物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)

第八章物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)基礎(chǔ)8.1硬件開發(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)開發(fā)案例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。從處理器的角度來看，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。廠商芯片型號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常見的微控制器性能比較芯片型號運(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2、采集識別

采集識別功能經(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。3、無線通信

無線通信模塊由無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。無線通信技術(shù)通常包括IEEE802.11b、IEEE802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID和IrDA等。無線技術(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)常用的無線通信技術(shù)

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，則信號傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。一般來說，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。采用x表示功率的dBm值，P表示功率的絕對值(瓦)，則1mW相當(dāng)于0dBm，而1W相當(dāng)于30dBm。無線射射頻電電路設(shè)設(shè)計(jì)考考慮三三個(gè)問問題：：天線設(shè)設(shè)計(jì)阻抗匹匹配電磁兼兼容天線的的性能能指標(biāo)標(biāo):天線增增益天線效效率天線電電壓駐駐波比比天線增增益是指天天線在在能量量發(fā)射射最大大方向向上的的增益益。天線效效率是指天天線以以電磁磁波的的形式式發(fā)射射到空空中的的能量量與自自身消消耗能能量的的比值值，其其中自自身消消耗的的能量量是以以熱的的形式式散發(fā)發(fā)。天線電電壓駐駐波比比用來衡衡量傳傳輸線線與天天線之之間阻阻抗失失配的的程度度。當(dāng)當(dāng)天線線電壓壓駐波波比值值越高高，表表示阻阻抗失失配程程度越越高，，則信信號能能量損損耗越越大。。在通常常情況況下，，內(nèi)置天天線由于便便于攜攜帶，，且具具有免免受機(jī)機(jī)械和和外界界環(huán)境境損害害等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，，常常常是設(shè)設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)的首首選方方案。。第二種種天線線是將將簡單單的導(dǎo)線天天線或金屬屬條帶帶天線線作為為元件件，安安裝在在電路路板上上。第三種種天線線是特特殊的的陶瓷天天線元件。。第四種種是外置天天線，它沒沒有內(nèi)內(nèi)置天天線的的尺寸寸限制制，通通常離離網(wǎng)絡(luò)絡(luò)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的噪噪聲源源的距距離較較遠(yuǎn)，，因而而具有有很高高的無無線通通信傳傳輸性性能。。天線種種類射頻放放大輸輸出部部分與與天線線之間間的阻抗匹匹配情況，，直接接關(guān)系系到功功率的的利用用效率率。由由于網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)節(jié)點(diǎn)通通常使使用較較高的的工作作頻率率，因因而必必須考考慮導(dǎo)導(dǎo)線和和PCB基板的的材質(zhì)質(zhì)、PCB走線、、器件件的分分布參參數(shù)等等諸多多可能能造成成失配配的因因素。。通常網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)節(jié)點(diǎn)體體積小小，包包括微微處理理器、、存儲(chǔ)儲(chǔ)器、、傳感感器和和天線線在內(nèi)內(nèi)的各各種器器件，，它們們聚集集在相相對狹狹小的的空間間，因因而任任何不不合理理的設(shè)設(shè)計(jì)都都可能能帶來來嚴(yán)重重的電磁兼兼容問題。。采用電池供供電是目前前最常常見的的無線線網(wǎng)絡(luò)絡(luò)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)供電電方式式。按按照電電池能能否充充電，，電池池可分分為可可充電電電池池和不不可充充電電電池；；根據(jù)據(jù)電極極材料料，電電池可可以分分為鎳鎳鉻電電池、、鎳鋅鋅電池池、銀銀鋅電電池、、鋰電電池和和鋰聚聚合物物電池池等。。網(wǎng)絡(luò)節(jié)節(jié)點(diǎn)在在某些些情況況下可可以直直接從從外界環(huán)境獲獲取足足夠的的能量量，包包括通通過光光電效效應(yīng)、、機(jī)械械振動(dòng)動(dòng)等方方式獲獲取能能量。。最常常見的的能量量收集集技術(shù)術(shù)包括括太陽陽能、、風(fēng)能能、熱熱能、、電磁磁能和和機(jī)械械能等等。