*石家庄经济学院信息工程学院1现代信息技术现代信息技术主讲教师 李明亮*石家庄经济学院信息工程学院2第三讲内容安排第三讲内容安排n n感知节点与传感芯片感知节点与传感芯片 几类典型感知节点几类典型感知节点 节点组织结构节点组织结构 网关节点网关节点 传感器与传感板传感器与传感板n nRFIDRFID读写系统读写系统 RFIDRFID标签标签 RFIDRFID读写器读写器n n节点定位节点定位 GPSGPS与位置计算与位置计算 基于距离的节点定位基于距离的节点定位 距离无关的节点定位距离无关的节点定位n n数据采集与数据采集与A/DA/D转换转换 数据采集模块组成数据采集模块组成 A/DA/D转换原理转换原理*石家庄经济学院信息工程学院3第三讲内容安排第三讲内容安排n n感知节点与传感芯片感知节点与传感芯片 几类典型感知节点几类典型感知节点 节点组织结构节点组织结构 网关节点网关节点 传感器与传感板传感器与传感板n nRFIDRFID读写系统读写系统 RFIDRFID标签标签 RFIDRFID读写器读写器n n节点定位节点定位 GPSGPS与位置计算与位置计算 基于距离的节点定位基于距离的节点定位 距离无关的节点定位距离无关的节点定位n n数据采集与数据采集与A/DA/D转换转换 数据采集模块组成数据采集模块组成 A/DA/D转换原理转换原理*石家庄经济学院信息工程学院4几类典型感知节点几类典型感知节点 1. 1. 特定传感器平台特定传感器平台 uu特定传感器平台侧重于节点的超低功耗和体积微型化设计，特定传感器平台侧重于节点的超低功耗和体积微型化设计， 但同时也决定了其处理能力和传输能力非常有限。但同时也决定了其处理能力和传输能力非常有限。UC UC BerkeleyBerkeley大学的大学的SpecSpec节点就是在节点就是在2.5mm2.5mm2.5mm2.5mm的硅片上集成了的硅片上集成了 处理器、处理器、RAMRAM、通信接口和传感器的一种节点，它依靠一个、通信接口和传感器的一种节点，它依靠一个 附带的微型电池供电可以连续工作几年。另外，由附带的微型电池供电可以连续工作几年。另外，由UC UC BerkeleyBerkeley研发的研发的Smart DustSmart Dust也是一种超微型的节点，其体积的也是一种超微型的节点，其体积的 设计目标是设计目标是1mm1mm3 3左右。左右。 uu为了减少体积和功耗，为了减少体积和功耗，Smart Dust Smart Dust 放弃了传统的射频通信方式放弃了传统的射频通信方式 ，而是采用光通信作为它的通信方式，由于采用了光通信的，而是采用光通信作为它的通信方式，由于采用了光通信的 主动和被动两种工作模式，其功耗可以进一步降低。主动和被动两种工作模式，其功耗可以进一步降低。uuSmart DustSmart Dust节点采用了微机电系统（节点采用了微机电系统（Micro Electro Mechanical Micro Electro Mechanical SystemsSystems，MEMSMEMS）技术。）技术。*石家庄经济学院信息工程学院5例例: : *石家庄经济学院信息工程学院62. 2.通用传感器平台通用传感器平台 n nUC BerkeleyUC Berkeley的的MicaMica系列节点为典型代表，主要系列节点为典型代表，主要 包括包括ReneRene、MicaMica、Mica2Mica2、Mica2dotMica2dot和和MicaZMicaZ等等 不同版本，还包括性能增强版本不同版本，还包括性能增强版本IRISIRIS节点。另节点。另 外，还包括外，还包括SUNSUN公司生产的公司生产的SUN SPOTSUN SPOT节点，节点，我国中科院计算技术研究所宁波分部设计生产我国中科院计算技术研究所宁波分部设计生产 的的GAINSJ GAINSJ 系列节点。系列节点。 