第3章3無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

第3章3無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)第一頁，共70頁。無線傳感網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)概述2中央處理模塊3高頻無線通信模塊4傳感模塊

5能量供應(yīng)模塊

6節(jié)點(diǎn)外圍功能模塊7典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)8無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開發(fā)1第二頁，共70頁。2面向應(yīng)用的多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗硬件設(shè)計(jì)31無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總體構(gòu)架2無線音頻傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3無線圖像傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4無線視頻傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗問題2MEMS技術(shù)基本原理3MEMS通信設(shè)計(jì)原理4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件供能模塊設(shè)計(jì)第三頁，共70頁。1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)概述一、硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)與要求

（1）輕量化（2）擴(kuò)展性和靈活性

（3）穩(wěn)定性和安全性

（4）低成本二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件系統(tǒng)的主要組成

（1）普通傳感器節(jié)點(diǎn)

（2）匯聚節(jié)點(diǎn)

（3）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)第四頁，共70頁。三、節(jié)點(diǎn)基本構(gòu)架應(yīng)用系統(tǒng)層嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核層設(shè)備驅(qū)動層功能部件層為終端用戶提供了面向應(yīng)用的系統(tǒng)控制方式與工作方法。在設(shè)備與應(yīng)用之間建立連接，提供軟硬件系統(tǒng)調(diào)用的方式，同時為上層應(yīng)用提供功能服務(wù)。為底層物理部件提供設(shè)備驅(qū)動功能與策略。整個節(jié)點(diǎn)的硬件基礎(chǔ)。包括所有硬件模塊組成與系統(tǒng)底層調(diào)用的集合。第五頁，共70頁。四、節(jié)點(diǎn)各模塊及調(diào)用關(guān)系用戶界面接口中央主控處理模塊信息傳感模塊能量供應(yīng)模塊基站控制模塊高頻無線通信模塊第六頁，共70頁。各模塊功能說明：（1）中央主控處理模塊

中央主控處理模塊是整個節(jié)點(diǎn)的核心模塊，進(jìn)行系統(tǒng)全局調(diào)

度以及與用戶交互。（2）用戶界面接口

用戶界面接口為用戶提供了選擇、控制、傳感信息采集，以

及信號傳輸方式的選取等諸多服務(wù)。（3）高頻無線通信模塊

高頻無線通信模塊包括了低噪聲放大、混頻、濾波、調(diào)制解調(diào)等

多個操作步驟，將傳感信息以無線頻譜的方式，在相應(yīng)的頻段上進(jìn)

行傳輸，同時，接收來自自組網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它節(jié)點(diǎn)的傳感信息傳遞，并

實(shí)時與基站節(jié)點(diǎn)溝通。（4）信息傳感模塊

信息傳感模塊采用了可插拔的部件設(shè)計(jì)技術(shù)，將各種不同

的傳感

應(yīng)用設(shè)計(jì)為可靈活組合的傳感模塊。（5）能量供應(yīng)模塊

能量供應(yīng)模塊為上述所有模塊提供能源供給，針對系統(tǒng)的4種工作

方式，提供相對應(yīng)的能源供給方式。第七頁，共70頁。2中央處理模塊一、功能概述（1）接收來自各類型傳感器的測量數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理，交由無線通信模塊發(fā)送。（2）讀取無線通信模塊接收到的數(shù)據(jù)和控制信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并實(shí)現(xiàn)對其它模塊的控制。（3）實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各種算法和協(xié)議，如MAC協(xié)議、路由協(xié)議、定位算法等。二、設(shè)計(jì)需求

（1）體積盡量小（2）集成度盡量高（3）要有足夠的外部通用I/O端口和通信接口（4）成本盡量低（5)低功耗且支持睡眠模式（6）運(yùn)行速度要盡量快第八頁，共70頁。三、模塊的內(nèi)核中央處理AVR內(nèi)核地址傳送單元地址匹配單元RAM模塊SPI編程單元定時器模塊RF串行接口UARTRF定時部件數(shù)字I/ORF時鐘部件ADC控制器通道監(jiān)聽部分?jǐn)?shù)據(jù)總線第九頁，共70頁。四、時鐘系統(tǒng)1、時鐘系統(tǒng)概述