4、供應(yīng)應(yīng)電能能5、外圍圍電路路網(wǎng)絡(luò)節(jié)節(jié)點(diǎn)的的外圍圍模塊塊主要要包括括看門門狗電電路、、I/O電路和和低電電量檢檢測電電路等等。看門狗狗(WatchDog)是一種種增強(qiáng)強(qiáng)系統(tǒng)統(tǒng)魯棒棒性的的措施施，能能有效效防止止系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)入入死循循環(huán)或或程序序跑飛飛?？撮T狗狗的工作過過程如下：：在系系統(tǒng)運(yùn)運(yùn)行以以后啟啟動(dòng)看看門狗狗的計(jì)計(jì)數(shù)器器，看看門狗狗開始始自動(dòng)動(dòng)計(jì)數(shù)數(shù)。如如果到到達(dá)了了指定定的置置位，，看門門狗計(jì)計(jì)數(shù)器器就會(huì)會(huì)溢出出，引引起看看門狗狗中斷斷，造造成系系統(tǒng)復(fù)復(fù)位，，恢復(fù)復(fù)正常常程序序流程程。網(wǎng)絡(luò)節(jié)節(jié)點(diǎn)設(shè)設(shè)計(jì)案案例1、Mica系列節(jié)節(jié)點(diǎn)概概述Mica系列節(jié)節(jié)點(diǎn)的的組網(wǎng)網(wǎng)示意意圖MICA2系列MPR4x0的實(shí)物物MICA2DOT系系列MPR5x0的的實(shí)物物MICAz系列列MPR2400的的實(shí)物物多傳感感器模模塊MTS300/310的的實(shí)物物多傳感感器模模塊MTS510的的實(shí)物物8.2操作系系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)操操作系系統(tǒng)的的特點(diǎn)點(diǎn)①物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的操操作系系統(tǒng)代代碼量量必須須盡可可能小小。②能適應(yīng)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)拓?fù)鋼鋭?dòng)態(tài)態(tài)變化化的應(yīng)應(yīng)用環(huán)環(huán)境。。③對監(jiān)測測環(huán)境境發(fā)生生的事事件能能快速速響應(yīng)應(yīng)，迅迅速執(zhí)執(zhí)行相相關(guān)的的處理理任務(wù)務(wù)。④能有效效地管管理能能量資資源、、計(jì)算算資源源、存存儲(chǔ)資資源和和通信信資源源。⑤必須支支持多多個(gè)節(jié)節(jié)點(diǎn)協(xié)協(xié)作完完成監(jiān)監(jiān)測任任務(wù)。。⑥讓開發(fā)發(fā)者方方便地地開發(fā)發(fā)應(yīng)用用程序序，無無需過過多關(guān)關(guān)注對對底層層硬件件的操操作。。⑦能通過過可靠靠傳輸輸技術(shù)術(shù)對大大量節(jié)節(jié)點(diǎn)發(fā)發(fā)布代代碼，，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在線線動(dòng)態(tài)態(tài)重新新編程程。節(jié)點(diǎn)操操作系系統(tǒng)的的使用用案例例TinyOS的特點(diǎn)：①采用基基于組組件的的體系系結(jié)構(gòu)構(gòu)，這這種結(jié)結(jié)構(gòu)廣廣泛應(yīng)應(yīng)用在在嵌入入式操操作系系統(tǒng)。。②采用事事件驅(qū)驅(qū)動(dòng)機(jī)機(jī)制，，適用用于節(jié)節(jié)點(diǎn)眾眾多、、并發(fā)發(fā)操作作頻繁繁發(fā)生生的傳傳感器器網(wǎng)絡(luò)絡(luò)應(yīng)用用。③采用輕輕量級級線程程技術(shù)術(shù)和基基于先先進(jìn)先先出(FIFO)的任務(wù)務(wù)隊(duì)列列調(diào)度度方法法。④采用基基于事事件驅(qū)驅(qū)動(dòng)模模式的的主動(dòng)動(dòng)消息息通信信方式式，這這種方方式已已經(jīng)廣廣泛用用于分分布式式并行行計(jì)算算。TinyOS有兩種種安裝方式：一種是是使用用安裝裝向?qū)?dǎo)自動(dòng)動(dòng)安裝裝，另另一種種是全全手動(dòng)動(dòng)安裝裝。不不管使使用哪哪種方方式，，都需需要安安裝相相同的的RPM。RPM即ReliabilityPerformanceMeasure，是廣廣泛使使用的的用于于交付付開源源軟件件的工工具，，用戶戶可以以輕松松地安安裝或或升級級RPM打包的的產(chǎn)品品。TinyOS應(yīng)用程程序示示例接口(interface)是一個(gè)個(gè)雙向向通道道，表表明接接口具具有的的功能能和事事件通通知能能力是是雙向向的，，向調(diào)調(diào)用者者提供供命令令和實(shí)實(shí)現(xiàn)命命令者者進(jìn)行行事件件通告告。接口的的例子子：interfaceNAME{asycommandresult_tCNAME(pramp);asyeventresult_tENAME(pramp);}Blink程序的的層次次結(jié)構(gòu)構(gòu)Main配件的的層次次結(jié)構(gòu)構(gòu)軟件系系統(tǒng)的的分層層結(jié)構(gòu)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)節(jié)點(diǎn)軟軟件系系統(tǒng)的的分層層結(jié)構(gòu)構(gòu)軟件系系統(tǒng)的的開發(fā)發(fā)內(nèi)容容網(wǎng)絡(luò)節(jié)節(jié)點(diǎn)的的軟件件開發(fā)發(fā)需要要使用用基于于框架架的組組件。。