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1、 內(nèi) 容 提 要 傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。本章將介紹傳感器的發(fā)展與應(yīng)用以及軟硬件平臺(tái)。 第2章介紹了常見(jiàn)的自動(dòng)識(shí)別方法和技術(shù)，重點(diǎn)介紹了RFID技術(shù)IC卡系統(tǒng)構(gòu)成，一維和二維條形碼RFID的概念和系統(tǒng)組成，標(biāo)簽的存儲(chǔ)方式、分類(lèi)以及常用頻率RFID標(biāo)簽防沖突方法（基于ALOHA協(xié)議/基于二進(jìn)制樹(shù)協(xié)議）本章重點(diǎn)介紹傳感器技術(shù)，涉及傳感器的基本概念和典型應(yīng)用，以及常用的硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)等內(nèi)容。內(nèi)容回顧 3 .1 傳感器概述3 .2 傳感器技術(shù)發(fā)展史3 .3 典型應(yīng)用3 .4 設(shè)計(jì)需求3 .5 硬件平臺(tái)3 .6 操作系統(tǒng)究竟什么是傳感器？傳感器

2、有哪些部分組成呢？本章內(nèi)容 3 .1傳感器概述定義我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7 6 6 5 -2 0 0 5）對(duì)傳感器的定義是：“能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”。傳統(tǒng)傳感器的局限性網(wǎng)絡(luò)化、智能化的程度十分有限，缺少有效的數(shù)據(jù)處理與信息共享能力現(xiàn)代傳感器特點(diǎn)：微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化典型代表：無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn) 無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的組成：電池、傳感器、微處理器、無(wú)線通信芯片；相比于傳統(tǒng)傳感器，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)不僅包括傳感器部件（左上圖），還集成了微型處理器和無(wú)線通信芯片等，能夠?qū)Ω兄畔⑦M(jìn)行分析處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸。 3 .1 傳感器概述3 .2 傳感器技術(shù)發(fā)展史3 .3 典型應(yīng)用3

3、.4 設(shè)計(jì)需求3 .5 硬件平臺(tái)3 .6 操作系統(tǒng)傳感器發(fā)展的兩條主線是什么？制約因素又有哪些？本章內(nèi)容 3 .2傳感器技術(shù)發(fā)展史：兩條主線加州伯克萊分校SmartDust項(xiàng)目微型化傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)線傳感器的研究始于2 0世紀(jì)9 0年代加州洛杉磯分校LWIN項(xiàng)目低功耗無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)1 9 9 6年，LWIM團(tuán)隊(duì)將多種傳感器、控制和通信芯片集成在一個(gè)設(shè)備上，開(kāi)發(fā)了LWIM節(jié)點(diǎn)1 9 9 8年，LWIM團(tuán)隊(duì)和Rockwell科學(xué)中心合作開(kāi)發(fā)了WINS節(jié)點(diǎn)1 9 9 9年，該校發(fā)布了WeC節(jié)點(diǎn) 之后，該校又發(fā)布了一系列節(jié)點(diǎn)，包括Mica、Mica2、Mica2 Dot，MicaZ 3 .2傳感器技術(shù)發(fā)展

4、史：緩慢提升的性能 時(shí)間硬件能力摩爾定律預(yù)測(cè)的曲線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)展曲線2 0 0 4計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展通常遵循摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數(shù)量，約每隔1 8個(gè)月增加一倍，性能也將提升一倍。 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)展并沒(méi)有像摩爾定律預(yù)測(cè)的速度發(fā)展！ 制約傳感器性能提升的因素？功耗的制約：無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)一般被部署在野外，不能通過(guò)有線供電。其硬件設(shè)計(jì)必須以節(jié)能為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。 價(jià)格的制約：無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)一般需要大量組網(wǎng)，以完成特定的功能。其硬件設(shè)計(jì)必須以廉價(jià)為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。 體積的制約：無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)一般需要容易攜帶，易于部署。其硬件設(shè)計(jì)必須以微型化為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。 3 .1 傳感器概述3 .2 傳感器技術(shù)