時鐘系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的重要組成部分，同節(jié)點(diǎn)的工作頻率直接相關(guān)，并貫穿于傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信息交互及程序燒寫等多個過程。2、典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時鐘系統(tǒng)組成部分

CPU核心時鐘。CPU核心時鐘與操作微處理器內(nèi)核的子系統(tǒng)（如通用工作寄存器文件、狀態(tài)寄存器及保存堆棧指針的數(shù)據(jù)存儲器）相連。

I/O時鐘。I/O時鐘用于主要的I/O模塊（如定時器/計(jì)數(shù)器、SPI和USART）。

Flash時鐘。Flash時鐘控制Flash接口操作。這個時鐘通常與CPU核心時鐘同步。異步定時器時鐘。異步定時器時鐘允許異步定時器/計(jì)數(shù)器直接由外部32

kHz時鐘晶體驅(qū)動，使得此定時器/計(jì)數(shù)器即使在睡眠模式下仍然可以為系統(tǒng)提供一個實(shí)時時鐘。

ADC時鐘。ADC具有專門的時鐘，這樣可以在ADC工作時停止CPU和I/O時鐘以降低數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲，從而提高ADC轉(zhuǎn)換精度第十頁，共70頁。五、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

節(jié)點(diǎn)內(nèi)部一般都集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換部件。以Mica2節(jié)點(diǎn)為例，其內(nèi)部集成了一個10位的逐次逼近型的ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對來自端口的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。六、典型的中央處理模塊

當(dāng)前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中使用較多的處理器有ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)，而TI公司的MSP430超低功耗系列處理器，不僅功能完整、集成度高，而且能夠根據(jù)存儲容量的多少提供多種引腳兼容，使開發(fā)者很容易根據(jù)應(yīng)用對象平滑升級系統(tǒng)。在新一代無線傳感器節(jié)點(diǎn)Telos中使用的就是這種處理器。作為2000年以來32位嵌入式處理器市場中紅極一時的嵌入式ARM處理器，極有可能成為下一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的考慮對象。第十一頁，共70頁。3高頻無線通信模塊一、工作狀態(tài)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高頻無線通信模塊包括發(fā)送、接收、空閑、睡眠4種工作狀態(tài)，其中，空閑狀態(tài)時需要節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽無線信道，檢查信道中是否有自己要接收的數(shù)據(jù)；在睡眠狀態(tài)時則需要關(guān)閉無線通信模塊。

圖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)各部分能耗第十二頁，共70頁。二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信芯片的選擇

隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信芯片的體積越來越小，價(jià)格也越來越低，這也更符合了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)微型化和低成本的要求。所以，在無線通信芯片的選擇中就要更加關(guān)注于芯片的性能，包括載波頻段、工作電壓、傳輸距離等。三、無線通信模塊與中央處理模塊的交互PDATAPCLKPALEATmegal128LSPI_MISOSPI_SCKCHP_OUTADC0CC1000DIODCLKCHP_OUTRSSI第十三頁，共70頁。10.1.4傳感模塊一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳感模塊概述傳統(tǒng)意義上的傳感器一般包括傳感器探頭和變送系統(tǒng)兩部分。傳感器的工作原理一般是；首先，將測到物理量的變化通過各種機(jī)制轉(zhuǎn)換成電阻、電容或者電感變化；隨后，這些電子特性變化通過轉(zhuǎn)換電路（如阻橋電路）轉(zhuǎn)換成電壓信號；接著，電壓信號經(jīng)過積分電路、放大電路進(jìn)行整形處理；最后，采集電路（ADC）將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。第十四頁，共70頁。5能量供應(yīng)模塊為了盡可能降低節(jié)點(diǎn)的能耗，延長其使用壽命，設(shè)計(jì)過程中，可以為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)選擇多種靈活的工作模式，配置各種可選的電源管理方案。具體包括如下幾種模式。（1）空閑模式（2）ADC噪聲抑制模式（3）掉電模式（4）省電模式（5）等待模式第十五頁，共70頁。6節(jié)點(diǎn)外圍功能模塊一、串行Flash模塊無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理器模塊內(nèi)部一般都有一定容量的存儲空間。典型傳器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)外部存儲模塊原理圖如10-20所示。第十六頁，共70頁。二、信號指示和報(bào)警部件無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信號指示和報(bào)警部件主要是指其亮燈電路和蜂鳴電路。亮燈電路用來指示節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，并可實(shí)現(xiàn)部分傳感信息的通告（如火災(zāi)報(bào)警、溫度超標(biāo)報(bào)警等）。另外，報(bào)警部件也可實(shí)現(xiàn)信息通告和事件報(bào)警。第十七頁，共70頁。三、外部接口（1）標(biāo)準(zhǔn)接口無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)要想得到廣泛的應(yīng)用，就必須擁有完整、通用的標(biāo)準(zhǔn)接口，以便于節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)功能的擴(kuò)展。這里仍以Mica2節(jié)點(diǎn)為例，該節(jié)點(diǎn)擁有一個51針的通用標(biāo)準(zhǔn)I/O接口，主要用于傳感面板和節(jié)點(diǎn)的連接與信息交互。電路原理圖如圖10-22所示，其實(shí)物圖如圖10-23所示。第十八頁，共70頁。（2）編程接口電路JTAG編程方法

