第11章,传感器网络的应用开发基础,传感器网络的应用开发基础技术是传感器网络完成应用功能的关键，这里主要介绍它的仿真平台和工程测试床、网络节点的硬件开发、操作系统和软件开发等内容。,10.1 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,1、网络研究与设计方法,通常计算机网络的研究与设计方法包括分析方法、实验方法和模拟方法。 分析方法是对所研究对象和所依存的网络系统进行初步分析，根据一定的限定条件和合理假设，对研究对象和系统进行描述，抽象出研究对象的数学分析模型。 实验方法的主要内容是建立测试床和实验室。 模拟方法主要是应用网络模拟软件来仿真网络系统的运行效果。,2、网络仿真的应用意义,从应用的角度来看，网络仿真技术具有以下特点： （1）全新的模拟实验机理，使得这项技术具有在高度复杂的网络环境下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，而且特别适用于大中型规模网络的设计和优化。 （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。,网络仿真的软件体系结构,3、传感器网络仿真的特点, 分布性 动态性 综合性,10.1.2 常用网络仿真软件平台,1、TOSSIM,(1) 简介 TinyOS是为传感器网络节点而设计的一个事件驱动的操作系统，由加州大学的伯利克分校开发，采用nesC编程语言。它主要应用于无线传感器网络领域，采用基于一种组件的架构方式，能够快速实现各种应用。 TOSSIM是TinyOS自带的仿真工具，可以同时模拟传感器网络的多个节点运行同一个程序，提供运行时的调试和配置功能。 由于TOSSIM仿真程序直接编译来自实际运行于硬件环境的代码，因而可以用来调试最后实际真正运行的程序代码。,在PC机上安装好TinyOS之后，可以按照如下关键步骤打开TinyViz界面： 1) CD 到应用的目录 2) $ make pc 3) 若Tinyviz还没有make, 则： cd tools/java/net/tinyos/sim/tinyviz make 4) 将tinyviz拷贝到应用目录 5) $ DBG=sim 6) $ ./tinyviz run build/pc/main.exe 10 如果输入make mica2命令，表示建立mica2目录，可以编译生成mote上的exe、srec和ihex文件。,(2) TOSSIM模拟器运行TinyOS程序,例如我们希望针对TinyOS自带的Blink应用程序，模拟编译出可以在TOSSIM模拟器上运行的程序，主要是在应用程序目录下运行“make pc命令，就可以把源代码编译在TOSSIM模拟器上运行Blink应用程序。 Blink应用程序可以在mote硬件节点上以频率1Hz让LED红灯显示。如果执行命令：$ ./tinyviz run build/pc/main.exe 30，会出现图所示的界面。,在TOSSIM模拟器运行Blink应用程序，可按以下步骤操作： cd app/Blink make pc,(3) 使用gdb调试程序,TOSSIM的一个显著优点就是它可以运行在PC机上，这样可以运用传统的调试工具来调试nesC程序。 使用gdb进行调试与采用传统的调试方法大致相同，只是使用命令(如在命令处设断点)时必须按照上面的规则。,2、OMNeT+,OMNeT+是Objective Modular Network Testbed的简写，也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，属于免费的网络仿真软件。 这种仿真软件工具采用了特别定义的NED语言来完成。,3、Matlab,Matlab是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的意思。它除了具备卓越的数值计算能力外，还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，也可以进行网络仿真，用于模拟传感器网络的运行情况和某些应用算法的性能。 在Matlab软件工具中，典型的无线传感器网络应用程序如WiSNAP。这是一个针对无线图像传感器网络而设计的基于Matlab的应用开发平台。,4、OPNET,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的产品主要针对三类客户，分成四个系列。 三类客户是指网络服务提供商、网络设备制造商和一般企业。 它的四个系列产品核心包括： OPNET Modeler：为技术人员提供一个网络技术和产品开发平台，可以帮助他们设计和分析网络和通信协议。 ITGuru：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、查找影响系统性能的瓶颈、提出并验证解决方案。 ServiceProviderGuru：面向网络服务提供商的智能化网络管理软件。 WDM Guru：用于波分复用光纤网络的分析、评测。,Modeler提供多种业务模拟方式，具有丰富的收集分析统计量，查看动画和调试等功能。它可以直接收集常用的各个网络层次的性能统计参数，能够方便地编制和输出仿真结果的报告。,OPNET网络仿真软件是目前世界上最为先进的网络仿真开发和应用平台之一。它曾被一些机构评选为“世界级网络仿真软件”第一名,可以进行传感器网络的各种应用业务仿真和网络协议运行性能模拟。 使用它的最大问题在于它作为一种商业化高端网络仿真产品，价格十分昂贵。,5、NS,NS(Network Simulator)是一种针对网络技术的源代码公开的、免费的软件模拟平台，研究人员使用它可以很容易地进行网络技术的开发。