5、發(fā)展史3 .3 典型應(yīng)用3 .4 設(shè)計(jì)需求3 .5 硬件平臺(tái)3 .6 操作系統(tǒng)雖然傳感器性能有限，但仍然得到廣泛應(yīng)用。本章內(nèi)容 軍事監(jiān)測(cè)中的傳感器：VigilNetVigilNet是由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)研制的用于軍事監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)由XSM，Mica2和Mica2 Dot節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其規(guī)模最大達(dá)2 0 0個(gè)節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)通過(guò)電池供電，鋪設(shè)在道路旁邊，用于檢測(cè)與收集移動(dòng)目標(biāo)的情況。應(yīng)用特點(diǎn)節(jié)點(diǎn)自主成網(wǎng)、多跳傳輸 節(jié)點(diǎn)通過(guò)電池供電，通過(guò)軟件節(jié)能機(jī)制延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期 節(jié)點(diǎn)智能感知、協(xié)同工作，向上提供預(yù)警的功能 智能樓宇中的傳感器： LoCal每年美國(guó)用電報(bào)告顯示至少有3 0 %的電量是浪費(fèi)的。這

6、些電能浪費(fèi)在何處？其中哪些是可以節(jié)省的？由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校大學(xué)發(fā)起的LoCal項(xiàng)目試圖通過(guò)在智能樓宇中部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決這些問(wèn)題。應(yīng)用特點(diǎn)傳感器能實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間上的細(xì)粒度感知，可實(shí)時(shí)跟蹤到單個(gè)電器 傳感器能實(shí)現(xiàn)“多功能”的感知，能推測(cè)用戶(hù)的行為 傳感器能夠互聯(lián)互通，通過(guò)大量連續(xù)的數(shù)據(jù)則有助于分析得出更多有用的信息 醫(yī)療監(jiān)控中的傳感器： Mercury傳感器的另一個(gè)重要應(yīng)用是醫(yī)療監(jiān)控 ，哈佛大學(xué)研究組改進(jìn)了傳統(tǒng)傳感器，使得其外形更小，適合穿戴在身上應(yīng)用特點(diǎn)傳感器的設(shè)計(jì)十分人性化 傳感器具有高精度的感知能力，醫(yī)用的數(shù)據(jù)需要較高的采樣精度供醫(yī)生分析診斷傳感器能連續(xù)長(zhǎng)期地采集數(shù)據(jù)傳感器使用

7、無(wú)線通信方式，其數(shù)據(jù)傳輸是機(jī)會(huì)性的 3 .1 傳感器概述3 .2 傳感器技術(shù)發(fā)展史3 .3 典型應(yīng)用3 .4 設(shè)計(jì)需求3 .5 硬件平臺(tái)3 .6 操作系統(tǒng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)傳感器軟硬件提出獨(dú)特的設(shè)計(jì)需求本章內(nèi)容 大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間部署傳感器的設(shè)計(jì)需求低成本與微型化低成本的節(jié)點(diǎn)才能被大規(guī)模部署，微型化的節(jié)點(diǎn)才能使部署更加容易 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)也需要滿足微型化的需求 。例如TelosB節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存大小只有4 KB，程序存儲(chǔ)的空間只有1 0 KB。因此，節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)必須節(jié)約計(jì)算資源，避免超出節(jié)點(diǎn)的硬件能力 大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間部署傳感器的設(shè)計(jì)需求低功耗在硬件設(shè)計(jì)上采用低功耗芯片例如TelosB節(jié)點(diǎn)使用的微處理器，在正