JTAG接口首先被芯片制造商或者板卡制造商用來檢查芯片是否工作正常；其次JTAG接口可以用來調(diào)試處理器芯片，從硬件上控制處理器芯片的運(yùn)行流程，包括單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)、讀寫芯片內(nèi)部寄存器和存儲器。SPI編程方法 SPI接口通過3根線（1條時鐘線SPI_SCK、2條收發(fā)數(shù)據(jù)線UART_RXD0和UART_TXD0，注意SPI串口編程使用的數(shù)據(jù)線不是SPI_MOSI和SPI_MISO）完成編程。

串口電路串口電路一般只有基站節(jié)點(diǎn)才有。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般所用的AVR單片機(jī)的輸入輸出電平為TTL電平，而PC機(jī)配置的是RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者電氣規(guī)范不一致；因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

第十九頁，共70頁。常用微處理器及其關(guān)鍵特性第二十頁，共70頁。常用通信芯片及其關(guān)鍵特性常用通信芯片：CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz；采用串口通信模式時速率只能達(dá)到19.2KbpsCC2420：工作頻率2.4GHz，是一款完全符合IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范的芯片；傳輸率250Kbps第二十一頁，共70頁。常用傳感器及其關(guān)鍵特性第二十二頁，共70頁。WSN節(jié)點(diǎn)的發(fā)展第一代（1996~1999）：UCLA的WINS，UCBerkeley的SmartDust、WeC和Rene。第二代（2000~2001）：UCB的Mica與Dot，MIT的uAMPS-I和uAMPS-II,Rockwell公司的HYDRA。第三代（2002~2003）：Mica2和MicaDot2，NASAJPL實(shí)驗(yàn)室的SensorWeb。第四代（2004~）：MicaZ、Telos、EmberNode、Imote、Imote2。第二十三頁，共70頁。典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

（1）Smartdust

主要特點(diǎn)：

①采用MEMS技術(shù)，體積微小

②具有長期工作的潛力。

③采用光通信方式。

④其傳輸?shù)姆较蛐?、無視距阻礙的要求給節(jié)點(diǎn)的部署帶來很大挑戰(zhàn)。

（2）Mica系列節(jié)點(diǎn)Mica系列節(jié)點(diǎn)是加州大學(xué)伯克利分校研制的用于傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的演示平臺的試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)。產(chǎn)品包括WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2dot和Spec等，其中Mica2和Mica2dot節(jié)點(diǎn)已經(jīng)由Crossbow公司包裝生產(chǎn)。第二十四頁，共70頁。（3）TmoteSky

TmoteSky是MoteIV公司生產(chǎn)的超低功耗的、高數(shù)據(jù)傳輸率的下一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，是由Moteiv’sTelosRevisionB版本改進(jìn)而來，使用TI公司的超低功耗微處理器芯片MSP430，通信模塊采用了Chipcon公司支持IEEE802.15.4協(xié)議的CC2420芯片，可與其它IEEE802.15.4的設(shè)備協(xié)同工作，250kbit/s的數(shù)據(jù)收發(fā)速率可以使節(jié)點(diǎn)更快完成通信事件的處理，快速休眠，節(jié)省系統(tǒng)能量。第二十五頁，共70頁。第二十六頁，共70頁。第二十七頁，共70頁。MPR400系列的MICA2節(jié)點(diǎn)第二十八頁，共70頁。MTS300CA傳感板第二十九頁，共70頁。MIB510編程板第三十頁，共70頁。TI公司的cc2430\2530芯片CC2430/2530是TI公司的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求。結(jié)合高性能2.4GHzDSSS射頻收發(fā)器和小巧高效的8051控制器。

