式。按照電池能5、外圍電路

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的外圍模塊主要包括看門(mén)狗電路、I/O電路和低電量檢測(cè)電路等。

看門(mén)狗(WatchDog)是一種增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性的措施，能有效防止系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)或程序跑飛。

看門(mén)狗的工作過(guò)程如下：在系統(tǒng)運(yùn)行以后啟動(dòng)看門(mén)狗的計(jì)數(shù)器，看門(mén)狗開(kāi)始自動(dòng)計(jì)數(shù)。如果到達(dá)了指定的置位，看門(mén)狗計(jì)數(shù)器就會(huì)溢出，引起看門(mén)狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位，恢復(fù)正常程序流程。5、外圍電路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的外圍模塊主要包括看門(mén)狗電路、I/O8.1.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)案例1、Mica系列節(jié)點(diǎn)概述Mica系列節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)示意圖8.1.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)案例1、Mica系列節(jié)點(diǎn)概述MicaMICA2系列MPR4x0的實(shí)物MICA2系列MPR4x0的實(shí)物MICA2DOT系列MPR5x0的實(shí)物MICA2DOT系列MPR5x0的實(shí)物MICAz系列MPR2400的實(shí)物MICAz系列MPR2400的實(shí)物多傳感器模塊MTS300/310的實(shí)物多傳感器模塊MTS300/310的實(shí)物多傳感器模塊MTS510的實(shí)物多傳感器模塊MTS510的實(shí)物8.2操作系統(tǒng)8.2.1節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)①物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)代碼量必須盡可能小。②能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的應(yīng)用環(huán)境。③對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境發(fā)生的事件能快速響應(yīng)，迅速執(zhí)行相關(guān)的處理任務(wù)。④能有效地管理能量資源、計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和通信資源。⑤必須支持多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。⑥讓開(kāi)發(fā)者方便地開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，無(wú)需過(guò)多關(guān)注對(duì)底層硬件的操作。⑦能通過(guò)可靠傳輸技術(shù)對(duì)大量節(jié)點(diǎn)發(fā)布代碼，實(shí)現(xiàn)在線動(dòng)態(tài)重新編程。8.2操作系統(tǒng)8.2.1節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)①物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)8.2.2節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的使用案例TinyOS的特點(diǎn)：①采用基于組件的體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在嵌入式操作系統(tǒng)。②采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，適用于節(jié)點(diǎn)眾多、并發(fā)操作頻繁發(fā)生的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。③采用輕量級(jí)線程技術(shù)和基于先進(jìn)先出(FIFO)的任務(wù)隊(duì)列調(diào)度方法。④采用基于事件驅(qū)動(dòng)模式的主動(dòng)消息通信方式，這種方式已經(jīng)廣泛用于分布式并行計(jì)算。8.2.2節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的使用案例TinyOS的特點(diǎn)：TinyOS有兩種安裝方式：一種是使用安裝向?qū)ё詣?dòng)安裝，另一種是全手動(dòng)安裝。不管使用哪種方式，都需要安裝相同的RPM。RPM即ReliabilityPerformanceMeasure，是廣泛使用的用于交付開(kāi)源軟件的工具，用戶可以輕松地安裝或升級(jí)RPM打包的產(chǎn)品。TinyOS有兩種安裝方式：一種是使用安裝TinyOS應(yīng)用程序示例

接口(interface)是一個(gè)雙向通道，表明接口具有的功能和事件通知能力是雙向的，向調(diào)用者提供命令和實(shí)現(xiàn)命令者進(jìn)行事件通告。接口的例子：interfaceNAME{asycommandresult_tCNAME(pramp);asyeventresult_tENAME(pramp);

}TinyOS應(yīng)用程序示例接口(interfaBlink程序的層次結(jié)構(gòu)Blink程序的層次結(jié)構(gòu)Main配件的層次結(jié)構(gòu)Main配件的層次結(jié)構(gòu)8.3.1軟件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)8.3.1軟件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)8.3.2軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)內(nèi)容

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)需要使用基于框架的組件。這種框架運(yùn)用自適應(yīng)的中間件系統(tǒng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)交換和運(yùn)行組件，支撐高層的應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)，加速和簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的三個(gè)環(huán)節(jié)：①數(shù)據(jù)采集功能的設(shè)計(jì)②單個(gè)節(jié)點(diǎn)功能的設(shè)計(jì)③網(wǎng)絡(luò)功能的設(shè)計(jì)8.3.2軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件開(kāi)發(fā)需網(wǎng)絡(luò)功能框架的組件單個(gè)節(jié)點(diǎn)功能框架的組件網(wǎng)絡(luò)功能框架的組件單個(gè)節(jié)點(diǎn)功能框架的組件8.3.3后臺(tái)管理軟件

可視化的后臺(tái)管理軟件是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，是獲取和分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的重要工具。

從微觀角度來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的獲取難度遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。

從宏觀角度來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行效率和性能也比一般網(wǎng)絡(luò)難以度量和分析。8.3.3后臺(tái)管理軟件可視化的后臺(tái)管理軟件是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的后臺(tái)管理軟件的組成

后臺(tái)管理軟件由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理引擎、圖形用戶界面和后臺(tái)組件四個(gè)部分組成。后臺(tái)管理軟件的組成后臺(tái)管理軟件由數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)處理引擎典型的后臺(tái)管理軟件(1)MoteView軟件MoteView是Windows平臺(tái)下支持傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可視化監(jiān)控軟件。MoteView作為傳感器網(wǎng)絡(luò)客戶端管理和監(jiān)控軟件，提供Windows圖形用戶界面，主要作用包括：管理和監(jiān)控系統(tǒng)；發(fā)送命令指示；報(bào)警功能；Mote編程功能；網(wǎng)絡(luò)診斷。(2)SNAMP軟件

中科院開(kāi)發(fā)的SNAMP(SensorNetworkAnalysisandManagementPlatform)軟件包括串口、數(shù)據(jù)處理模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊等主要模塊。SNAMP還提供了多種形式的用戶接口，包括拓?fù)錁?shù)、實(shí)時(shí)點(diǎn)列表等，滿足用戶在分析和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)的需求。典型的后臺(tái)管理軟件(1)MoteView軟件Mote