8、常工作狀態(tài)下功率為3 mW，而一般的計(jì)算機(jī)的功率為2 0 0到3 0 0 W 軟件節(jié)能策略來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能 軟件節(jié)能策略的核心就是盡量使節(jié)點(diǎn)在不需要工作的時(shí)候進(jìn)入低功耗模式，僅在需要工作的時(shí)候進(jìn)入正常狀態(tài) 大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間部署傳感器的設(shè)計(jì)需求靈活性與擴(kuò)展性傳感器節(jié)點(diǎn)被用于各種不同的應(yīng)用中，因此節(jié)點(diǎn)硬件和軟件的設(shè)計(jì)必須具有靈活性和擴(kuò)展性 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)需滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)接口，例如節(jié)點(diǎn)和傳感板的接口統(tǒng)一有利于給節(jié)點(diǎn)安裝上不同功能的傳感器 軟件的設(shè)計(jì)必須是可剪裁的，能夠根據(jù)不同應(yīng)用的需求，安裝不同功能的軟件模塊 大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)間部署傳感器的設(shè)計(jì)需求魯棒性魯棒性是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間部署的重要保障 對(duì)于普通的計(jì)算機(jī)，

9、一旦系統(tǒng)崩潰了，人們可以采用重啟的方法恢復(fù)系統(tǒng)，而傳感器節(jié)點(diǎn)則不行 ，就整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言，可以適當(dāng)增加冗余性，增加整體系統(tǒng)的魯棒性 3 .1 傳感器概述3 .2 傳感器技術(shù)發(fā)展史3 .3 典型應(yīng)用3 .4 設(shè)計(jì)需求3 .5 硬件平臺(tái)3 .6 操作系統(tǒng)結(jié)合設(shè)計(jì)需求可得出傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)的基本特征本章內(nèi)容 3 .5 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)展性魯棒性無(wú)線傳感器組成傳感器微處理器無(wú)線通信芯片電池供能裝置采用電池供電，使得節(jié)點(diǎn)容易部署。但由于電壓、環(huán)境等變化，電池容量并不能被完全利用?？稍偕芰?，如太陽(yáng)能?？稍偕茉创鎯?chǔ)能量有兩種方式：充電電池，自放電較少，電能利用會(huì)比較高，但

10、充電的效率較低，且充電次數(shù)有限； 超電容，充電效率高，充電次數(shù)可達(dá)1 0 0萬(wàn)次，且不易受溫度，振動(dòng)等因素的影響。 3 .5 硬 件 平 臺(tái)設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)展性魯棒性無(wú)線傳感器組成傳感器微處理器無(wú)線通信芯片電池傳感器有許多傳感器可供節(jié)點(diǎn)平臺(tái)使用，使用哪種傳感器往往由具體的應(yīng)用需求以及傳感器本身的特點(diǎn)決定需要根據(jù)處理器與傳感器的交互方式：通過(guò)模擬信號(hào)和通過(guò)數(shù)字信號(hào)，選擇是否需要外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器和額外的校準(zhǔn)技術(shù)。 常用傳感器及其關(guān)鍵特性設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)展性魯棒性無(wú)線傳感器組成傳感器微處理器無(wú)線通信芯片電池 3 .5 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型

11、化低功耗靈活性與擴(kuò)展性魯棒性無(wú)線傳感器組成傳感器微處理器無(wú)線通信芯片電池微處理器微處理器是無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)中負(fù)責(zé)計(jì)算的核心 ，目前的微處理器芯片同時(shí)也集成了內(nèi)存、閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)化器、數(shù)字IO等 ，這種深度集成的特征使得它們非常適合在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用。影響節(jié)點(diǎn)工作整體性能的微處理器關(guān)鍵性能包括功耗特性，喚醒時(shí)間（在睡眠/工作狀態(tài)間快速切換），供電電壓（長(zhǎng)時(shí)間工作），運(yùn)算速度和內(nèi)存大小 常用微處理器及其關(guān)鍵特性設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)展性魯棒性無(wú)線傳感器組成傳感器微處理器無(wú)線通信芯片電池 3 .5 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)展性魯棒性無(wú)線傳感器組成傳感器微處