TI開發(fā)套件由專業(yè)人士精心設(shè)計(jì)，具有基于2004/2006/2007/PRO協(xié)議棧的開發(fā)模板、完整的原理圖及例程源碼。針對CC2430/CC2530芯片的Zigbee開發(fā)套件可與IARforMCS-51集成開發(fā)環(huán)境無縫連接。第三十一頁，共70頁。硬件連接圖第三十二頁，共70頁。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗問題概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò)有很大的區(qū)別。GSM、WiFi、CDMA等無線網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供盡可能高的服務(wù)質(zhì)量，節(jié)點(diǎn)的能量可以進(jìn)行補(bǔ)充，因此消耗是次要考慮的問題。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)不能補(bǔ)充能量，盡可能延長網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存周期成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)。傳感器由部分組成：通信模塊、計(jì)算模塊、傳感器模塊和能量供應(yīng)模塊。由于傳感器模塊通常情況下能耗很低，并且可以通過在應(yīng)用的范圍內(nèi)適當(dāng)延長采樣周期，降低采樣精度的方法來降低傳感模塊的能耗，因此通常只考慮計(jì)算模塊和通信模塊的能耗問題。第三十三頁，共70頁。MEMS技術(shù)基本原理MEMS（MicroElectroMechanicalSystems）即微電子機(jī)械系統(tǒng)，是在融合多種微細(xì)加工技術(shù)，并應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的最新成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高科技前沿學(xué)科。通過微電子技術(shù)和微加工技術(shù)，它可以將機(jī)械組件、驅(qū)動部分、光學(xué)系統(tǒng)和電路控制部分集成為一個完整的微系統(tǒng)。第三十四頁，共70頁。MEMS器件采用哪種材料制造？①由于集成電路的發(fā)展，使得當(dāng)前所能大量生產(chǎn)的單晶硅具有純凈、廉價(jià)的優(yōu)勢。②已經(jīng)開發(fā)出的大量針對硅材料的加工和處理技術(shù)已經(jīng)非常成熟。③基于硅的MEMS設(shè)計(jì)，提供了集成控制和信號處理電路的潛能。④硅的物理和機(jī)械特性使它在設(shè)計(jì)機(jī)械傳感器方面有著很大的優(yōu)勢。第三十五頁，共70頁。MEMS通信設(shè)計(jì)理論一、射頻通信技術(shù)在設(shè)計(jì)必需使用RF技術(shù)的節(jié)點(diǎn)時，采用MEMS技術(shù)能有效地減小收發(fā)器的體積。天線的大小是RF技術(shù)在無線傳感器節(jié)點(diǎn)的小型化設(shè)計(jì)中的最大障礙之一。MEMS技術(shù)目前已經(jīng)被用于不同頻段的平面或三維微型天線中，以提高天線的效率和縮小天線的尺寸。RF技術(shù)由于自身因素的限制，并不適合于小型化的無線傳感器節(jié)點(diǎn)中使用。原因如下。①為了保證某些波段的通信有效性，天線長度會到達(dá)幾厘米，這對節(jié)點(diǎn)的小型化設(shè)計(jì)來說是不可接受的。②

RF發(fā)射器效率較低。第三十六頁，共70頁。二、光通信技術(shù)光通信優(yōu)點(diǎn)：①可用做通信的光源可以很小，如激光二極管等。②發(fā)送效率比RF技術(shù)要高。③可以采用空分復(fù)用的方式進(jìn)行通信，光的指向性可以使傳感器在多個方向進(jìn)行多路傳輸，這比RF技術(shù)的復(fù)用方式更簡單，且效率更高。光通信缺點(diǎn)：依賴于光線的直線傳播，通信距離短，且對定向性要求很高。但是可以利用MEMS技術(shù)和有效的算法來解決這些問題。第三十七頁，共70頁。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件功能模塊設(shè)計(jì)一、能量存儲單元希望微電池所能具有的特點(diǎn)如下。①能量密度盡量高。②通過簡單的配置就可以對傳感器的各部件進(jìn)行直接供電，而盡量減少電壓或其它的轉(zhuǎn)換。③在某些條件下具有多次充電使用的能力。

