《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)案例教程》課件-第8章46

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8.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)案例8.1.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計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。每個網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點都具有一定的智能性，能對數(shù)據(jù)進行預(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。該類節(jié)點的處理能力較弱，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行電壓（V）運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能量2、采集識別

采集識別功能經(jīng)常涉及到一個稱作變送器的概念。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。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相當于0dBm，而1W相當于30dBm。無線射頻電路設(shè)計考慮三個問題：天線設(shè)計阻抗匹配電磁兼容天線的性能指標:

天線增益

天線效率

天線電壓駐波比天線增益是指天線在能量發(fā)射最大方向上的增益。

天線效率是指天線以電磁波的形式發(fā)射到空中的能量與自身消耗能量的比值，其中自身消耗的能量是以熱的形式散發(fā)。

天線電壓駐波比用來衡量傳輸線與天線之間阻抗失配的程度。當天線電壓駐波比值越高，表示阻抗失配程度越高，則信號能量損耗越大。

在通常情況下，內(nèi)置天線由于便于攜帶，且具有免受機械和外界環(huán)境損害等優(yōu)點，常常是設(shè)計時的首選方案。

第二種天線是將簡單的導(dǎo)線天線或金屬條帶天線作為元件，安裝在電路板上。

第三種天線是特殊的陶瓷天線元件。

第四種是外置天線，它沒有內(nèi)置天線的尺寸限制，通常離網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的噪聲源的距離較遠，因而具有很高的無線通信傳輸性能。天線種類

射頻放大輸出部分與天線之間的阻抗匹配情況，直接關(guān)系到功率的利用效率。由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常使用較高的工作頻率，因而必須考慮導(dǎo)線和PCB基板的材質(zhì)、PCB走線、器件的分布參數(shù)等諸多可能造成失配的因素。

通常網(wǎng)絡(luò)節(jié)點體積小，包括微處理器、存儲器、傳感器和天線在內(nèi)的各種器件，它們聚集在相對狹小的空間，因而任何不合理的設(shè)計都可能帶來嚴重的電磁兼容問題。

采用電池供電是目前最常見的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電方式。按照電池能否充電，電池可分為可充電電池和不可充電電池；根據(jù)電極材料，電池可以分為鎳鉻電池、鎳鋅電池、銀鋅電池、鋰電池和鋰聚合物電池等。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在某些情況下可以直接從外界環(huán)境獲取足夠的能量，包括通過光電效應(yīng)、機械振動等方式獲取能量。最常見的能量收集技術(shù)包括太陽能、風(fēng)能、熱能、電磁能和機械能等。4、供應(yīng)電能5、外圍電路

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的外圍模塊主要包括看門狗電路、I/O電路和低電量檢測電路等。

看門狗(WatchDog)是一種增強系統(tǒng)魯棒性的措施，能有效防止系統(tǒng)進入死循環(huán)或程序跑飛。

看門狗的工作過程如下：在系統(tǒng)運行以后啟動看門狗的計數(shù)器，看門狗開始自動計數(shù)。如果到達了指定的置位，看門狗計數(shù)器就會溢出，引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復(fù)位，恢復(fù)正常程序流程。8.1.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計案例1、Mica系列節(jié)點概述Mica系列節(jié)點的組網(wǎng)示意圖MICA2系列MPR4x0的實物MICA2DOT系列MPR5x0的實物MICAz系列MPR2400的實物多傳感器模塊MTS300/310的實物多傳感器模塊MTS510的實物8.2操作系統(tǒng)8.2.1節(jié)點操作系統(tǒng)的特點①物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的操作系統(tǒng)代碼量必須盡可能小。②能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化的應(yīng)用環(huán)境。③對監(jiān)測環(huán)境發(fā)生的事件能快速響應(yīng)，迅速執(zhí)行相關(guān)的處理任務(wù)。④能有效地管理能量資源、計算資源、存儲資源和通信資源。⑤必須支持多個節(jié)點協(xié)作完成監(jiān)測任務(wù)。⑥讓開發(fā)者方便地開發(fā)應(yīng)用程序，無需過多關(guān)注對底層硬件的操作。⑦能通過可靠傳輸技術(shù)對大量節(jié)點發(fā)布代碼，實現(xiàn)在線動態(tài)重新編程。8.2.2節(jié)點操作系統(tǒng)的使用案例TinyOS的特點：①采用基于組件的體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在嵌入式操作系統(tǒng)。②采用事件驅(qū)動機制，適用于節(jié)點眾多、并發(fā)操作頻繁發(fā)生的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。③采用輕量級線程技術(shù)和基于先進先出(FIFO)的任務(wù)隊列調(diào)度方法。④采用基于事件驅(qū)動模式的主動消息通信方式，這種方式已經(jīng)廣泛用于分布式并行計算。TinyOS有兩種安裝方式：一種是使用安裝向?qū)ё詣影惭b，另一種是全手動安裝。不管使用哪種方式，都需要安裝相同的RPM。RPM即ReliabilityPerformanceMeasure，是廣泛使用的用于交付開源軟件的工具，用戶可以輕松地安裝或升級RPM打包的產(chǎn)品。TinyOS應(yīng)用程序示例