12、理器無(wú)線通信芯片電池通信芯片通信芯片是無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)中重要的組成部分 ，在一個(gè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗中，通信芯片通常消耗能量最多 ，在目前常用的TelosB節(jié)點(diǎn)上，CPU在工作狀態(tài)電流僅5 0 0 uA，而通信芯片在工作狀態(tài)電流近2 0 mA。 低功耗的通信芯片在發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)時(shí)消耗的能量差別不大 ，這意味著只要通信芯片開(kāi)著，都在消耗差不多的能量 3 .5 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)展性魯棒性無(wú)線傳感器組成傳感器微處理器無(wú)線通信芯片電池通信芯片（續(xù)）通信芯片的傳輸距離是選擇傳感節(jié)點(diǎn)的重要指標(biāo)。發(fā)射功率越大，接受靈敏度越高，信號(hào)傳輸距離越遠(yuǎn)。常用通信芯片：CC1 0 0

13、 0：可工作在4 3 3 MHz，8 6 8 MHz和9 1 5 MHz；采用串口通信模式時(shí)速率只能達(dá)到1 9 .2 Kbps CC2 4 2 0：工作頻率2 .4 GHz，是一款完全符合IEEE 8 0 2 .1 5 .4協(xié)議規(guī)范的芯片 ；傳輸率2 5 0 Kbps 常用通信芯片及其關(guān)鍵特性設(shè)計(jì)需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴(kuò)展性魯棒性無(wú)線傳感器組成傳感器微處理器無(wú)線通信芯片電池 3 .1 傳感器概述3 .2 傳感器技術(shù)發(fā)展史3 .3 典型應(yīng)用3 .4 設(shè)計(jì)需求3 .5 硬件平臺(tái)3 .6 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是傳感器節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)的核心本章內(nèi)容 節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)VS其他操作系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)區(qū)別于

14、傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：其硬件平臺(tái)資源極其有限 由圖可得，節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)是極其微型化的。 節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)發(fā)展史節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：其硬件平臺(tái)資源極其有限 節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)功能：硬件驅(qū)動(dòng)資源管理任務(wù)調(diào)度編程借口TinyOSTinyOS由加州伯克萊分校開(kāi)發(fā),是目前無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域使用最為廣泛的OS (http:/)TinyOS開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：nesCnesC語(yǔ)言是專(zhuān)門(mén)為資源極其受限、硬件平臺(tái)多樣化的傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 使用nesC編寫(xiě)的應(yīng)用程序是基于組件的 組件之間的交互必須通過(guò)使用接口 用nesC編寫(xiě)的應(yīng)用程序一般有一個(gè)最頂層的配置文件 節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)功能：硬件驅(qū)動(dòng)資源管理任務(wù)

15、調(diào)度編程借口TinyOS（續(xù)）TinyOS任務(wù)調(diào)度TinyOS核心使用了事件驅(qū)動(dòng)的單線程任務(wù)調(diào)度機(jī)制，這和傳統(tǒng)OS的多線程調(diào)度機(jī)制截然不同 任何一個(gè)時(shí)刻，處理器只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。因此，如果當(dāng)前正在執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，處理器必須等這個(gè)任務(wù)處理完畢，才能開(kāi)始處理另一個(gè)任務(wù) 在單個(gè)TinyOS任務(wù)中不能有IO等阻塞的調(diào)用 節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)功能：硬件驅(qū)動(dòng)資源管理任務(wù)調(diào)度編程借口其他常用微型OS對(duì)比 本章小結(jié)內(nèi)容回顧本章介紹了傳感器的基本概念和典型應(yīng)用，并討論了傳感器的設(shè)計(jì)需求和軟硬件平臺(tái)，以TinyOS為例簡(jiǎn)單介紹了節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)。重點(diǎn)掌握現(xiàn)代傳感器的基本組成以及各部分的軟硬件平臺(tái)特點(diǎn)和需求。掌握制約傳感器性能提升的瓶頸以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)需求（低成本與微型化，低功耗，靈活性與擴(kuò)展性，魯棒性）了解節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)以及TinyOS/nesC編程的基本框架 Thank you!