研究現(xiàn)狀：研究人員已開發(fā)出充電次數(shù)多達(dá)1400次，而且功率比傳統(tǒng)器件高100倍的納米級陽極和陰極。三維納米結(jié)構(gòu)和制造方法，將帶來擴(kuò)散距離短但卻含有充足的物質(zhì)足以推動MEMS器件和微電子電路的電池。第三十八頁，共70頁。二、能量再生單元微型傳感器的功能模塊最理想的情況是可以從環(huán)境中連續(xù)地獲取能量。但是實(shí)際上，從環(huán)境中獲取能量都不可避免地受到各種因素的影響，使得獲取的能量不夠平穩(wěn)，甚至斷斷續(xù)續(xù)。因此，在采用能量再生單元的同時還必須使用能量存儲單元來獲得穩(wěn)定的能量供應(yīng)。第三十九頁，共70頁。8無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開發(fā)套件二、可上傳式燒寫器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)我們自行開發(fā)設(shè)計(jì)了一款帶有串口上傳功能的可燒寫（下載）器（通過一個自鎖開關(guān)來進(jìn)行功能的選定）。該下載器與AVRStudio完全兼容，并可在TinyOS、MantisOS及Disware中間件上直接使用。它可以燒寫包括ATmega8、ATmega16、ATmega32、ATmega64、ATmega128、ATmega8535、ATtiny2313、AT89S51/52等幾十種常用的單片機(jī)。一、可插拔下載編程轉(zhuǎn)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

轉(zhuǎn)接板具有如下特點(diǎn)：面積較小屏蔽不同的硬件設(shè)計(jì)配合自制的程序下載工具，具有串口上傳功能

第四十頁，共70頁。（1）下載（燒寫）功能

為了實(shí)現(xiàn)下載功能，則需要將事先編寫好的、符合STK500協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的程序固件燒寫進(jìn)入該編程器的主控芯片ATmega8535中（這時燒寫器作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)模塊，需將10芯數(shù)據(jù)線的RST引腳更改到8535的RST端，燒寫ATmega8535時，需將其導(dǎo)通）。（2）數(shù)據(jù)上傳功能其設(shè)計(jì)思路相對來說較為簡單，將10芯數(shù)據(jù)線中在實(shí)現(xiàn)燒寫功能時所閑置的兩根數(shù)據(jù)線利用起來，當(dāng)選定使用下載功能時，這兩根線直接通過10芯接口，將目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RXD、TXD引腳通過MAX3232與串口頭直接連接起來，從而實(shí)現(xiàn)上傳功能。第四十一頁，共70頁。（3）PCB板設(shè)計(jì)圖在PCB板的設(shè)計(jì)上，遵循靈活、方便、小巧的理念。通過導(dǎo)通兩個孔來實(shí)現(xiàn)對主控芯片ATmega8535的固件下載；通過一個自鎖開關(guān)來選定切換上傳和下載的功能。其硬件PCB設(shè)計(jì)圖如圖10-37所示。第四十二頁，共70頁。1無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總體架構(gòu)一、無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素

實(shí)時同步性

高可靠與低功耗

可拓展性與可交互性

穩(wěn)定性與物理可靠安全性

低成本和低開銷

網(wǎng)絡(luò)信息處理Qos保障

信息安全保證

海量數(shù)據(jù)存儲第四十三頁，共70頁。二、無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)組成具體包含如下組成部分：（1）高速可擴(kuò)展多媒體數(shù)據(jù)采集模塊與現(xiàn)實(shí)終端（2）多媒體數(shù)據(jù)控制與處理中心設(shè)計(jì)（3）基于UWB的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊快設(shè)計(jì)（4）高性能多媒體編/解碼模塊設(shè)計(jì)（5）多協(xié)作無線多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)模塊第四十四頁，共70頁。2無線音頻傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)作為能夠?qū)崟r傳輸音頻信號的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，除了應(yīng)具有常規(guī)的處理器模塊、無線通信模塊、能量供應(yīng)模塊外，還需要加入音頻信號處理所特有的濾波電路模塊、音頻放大模塊及音頻編解碼模塊。一、濾波電路模塊

