Jiangsu University物联网工程概论主讲教师王良民 MAIL: wanglmujs.edu.cn熊书明MAIL: xsmujs.edu.cn*1UJS 第三讲内容安排n感知节点与传感芯片 几类典型感知节点 节点组织结构 网关节点 传感器与传感板 nRFID读写系统 RFID标签 RFID读写器n节点定位 GPS与位置计算 基于距离的节点定位 距离无关的节点定位 n数据采集与A/D转换 数据采集模块组成 A/D转换原理Date2UJS 第三讲内容安排n感知节点与传感芯片 几类典型感知节点 节点组织结构 网关节点 传感器与传感板 nRFID读写系统 RFID标签 RFID读写器n节点定位 GPS与位置计算 基于距离的节点定位 距离无关的节点定位 n数据采集与A/D转换 数据采集模块组成 A/D转换原理Date3UJS 几类典型感知节点 1. 特定传感器平台 u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。UC Berkeley大学的Spec节点就是在2.5mm2.5mm的硅片上集成了 处理器、RAM、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UC Berkeley研 发的Smart Dust也是一种超微型的节点，其体积的设计目标是 1mm3左右。 u为了减少体积和功耗，Smart Dust 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 的主动和被动两种工作模式，其功耗可以进一步降低。uSmart Dust节点采用了微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）技术。Date4UJS 例: Date5UJS2.通用传感器平台 nUC Berkeley的Mica系列节点为典型代表，主要 包括Rene、Mica、Mica2、Mica2dot和MicaZ等不 同版本，还包括性能增强版本IRIS节点。另外， 还包括SUN公司生产的SUN SPOT节点，我国中科院计算技术研究所宁波分部设计生产的 GAINSJ 系列节点。 几类典型感知节点 Date6UJS 几类典型感知节点 nMicaZ节点MicaZ节点采用Atmel公司的ATMega128L微处理器，该处理器是8位 的CPU内核，工作在7.37MHz，内部具有128KB的FLASH ROM，可 用于存放程序代码和一些常数。具有4KB的SRAM，用于暂存一些程 序变量和处理结果。在MicaZ节点上的射频通信模块采用CC2420芯 片，支持IEEE 802.15.4标准，传输速率达到250 kbps，具有硬件加密 （AES-128）功能。MicaZ节点能够通过标准51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I/O、I2C、SPI和 UART接口，使其易于与其它外设连接，比如，可扩展连接Crossbow 公司的MTS400传感器板，可以采集光、温度、气压、加速度/振动、声音和磁场等信息。 Date7UJS 几类典型感知节点 Date8UJS 几类典型感知节点 2.通用传感器平台 nGAINSJ节点 GAINSJ节点采用了Jennic公司的SoC芯片JN5139，此芯片集成了MCU和RF模块。GAINSJ节点由宁波中科设计、生产。节点板上具有温/湿度传感器，与PC机采用RS-232通信接口相连，而且提供了JN5139的I/O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GAINSJ节点都拥有ZigBee License，用户可以无限制地使用而不必再为此支付任何费用。 Date9UJS 几类典型感知节点 Date10UJS 几类典型感知节点 3. 高性能传感器平台 nImote2是一款先进的无线传感器节点平台，集成了Intel公司低功耗的PXA271 XScale CPU和兼容IEEE 802.15.4的CC2420射频芯片。Intel PXA271处理器可工作于低电压（0.85V）、低频率（13MHz）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，如睡眠和深度睡眠模式。Imote2节点使用动态电压调节技术，频率范围可从13MHz达到416MHz。nImote2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/O接口，用于扩展基本的芯片；反面附加高速接口，用于特殊I/O。正反两面都可以连接的电池板为系统提供电源。Imote2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。 Date11UJS 几类典型感知节点 Date12UJS 几类典型感知节点 4.网关节点平台 n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，由通用接口使用协议转换功能实现 。Date13UJS 节点组织结构 n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。 Date14UJS 节点组织结构1.微控制器模块 n目前，许多前端传感器节点（数据采集用）都使用ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，以及TI公司生产的MSP430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器，比如，ARM处理器、8051内核处理器或PXA270处理器等。 Date15UJS节点组织结构2.无线通信模块 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。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。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n现在的传感器网络节点使用较多的射频芯片是TR1000和CC2420。