接口(interface)是一個雙向通道，表明接口具有的功能和事件通知能力是雙向的，向調(diào)用者提供命令和實現(xiàn)命令者進行事件通告。接口的例子：interfaceNAME{asycommandresult_tCNAME(pramp);asyeventresult_tENAME(pramp);

}Blink程序的層次結(jié)構(gòu)Main配件的層次結(jié)構(gòu)8.3.1軟件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)8.3.2軟件系統(tǒng)的開發(fā)內(nèi)容

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件開發(fā)需要使用基于框架的組件。這種框架運用自適應(yīng)的中間件系統(tǒng)，通過動態(tài)交換和運行組件，支撐高層的應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)，加速和簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計的三個環(huán)節(jié)：①數(shù)據(jù)采集功能的設(shè)計②單個節(jié)點功能的設(shè)計③網(wǎng)絡(luò)功能的設(shè)計網(wǎng)絡(luò)功能框架的組件單個節(jié)點功能框架的組件8.3.3后臺管理軟件

可視化的后臺管理軟件是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個重要組成部分，是獲取和分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的重要工具。

從微觀角度來看，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點狀態(tài)的獲取難度遠大于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。

從宏觀角度來看，物聯(lián)網(wǎng)的運行效率和性能也比一般網(wǎng)絡(luò)難以度量和分析。后臺管理軟件的組成

后臺管理軟件由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)處理引擎、圖形用戶界面和后臺組件四個部分組成。典型的后臺管理軟件(1)MoteView軟件MoteView是Windows平臺下支持傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可視化監(jiān)控軟件。MoteView作為傳感器網(wǎng)絡(luò)客戶端管理和監(jiān)控軟件，提供Windows圖形用戶界面，主要作用包括：管理和監(jiān)控系統(tǒng)；發(fā)送命令指示；報警功能；Mote編程功能；網(wǎng)絡(luò)診斷。(2)SNAMP軟件

中科院開發(fā)的SNAMP(SensorNetworkAnalysisandManagementPlatform)軟件包括串口、數(shù)據(jù)處理模塊、實時顯示模塊等主要模塊。SNAMP還提供了多種形式的用戶接口，包括拓撲樹、實時點列表等，滿足用戶在分析和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)時的需求。MoteView顯示的傳感器數(shù)據(jù)列表MoteView輸出的傳感器信號波形SNAMP實時顯示傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示例8.4ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)案例ZigBee是一種面向自動化和無線控制的低速率、低功耗和低成本的無線網(wǎng)絡(luò)方案。ZigBee無線設(shè)備工作在公共頻段(全球2.4GHz、美國915MHz、歐洲868MHz)，傳輸距離為10～75m，具體數(shù)值取決于射頻環(huán)境和特定應(yīng)用條件下的輸出功耗。ZigBee的通信速率低于藍牙，由電池供電，并希望在不更換電池并且不充電的情況下能正常工作幾個月甚至幾年。ZigBee的通信速率在2.4GHz時為250kbps，在915MHz時為40kbps，在868MHz時為20kbps。常見無線通信協(xié)議的應(yīng)用范圍ZigBee的物理設(shè)備分為功能簡化型設(shè)備和功能完備型設(shè)備。ZigBee支持三種拓撲結(jié)構(gòu)：星型(Star)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)構(gòu)和簇樹型(ClusterTree)結(jié)構(gòu)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)星型最常見，可提供長時間電池壽命；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)有多條傳輸路徑，具有高可靠性；簇樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了星型和網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)，既有較高可靠性，又節(jié)省電池能量。(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低(2)有效范圍小(3)工作頻段靈活(4)省電(5)可靠(6)成本低(7)時延短(8)網(wǎng)絡(luò)容量大(9)安全性能好ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特點ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計1、硬件設(shè)計要點ZigBee芯片硬件設(shè)計的要點在于ZigBee芯片和微處理器(MCU)之間的配合，每個協(xié)議棧都是在某個型號或序列的微處理器和ZigBee芯片配合的基礎(chǔ)上編寫的。電路設(shè)計ZigBee應(yīng)用大多采用四層板結(jié)構(gòu)，需要滿足良好的電磁兼容性能要求。2、軟件設(shè)計步驟建立Profile初始化編寫應(yīng)用層代碼本章總結(jié)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)是一項實踐性很強的技術(shù)，涉及到多門學(xué)科知識，通過有機結(jié)合形成物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用功能。本章介紹了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)所涉及的硬件設(shè)計、節(jié)點操作系統(tǒng)和軟件設(shè)計的內(nèi)容，并以ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，介紹了具體的設(shè)計開發(fā)案例。本章內(nèi)容屬于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)知識，通過學(xué)習(xí)應(yīng)能掌握常見網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案的設(shè)計方法，理解物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的基本原理。theend謝謝！9、春去春又回，新桃換舊符。在那桃花盛開的地方，在這醉人芬芳的季節(jié)，愿你生活像春天一樣陽光，心情像桃花一樣美麗，日子像桃子一樣甜蜜。3月-253月-25Thursday,March13,202510、人的志向通常和他們的能力成正比例。14:35:5414:35:5414:353/13/20252:35:54PM11、夫?qū)W須志也，才須學(xué)也，非學(xué)無以廣才，非志無以成學(xué)。3月-2514:35:5414:35Mar-2513-Mar-2512、越是無能的人，越喜歡挑剔別人的錯兒。14:35:5414:3