綜合考慮成本、能耗、器件大小等因素，選擇RC無源帶通網(wǎng)絡(luò)作為濾波網(wǎng)絡(luò)。圖10-40所示為多媒體音頻節(jié)點(diǎn)上的濾波網(wǎng)絡(luò)模塊電路。第四十五頁，共70頁。二、音頻放大模塊

采用通用、高效、成本低廉的LM386來作為音頻放大電路的核心芯片。其整個模塊的電路圖10-41所示。該電路能實(shí)現(xiàn)200倍的放大增益。三、音頻編解碼模塊這里所采用的CMX639，使用連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（CVSD）來對語音信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。第四十六頁，共70頁。四、音頻傳感器技術(shù)指標(biāo)音頻傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表10-12所示。第四十七頁，共70頁。3無線圖像傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、結(jié)構(gòu)與組成多媒體圖像傳感器節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)包括了一個CMOS圖像傳感器、一個高性能的微控制器（如ATmega128L）、一個輔控制器（Tiny12）及外圍輔助電路。二、工作時序與數(shù)據(jù)格式對圖像傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集的的控制都是通過I2C總線對寄存器寫值進(jìn)行的，標(biāo)準(zhǔn)的I2C通信只需要兩個引腳，即SDA和SCL。SCL為低電平時SDA的值允許改變，SCL取高電平時SDA只能維持原值，SDA狀態(tài)的改變被用來表示起始和停止條件。第四十八頁，共70頁。通過I2C總線傳輸給圖像傳感器的具體數(shù)據(jù)格式如圖10-47所示，其中器件

ID表示從機(jī)的ID，格式為110CCCX，第一個C表示CS1引腳的值，第二個C表示CS2引腳的值，第三個C表示CS3引腳的值，X為1表示是讀總線數(shù)據(jù)，為0表示往總線寫數(shù)據(jù)。子地址表示傳感器寄存器地址，數(shù)據(jù)表示往寄存器寫的具體值。三、總線數(shù)據(jù)格式

VSYNC信號線是垂直同步脈沖序列，節(jié)點(diǎn)每輸出一幀圖像，VSYNC信號線就將輸出一個脈沖信號；HREF信號線是水平有效數(shù)據(jù)輸出端口，即當(dāng)HREF為高電平，Y端口輸出的數(shù)據(jù)有效；PCLK控制圖像傳感器的像素時鐘，每個上升沿輸出一個像素的信息。第四十九頁，共70頁。四、系統(tǒng)工作流程（1）初始化流程本系統(tǒng)的初始化主要是兩個功能模塊的初始化過程。一個是主控模塊Mega128，一個是輔控模塊Tiny12。這里需要注意的是，Tiny12的初始化必須先于Mega128的初始化，因?yàn)樗葘ega128和OV6620進(jìn)行初始化。1）Tiny的初始化過程1.Tiny12首先通過Reset接口來控制Mega128進(jìn)行重啟。2.通過I2C總線，向OV6620發(fā)出一個命令，使其產(chǎn)生一個17.7MHz 的時鐘。2）

Mega128的初始化過程1.進(jìn)行一些初始化的亮燈操作來標(biāo)志系統(tǒng)的啟動。2.進(jìn)行串口的初始化操作UartInt_init()。3.I2C總線的初始化過程I2CInt_init()。4.對OV6620的信號線進(jìn)行定義。第五十頁，共70頁。5.是對OV6620的部分關(guān)鍵寄存器進(jìn)行初始化。6.用戶接口的相關(guān)操作UIMgr_init()。7.幀控制的初始化。（2）事件循環(huán)處理

圖像傳感器采集系統(tǒng)，主要通過一個無限的循環(huán)（Exec_run()函數(shù)）來執(zhí)行圖像傳感過程（跳出循環(huán)的方法是上位機(jī)發(fā)送一個重新啟動的中斷命令）。執(zhí)行體主要來處理兩類事件：