几类典型感知节点几类典型感知节点 *石家庄经济学院信息工程学院7几类典型感知节点几类典型感知节点 n nMicaZMicaZ节点节点MicaZMicaZ节点采用节点采用AtmelAtmel公司的公司的ATMega128LATMega128L微处理器，该处理器是微处理器，该处理器是8 8位位 的的CPUCPU内核，工作在内核，工作在7.37MHz7.37MHz，内部具有，内部具有128KB128KB的的FLASH ROMFLASH ROM， 可用于存放程序代码和一些常数。具有可用于存放程序代码和一些常数。具有4KB4KB的的SRAMSRAM，用于暂存，用于暂存 一些程序变量和处理结果。在一些程序变量和处理结果。在MicaZMicaZ节点上的射频通信模块采用节点上的射频通信模块采用 CC2420CC2420芯片，支持芯片，支持IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准，传输速率达到标准，传输速率达到250 kbps250 kbps， 具有硬件加密（具有硬件加密（AES-128AES-128）功能。）功能。MicaZMicaZ节点能够通过标准节点能够通过标准5151针扩针扩展接口与多种传感器板和数据采集板连接，支持模拟输入、数字展接口与多种传感器板和数据采集板连接，支持模拟输入、数字 I/OI/O、I I2 2C C、SPISPI和和UARTUART接口，使其易于与其它外设连接，比如，接口，使其易于与其它外设连接，比如， 可扩展连接可扩展连接CrossbowCrossbow公司的公司的MTS400MTS400传感器板，可以采集光、温传感器板，可以采集光、温 度、气压、加速度度、气压、加速度/ /振动、声音和磁场等信息。振动、声音和磁场等信息。 *石家庄经济学院信息工程学院8几类典型感知节点几类典型感知节点 *石家庄经济学院信息工程学院9几类典型感知节点几类典型感知节点 2. 2.通用传感器平台通用传感器平台 n nGAINSJGAINSJ节点节点 GAINSJGAINSJ节点采用了节点采用了JennicJennic公司的公司的SoCSoC芯片芯片JN5139JN5139，此芯片集成了，此芯片集成了MCUMCU和和RFRF模块。模块。GAINSJGAINSJ节点由宁波中科设计、生产。节点板上节点由宁波中科设计、生产。节点板上具有温具有温/ /湿度传感器，与湿度传感器，与PCPC机采用机采用RS-232RS-232通信接口相连，而且提通信接口相连，而且提供了供了JN5139JN5139的的I/OI/O扩展端口，并将其引到节点的插排上，用户可以扩展端口，并将其引到节点的插排上，用户可以根据不同的应用需求进行设计开发。每个根据不同的应用需求进行设计开发。每个GAINSJGAINSJ节点都拥有节点都拥有ZigBee LicenseZigBee License，用户可以无限制地使用而不必再为此支付任何费，用户可以无限制地使用而不必再为此支付任何费用。用。 *石家庄经济学院信息工程学院10几类典型感知节点几类典型感知节点 *石家庄经济学院信息工程学院11几类典型感知节点几类典型感知节点 3. 3. 高性能传感器平台高性能传感器平台 n nImote2Imote2是一款先进的无线传感器节点平台，集成了是一款先进的无线传感器节点平台，集成了IntelIntel公司低功耗的公司低功耗的PXA271 XScale CPUPXA271 XScale CPU和兼容和兼容IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4的的CC2420CC2420射频芯片。射频芯片。Intel Intel PXA271PXA271处理器可工作于低电压（处理器可工作于低电压（0.85V0.85V）、低频率（）、低频率（13MHz13MHz）的模式，）的模式，可进行低功耗操作，该处理器支持几种不同的低功耗模式，如睡眠和深可进行低功耗操作，该处理器支持几种不同的低功耗模式，如睡眠和深度睡眠模式。