這種種框架架運(yùn)用用自適適應(yīng)的的中間間件系系統(tǒng)，，通過過動(dòng)態(tài)態(tài)交換換和運(yùn)運(yùn)行組組件，，支撐撐高層層的應(yīng)應(yīng)用服服務(wù)架架構(gòu)，，加速速和簡簡化應(yīng)應(yīng)用系系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)節(jié)點(diǎn)設(shè)設(shè)計(jì)的的三個(gè)個(gè)環(huán)節(jié)節(jié)：①數(shù)據(jù)采采集功功能的的設(shè)計(jì)計(jì)②單個(gè)節(jié)節(jié)點(diǎn)功功能的的設(shè)計(jì)計(jì)③網(wǎng)絡(luò)功功能的的設(shè)計(jì)計(jì)網(wǎng)絡(luò)功功能框框架的的組件件單個(gè)節(jié)節(jié)點(diǎn)功功能框框架的的組件件后臺(tái)管管理軟軟件可視化化的后后臺(tái)管管理軟軟件是是物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)系系統(tǒng)的的一個(gè)個(gè)重要要組成成部分分，是是獲取取和分分析網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)數(shù)據(jù)的的重要要工具具。從微觀觀角度度來看看，物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)狀態(tài)態(tài)的獲獲取難難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于于傳統(tǒng)統(tǒng)有線線網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。從宏觀觀角度度來看看，物物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的運(yùn)運(yùn)行效效率和和性能能也比比一般般網(wǎng)絡(luò)絡(luò)難以以度量量和分分析。。后臺(tái)管管理軟軟件的的組成成后臺(tái)管管理軟軟件由由數(shù)據(jù)據(jù)庫、、數(shù)據(jù)據(jù)處理理引擎擎、圖圖形用用戶界界面和和后臺(tái)臺(tái)組件件四個(gè)個(gè)部分分組成成。典型的的后臺(tái)臺(tái)管理理軟件件(1)MoteView軟件MoteView是Windows平臺(tái)下下支持持傳感感器網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系系統(tǒng)的的可視視化監(jiān)監(jiān)控軟軟件。。MoteView作為傳傳感器器網(wǎng)絡(luò)絡(luò)客戶戶端管管理和和監(jiān)控控軟件件，提提供Windows圖形用用戶界界面，，主要要作用用包括括：管管理和和監(jiān)控控系統(tǒng)統(tǒng)；發(fā)發(fā)送命命令指指示；；報(bào)警警功能能；Mote編程功功能；；網(wǎng)絡(luò)絡(luò)診斷斷。(2)SNAMP軟件中科院院開發(fā)發(fā)的SNAMP(SensorNetworkAnalysisandManagementPlatform)軟件包包括串串口、、數(shù)據(jù)據(jù)處理理模塊塊、實(shí)實(shí)時(shí)顯顯示模模塊等等主要要模塊塊。SNAMP還提供供了多多種形形式的的用戶戶接口口，包包括拓拓?fù)錁錁?、?shí)實(shí)時(shí)點(diǎn)點(diǎn)列表表等，，滿足足用戶戶在分分析和和管理理傳感感器網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)時(shí)的需需求。。MoteView顯顯示的的傳感感器數(shù)數(shù)據(jù)列列表MoteView輸輸出的的傳感感器信信號波波形SNAMP實(shí)時(shí)顯顯示傳傳感器器網(wǎng)絡(luò)絡(luò)拓?fù)鋼浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)示例例8.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)系系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)計(jì)開發(fā)發(fā)案例例ZigBee是一種種面向向自動(dòng)動(dòng)化和和無線線控制制的低低速率率、低低功耗耗和低低成本本的無無線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)方方案。。ZigBee無線設(shè)設(shè)備工工作在在公共共頻段段(全球2.4GHz、美國國915MHz、歐洲洲868MHz)，傳輸輸距離離為10～75m，具體體數(shù)值值取決決于射射頻環(huán)環(huán)境和和特定定應(yīng)用用條件件下的的輸出出功耗耗。ZigBee的通信信速率率低于于藍(lán)牙牙，由由電池池供電電，并并希望望在不不更換換電池池并且且不充充電的的情況況下能能正常常工作作幾個(gè)個(gè)月甚甚至幾幾年。。ZigBee的通信信速率率在2.4GHz時(shí)為250kbps，在915MHz時(shí)為40kbps，在868MHz時(shí)為20kbps。常見無無線通通信協(xié)協(xié)議的的應(yīng)用用范圍圍ZigBee的物理理設(shè)備備分為為功能簡簡化型型設(shè)備和和功能完完備型型設(shè)備。。ZigBee支持三三種拓拓?fù)浣Y(jié)結(jié)構(gòu)：：星型(Star)結(jié)構(gòu)、、網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)構(gòu)和和簇樹型型(ClusterTre