第一類：需要快速處理的事件

這類事件有兩個

：1.一行數(shù)據(jù)掃描完成的事件2.一行數(shù)據(jù)處理完畢的事件

第二類：正常的事件

這類事件包括從上位機(jī)收到了串口事件、上位機(jī)的配置命令

等。第五十一頁，共70頁。（3）用戶接口系統(tǒng)主要通過串口通信事件，進(jìn)行用戶接口的相關(guān)操作。

首先是進(jìn)行圖像傳感器的連接；

其次當(dāng)圖像傳感器收到連接命令后，將返回應(yīng)答信息，若應(yīng)答信息超時，則連接失敗，否則，連接成功；

最后就可以進(jìn)行掃描和數(shù)據(jù)回傳了。

系統(tǒng)原型所提供的用戶接口功能包括連接傳感器的操作、獲取版本號的操作、重新啟動傳感器的操作、設(shè)置串口波特率，數(shù)據(jù)位停止位的操作，掃描開始的操作、設(shè)置寄存器的操作等。接口圖像傳感器串口通信連接信號應(yīng)答則掃描和數(shù)據(jù)回傳無應(yīng)答，連接失敗第五十二頁，共70頁。五、節(jié)點(diǎn)電路原理圖所實(shí)現(xiàn)的圖像傳感器節(jié)點(diǎn)的電路原理圖如圖10-49所示。主要包含OV6620圖像傳感器、Mega128微處理器和Tiny12處理器等。第五十三頁，共70頁。4無線視頻傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)多媒體傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)架包括硬件平臺和軟件平臺兩大部分，其中軟件平臺又分為驅(qū)動層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層三個層次。驅(qū)動層直接和硬件打交道，屏蔽硬件操作的細(xì)節(jié)，向操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序提供所需的驅(qū)動支持。操作系統(tǒng)層包括內(nèi)核、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等部分。內(nèi)核是操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)和必須的部分，其他部分可以根據(jù)需要定制和剪裁。應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)特定的功能，完成特定的工作，并由操作系統(tǒng)的內(nèi)核調(diào)度各個任務(wù)的運(yùn)行。第五十四頁，共70頁。無線多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)架視頻傳輸視頻數(shù)據(jù)送硬件CODEC壓縮視頻采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)核文件系統(tǒng)操作系統(tǒng)相關(guān)驅(qū)動應(yīng)用層相關(guān)驅(qū)動BootLoaderARMSOC存儲器以太網(wǎng)WIFI接口CMOS攝像頭，電源應(yīng)用層操作系統(tǒng)層驅(qū)動層硬件層第五十五頁，共70頁。一、硬件設(shè)計(jì)目前用于多媒體信息采集和處理的核心器件主要有FPGA、DSP和ARM。

FPGA可以用VHDL、Verilog等硬件描述語言來編程，靈活性強(qiáng)，具有現(xiàn)場編程能力可以延長產(chǎn)品的生命力，且它獨(dú)有的并行處理能力使它可以在某些特殊的應(yīng)用場合（如實(shí)現(xiàn)特定算法）具有不可比擬的優(yōu)勢。

ARM具有相對較強(qiáng)的事務(wù)管理和控制功能，功耗較低，開發(fā)相對較為簡單。

DSP主要是用做運(yùn)算，它的優(yōu)勢是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和相對較高的運(yùn)行速度，但是開發(fā)較為復(fù)雜。第五十六頁，共70頁。典型示例以一種ARM9SOC為例介紹視頻傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。硬件組成：這種SOC采用ARM9處理器核心，同時集成了高性能的支持MPEG-4和H.264視頻編解碼的硬件CODEC、專用的CAMERA接口（CSI）和其他常用的接口，如USB2.0、UART、SPI、I2C等存儲空間：在節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)了128MB位寬為32位的DDRSDRAM作為程序運(yùn)行存儲器，256MB的NANDFlash用于存放引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。傳輸方式：為了簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提供高速的無線數(shù)據(jù)通信，選用USB接口、支持IEEE802.g協(xié)議的無線網(wǎng)卡，在2.4GHz的頻率下提供54Mbit/s的通信帶寬。PCB設(shè)計(jì)：視頻傳感器節(jié)點(diǎn)采用CADENCE公司的PCB設(shè)計(jì)布局軟件Allegro完成高速電路設(shè)計(jì)。第五十七頁，共70頁。二、軟件設(shè)計(jì)常見的嵌入式系統(tǒng)的軟件部分都是由設(shè)備驅(qū)動層、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序構(gòu)成的。