度睡眠模式。Imote2Imote2节点使用动态电压调节技术，频率范围可从节点使用动态电压调节技术，频率范围可从13MHz13MHz达到达到416MHz416MHz。n nImote2Imote2的正反两面都设计有扩展接口等标准组件，正面提供标准的正反两面都设计有扩展接口等标准组件，正面提供标准I/OI/O接口接口，用于扩展基本的芯片；反面附加高速接口，用于特殊，用于扩展基本的芯片；反面附加高速接口，用于特殊I/OI/O。正反两面都。正反两面都可以连接的电池板为系统提供电源。可以连接的电池板为系统提供电源。Imote2Imote2可用于数字图象处理、状态可用于数字图象处理、状态维修、工业监控和分析和地震及振动监控等领域。维修、工业监控和分析和地震及振动监控等领域。 *石家庄经济学院信息工程学院12几类典型感知节点几类典型感知节点 *石家庄经济学院信息工程学院13几类典型感知节点几类典型感知节点 4. 4.网关节点平台网关节点平台 n n网关平台是无线传感器网络中不可缺少的部分，通常网关平台是无线传感器网络中不可缺少的部分，通常，它的处理能力和接口带宽比其他几类更高。它实现，它的处理能力和接口带宽比其他几类更高。它实现的是无线传感器网络与其他类型网络之间，或者是不的是无线传感器网络与其他类型网络之间，或者是不同无线传感器网络之间的数据交换，由通用接口使用同无线传感器网络之间的数据交换，由通用接口使用协议转换功能实现协议转换功能实现 。*石家庄经济学院信息工程学院14节点组织结构节点组织结构 n n传感器节点一般由：微控制器模块、无线通信模块、传感器节点一般由：微控制器模块、无线通信模块、 传感器模块和电源管理模块四个部分组成。传感器模块和电源管理模块四个部分组成。*石家庄经济学院信息工程学院15节点组织结构节点组织结构1. 1.微控制器模块微控制器模块 n n目前，许多前端传感器节点（数据采集用）都使用目前，许多前端传感器节点（数据采集用）都使用ATMELATMEL公司公司AVRAVR系列的系列的ATMega128LATMega128L处理器，以及处理器，以及TITI公司生产的公司生产的MSP430MSP430系列处理器。而汇聚节点（负责数系列处理器。而汇聚节点（负责数据融合或数据转发的节点）则采用了功能强大的处理据融合或数据转发的节点）则采用了功能强大的处理器，比如，器，比如，ARMARM处理器、处理器、80518051内核处理器或内核处理器或PXA270PXA270处理器等。处理器等。 *石家庄经济学院信息工程学院16节点组织结构节点组织结构2. 2.无线通信模块无线通信模块 n n无线数据可以通过激光、红外线和射频三种介质进行传输。无线数据可以通过激光、红外线和射频三种介质进行传输。n n激光与红外线具有能耗低、无需天线和保密性好等优点，但定激光与红外线具有能耗低、无需天线和保密性好等优点，但定向传输的特性限制了它们的应用范围，不适合传感器节点的随向传输的特性限制了它们的应用范围，不适合传感器节点的随机布置行为。机布置行为。n n射频通信具有易于使用和易于集成等优点，使其成为理想的传射频通信具有易于使用和易于集成等优点，使其成为理想的传感器节点通信方式。目前，传感器网络节点多采用射频芯片构感器节点通信方式。目前，传感器网络节点多采用射频芯片构建通信模块。缺点：不易微型化、保密性差建通信模块。缺点：不易微型化、保密性差n n现在的传感器网络节点使用较多的射频芯片是现在的传感器网络节点使用较多的射频芯片是TR1000TR1000和和CC2420CC2420。*石家庄经济学院信息工程学院17节点组织结构节点组织结构3. 3.电源管理模块电源管理模块 n n节点的供电单元通常由电池和直流转直流电源模块节点的供电单元通常由电池和直流转直流电源模块(DC/DC)(DC/DC)组成组成，DC/