Date16UJS 节点组织结构3.电源管理模块 n节点的供电单元通常由电池和直流转直流电源模块(DC/DC)组成，DC/DC模块是为传感器节点的用电单元提供稳定的输入电压。由于电池在为负载供电时，随着电量的释放，输出电压不断降低，因此，通常采用升压型DC/DC，这样可以使得电池的容量得到更为充分的利用。 n某些电源管理IC芯片能够监视电池的剩余容量，这使得节点清楚当前的能量状态。传感器网络可根据节点的能量状态动态调整网络的拓扑结构，使剩余能量多的节点承担较繁重的任务，剩余能量少的节点则转为低功耗状态，以平衡节点间的能量开销。 Date17UJS 节点组织结构4.传感器模块 n节点的传感单元由能感受外界特定信息的传感器组成，相当于传感器网络的“眼睛”和“鼻子”。根据传感器感受信息性质的不同，可以把传感器分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器。n物理量传感器能感受声、光、热、磁和图像等信息，化学量传感器通常对某种气体敏感，而利用生物量传感器可对微生物进行快速检测，这对于军事、医疗、食品卫生等方面意义重大。n此外，根据传感器提供的信号不同，可分为模拟量传感器和数字量传感器。 Date18UJS 网关节点n通俗地讲，从一个网络向另一个网络发送信息，必须经过一道“关口”，这道关口就是网关(Gateway)。n网关又称为网间连接器、协议转换器，网关在传输层及以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。究其本质而言，网关是一种进行功能转换的计算机系统，在使用不同通信协议、数据格式，甚至体系结构完全不同的两种网络之间，实现功能的互通。 Date19UJS 网关节点n传感器网络的网关节点通常是一个嵌入式硬件设备， 其硬件部分通常由微处理器单元、存储单元、无线射频 收发模块和以太网通信模块等组成，如下所示： Date20UJS 网关节点n在2007年10月，Crossbow公司发布了一款高性能处理平台Stargate，可应用于嵌入式Linux系统的单片机、机器人控制卡、定制的802.11a/b网关和无线传感器网络网关。n随后，又发布了高性能嵌入式传感器网络网关NB100，作为Stargate的替代产品，NB100具有丰富的用户接口、I/O接口和预装的开发平台，便于使用。n作为一个简易网关，我们也可以用节点MicaZ和编程板MIB520组合实现网关功能，在传感器网络和PC机之间完成数据转发。 Date21UJS 传感器与传感板 1.传感器 n传感器是指能感受规定的被测量，并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。 n传感器种类繁多，具体应用时，必须根据实际需求选择合适的传感器。传感器有多种分类标准。n传感器的组成结构 ：Date22UJS 传感器与传感板 2. 传感器板n为了便于使用，常常在一块电路板上集成多个 传感器，比如，可以包括光强传感器、温度传感 器和磁力传感器等，这样的电路板便称为传感器 板（Sensor Board）。n目前，市场上出现了许多配合传感器网络节点 使用的传感器板，其中，以Crossbow公司的传感 器板影响较大，下面介绍几种Crossbow公司的典 型传感器板和数据采集板。 Date23UJS 传感器与传感板 2. 传感器板Date24UJS 传感器与传感板 2. 传感器板Date25UJS 第三讲内容安排n感知节点与传感芯片 几类典型感知节点 节点组织结构 网关节点 传感器与传感板 nRFID读写系统 RFID标签 RFID读写器n节点定位 GPS与位置计算 基于距离的节点定位 距离无关的节点定位 n数据采集与A/D转换 数据采集模块组成 A/D转换原理Date26UJSRFID读写系统 n RFID读写系统主要由电子标签和读写器构成，但也需要结合使用许多其他组件，例如，计算机、通信网络和软件系统。n电子标签、读写器和所有这些组件共同工作，组成了完整的解决方案。 Date27UJSRFID标签 1. RFID技术的发展n无线射频识别（Radio Frequency IDentification，RFID ）技术是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是 利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输特性 ，实现对被识别物体的自动识别。nRFID虽然被认为是一种新的技术，但实际上它比条 形码技术还要古老。nRFID技术就是无线电技术与雷达技术的结合。 n条形码技术产生于20世纪40年代后期，但直到60年代 后期和70年代前期，这项技术才变得比较实用。当时， 由于需要识别飞机的情况并不多，加之成本比RFID低 廉，条形码技术成为自动识别技术的首选。 Date28UJSRFID标签 1. RFID技术的发展随着RFID技术成本的逐渐降低，工业界开始用它来做 更多的事情，RFID技术在50年代得到了进一步的开发 。60年代，RFID开始被用于身份识别和监测有害物质 。 1979年，RFID开始被用来鉴别和跟踪动物。 1991年，美国俄克拉何马州的电子公路收费系统第一次 批量使用RFID技术。 1994年，美国所有的轨道车都用电子标签来进行鉴别。 近年来，由于半导体制造业和无线技术的发展，RFID 技术的成本得以进一步降低，特别是在多目标识别、高 速运动物体识别和非接触识别等方面，RFID技术显示 出其巨大的发展潜力。 Date29UJSRFID标签 2. RFID标签的组成 RFID电子标签一般由天线、调制器、编码发生器、时钟及存储 器等模块组成。 Date30UJSRFID标签 2. RFID标签的组成 n时钟把所有电路功能时序化（timing），以使存储器 中的数据在精确的时间内被传送到读写器。n存储器中的数据是应用系统规定的唯一性编码，在电 子标签被安装在识别对象上以前已经被写入。n标签数据被读出时，编码发生器对存储器中的数据进 行编码，而调制器接收由编码器编码后的信息，并通过 天线电路