驅(qū)動層直接與硬件設(shè)備打交道，完成對攝像機(jī)等外設(shè)的初始化，各種設(shè)備的操作、打開和關(guān)閉等功能。設(shè)備驅(qū)動層中的BootLoader是在操作系統(tǒng)運(yùn)行之前執(zhí)行的一段小程序。BootLoader運(yùn)行后可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射表，從而建立好系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境，為最終引導(dǎo)操作系統(tǒng)做好準(zhǔn)備。第五十八頁，共70頁。

視頻節(jié)點(diǎn)中操作系統(tǒng)是必需的，所需要的操作系統(tǒng)應(yīng)該滿足如下幾點(diǎn)要求：內(nèi)核必須盡可能小要有完整的網(wǎng)絡(luò)功能高實(shí)時性的任務(wù)調(diào)度，支持多任務(wù)，在可靠性、響應(yīng)時間、吞吐量等方面要有較好的性能。為什么要采用Linux操作系統(tǒng)？前常見的嵌入式操作系統(tǒng)有VxWorks、WindowsCE等，這些都屬于商用操作系統(tǒng)，雖然有強(qiáng)大的功能，但是價(jià)格昂貴，并且開放程度不夠高。除了上述操作系統(tǒng)之外，還有一種開源的嵌入式操作系統(tǒng)—嵌入式Linux，嵌入式是由桌面Linux發(fā)展而來，目前已經(jīng)成為一個穩(wěn)定、成熟的嵌入式操作系統(tǒng)。而且Linux的開發(fā)都是在GPL（GNUPublicLicense）的控制之下，Linux的所有源代碼都是開放的。我們所選用的SOC也提供了對Linux完善的支持，因此，在視頻傳感器節(jié)點(diǎn)中采用了嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為視頻節(jié)點(diǎn)的軟件平臺[24]。第五十九頁，共70頁。CMOS圖像傳感器CMOS傳感器特點(diǎn)：

CMOS圖像傳感器由于其低功耗，高集成度等特性使其成為無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)視頻節(jié)點(diǎn)的首選?？梢愿鶕?jù)被監(jiān)測對象的特點(diǎn)選擇相應(yīng)分辨率、幀速的CMOS傳感器。CMOS采用CSI接口特點(diǎn)：

CSI接口與CMOS傳感器的連接變得非常容易。該CSI接口支持CCIR656格式的視頻，支持8位寬的YCC、YUV、Bayer、RGB數(shù)據(jù)輸入。第六十頁，共70頁。Linux對于視頻采集設(shè)備的支持，是通過Video

for

Linux實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)在VideoforLinux已經(jīng)升級到VideoforLinux2（V4L2）?；赩4L2的視頻采集驅(qū)動如圖10-51所示劃分為兩個層次。高層的是通用VideoforLinux驅(qū)動程序，包含了鏈狀緩存管理、流媒體API和其他一些IOCTL的接口。底層是提供對PrP、CSI和CMOS傳感器硬件的訪問，并提供由高層調(diào)用的接口。第六十一頁，共70頁。

在應(yīng)用程序中通過V4L2采集視頻應(yīng)遵循以下的步驟。①在V4L2中，視頻設(shè)備被看做一個文件。首先使用open函數(shù)打開這個設(shè)備。②打開視頻設(shè)備后，可以設(shè)置該視頻設(shè)備的屬性，一般使用ioctl函數(shù)來對設(shè)備的I/O通道進(jìn)行管理。③檢查當(dāng)前視頻設(shè)備支持的標(biāo)準(zhǔn)。④設(shè)定視頻捕獲格式。⑤獲取并記錄緩存的物理空間。⑥采集的數(shù)據(jù)送入V4L2的數(shù)據(jù)緩存，數(shù)據(jù)緩存采用FIFO的方式，當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用緩存數(shù)據(jù)時，緩存隊(duì)列將最先采集到的視頻數(shù)據(jù)緩存送出，并重新采集一張視頻數(shù)據(jù)。第六十二頁，共70頁。

由于視頻信息不同與普通數(shù)據(jù)，在無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中采集、傳輸視頻數(shù)據(jù)必須滿足如下幾個方面的要求。①最小的數(shù)據(jù)傳輸帶寬：傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，且數(shù)據(jù)傳輸功耗遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)處理功耗，因此，要爭取在保證視頻質(zhì)量的前提下應(yīng)該盡可能地采用好的壓縮算法，獲得最高的壓縮比，使得所需傳輸帶寬最低。②實(shí)時性：即小的傳輸時延。③連續(xù)性