目前它所包含的模块内容已经非常丰富，几乎涉及到网络技术的所有方面，成为了目前学术界广泛使用的一种网络模拟软件。 在每年国内外发表的有关网络技术的学术论文中，利用NS给出模拟结果的文章最多，通过这种方法得出的研究结果也是被学术界所普遍认可的。 NS也可作为一种辅助教学的工具，广泛应用在网络技术的教学方面。目前这种网络仿真软件工具已经发展到第二个版本，即NS2（Network Simulator, version 2）。,10.1.3 仿真平台的选择和设计,1、仿真平台的选择,现有的仿真平台种类较多、功能各异，每个仿真软件平台的侧重点也不同。仿真平台所采用的设计方法也不一样，例如面向对象设计和面向组件设计等，也会影响仿真平台的执行效率、速度、扩展性、重用性和易用性等。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。,2、仿真平台的自主设计,如果开发者决定构建一个自己的传感器网络仿真工具，首先需要决定是在现有仿真平台上开发还是单独构建。如果开发时间有限并且只有一些需要用到的特定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，以及开发者感觉自己的设计思路比现有工具在仿真规模、执行速度、特点等方面优越，那么从头开始创建一个仿真工具是最有效的。,5.1.4 传感器网络工程测试床,在无线传感器网络中，仿真是一个重要的研究手段。但是仿真通常仅局限于特定问题的研究，并不能获取节点、网络和无线通信等运行的详细信息，只有实际的测试床(Testbed)才能够捕获到这些信息。 虽然在验证大型传感器网络方面有一些有效的仿真工具，但只有通过对实际的传感器网络测试床的使用，才能真正理解资源的限制、通信损失及能源限制等问题。 通过测试床可以对无线传感器网络的许多问题进行研究，简化系统部署、调试等步骤，使得无线传感器网络的研究和应用变得相对容易。,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。,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。,SensoNet工程测试床的场景和部分实物,10.2 网络节点的硬件开发,10.2.1 硬件开发概述,1、硬件系统的设计特点和要求,设计传感器网络的硬件节点需从以下方面考虑：,(1) 微型化 (2) 扩展性和灵活性 (3) 稳定性和安全性 (4) 低成本 (5) 低功耗,2、硬件系统的设计内容,传感器网络设计的主要内容在于传感器网络节点。 传感器节点的基本硬件模块组成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器和执行器，用于感知数据和执行各种控制动作。其他外围模块包括看门狗电路、电池电量检测模块等，也是传感器节点不可缺少的组成部分。,5.2.2 传感器节点的模块化设计,1、数据处理模块,对于数据处理模块的设计，主要考虑如下五个方面的问题：,(1) 节能设计 (2) 处理速度的选择 (3) 低成本 (4) 小体积 (5) 安全性,各种常见的微控制器性能列表,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，但通常无线传感器网络传输的是数字化的数据，因此必须进行模/数转换。类似的，许多执行器的输出也是模拟的，因此也必须进行数/模转换。 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。,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。 传感器网络应用的无线通信技术通常包括IEEE 802.11b、IEEE 802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID和IrDA等，还有很多芯片双方通信的协议由用户自己定义，这些芯片一般工作在ISM免费频段。,传感器网络的常用无线通信技术,常用短距离无线芯片的主要参数,目前市场上支持ZigBee协议的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半导体公司。Chipcon公司的CC2420芯片应用较多，该公司还提供ZigBee协议的完整开发套件。Freescale半导体公司提供ZigBee的2.4GHz无线传输芯片包括MC13191、MC13192、MC13193，该公司也提供配套的开发套件。,在无线射频电路设计中，主要考虑以下三个问题：, 天线设计,天线的设计指标有很多种，无线传感器网络节点使用的是ISM/SRD免证使用频段，主要从天线增益、天线效率和电压驻波比三个指标来衡量天线的性能。 天线增益是指天线在能量发射最大方向上的增益，当以各向同性为增益基准时，单位为dBi；如果以偶极子天线的发射为基准时，单位为dBd。 天线的增益越高，通信距离就越远。,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，其中自身消耗的能量是以热的形式散发。 天线电压驻波比主要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，则信号能量损耗越大。, 阻抗匹配,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。如果匹配不好，很多能量会被天线反射回射频放大电路，不仅降低了发射效率，严重时还会导致节点的电路发热，缩短节点寿命。 由于传感器节点通常使用较高的工作频率，因而必须考虑导线和PCB基板的材质、PCB走线、器件的分布参数等诸多可能造成失配的因素。, 电磁兼容,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