《物联网工程及应用》课件第5章.ppt

在某些情况下，传感器节点可以直接从外界的环境中获取足够的能量，包括通过光电效应、机械振动等不同方式获取能量。如果设计合理，采用能量收集技术的节点尺寸可以做得很小，因为它们不需要随身携带电池。最常见的能量收集技术包括太阳能、风能、热能、电磁能、机械能等。比如，利用袖珍化的压电发生器收集机械能，利用光敏器件收集太阳能，利用微型热电发电机收集热能等。另外，Bond等人还研究了采用微生物电池作为电源的方法，这种方法安全、环保，而且可以无限期利用。节点所需的电压通常不只一种。这是因为：模拟电路与数字电路所要求的最优供电电压不同，非易失性存储器和压电换能器及其他的用户界面需要使用较高的电源电压。任何电压转换电路都会有固定开销(消耗在转换电路本身而不是在负载上)，对于占空比非常低的传感器节点，这种开销占总功耗的比例可能非常大。

5)外围模块设计

传感器节点的主要外围模块包括看门狗、I/O模块、低电量检测电路等。(1)看门狗(WatchDog)。看门狗是一种增强系统鲁棒性的重要措施，它能够有效防止系统进入死循环或者程序跑飞。传感器节点的工作环境复杂多变，可能由于干扰造成系统软件运行混乱。例如，在因干扰造成程序计数器计数值出错时，系统会访问非法区域而跑飞。看门狗的工作原理是：在系统运行以后启动看门狗的计数器，看门狗开始自动计数。到了指定的时间后，看门狗如果仍没有被置位，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位，恢复正常程序流程。为了保证看门狗的正常动作，需要程序在每个指定的时间段内都必须至少置位看门狗计数器一次(俗称“喂狗”)。对于传感器节点，可用软件设定看门狗功能允许或禁止，还可以设定看门狗的反应时间。(2)?I/O模块。休眠模式下微处理器的系统时钟将停止，然后由外部事件中断重新启动系统时钟，从而唤醒CPU继续工作。在休眠模式下，微处理器本身实际上已经不消耗什么电流，要想进一步减小系统功耗，就要尽量将传感器节点的各个I/O模块关掉。随着I/O模块的逐个关闭，节点的功耗越来越低，最后进入深度休眠模式。需要注意的是，在让节点进入深度休眠状态前，需要将重要系统参数保存在非易失性存储器中。网络中的节点通过中间件的服务连接起来，协作地执行任务。中间件逻辑上是在网络层，但物理上仍存在于节点内，它在网络内协调服务间的互操作，灵活便捷地支撑起无线传感器网络的应用开发。

为此，需要依据上述三个层次的应用，通过程序设计来开发实现框架中的各类组件，这就构成了无线传感器网络软件设计的主要内容。3.无线传感器网络软件开发的主要技术挑战

尽管无线传感器网络的软件开发研究取得了很大进展，但还有一些问题尚未解决。总的说来，还面临着以下挑战：

(1)安全问题。无线传感器网络因其分布式的部署方式很容易受到恶意侵入和拒绝服务之类的攻击，因此在软件开发中要考虑到安全因素，需要将安全集成在软件设计的初级阶段，以实现机密性、完整性、及时性和可用性。

(2)可控的QoS操作。应用任务在网络中的执行需要一定的QoS保证，用户通常需要调整或设置这些QoS要求。如何将QoS要求通过软件的方式抽象出来，为用户提供可控的QoS操作接口，是无线传感器网络软件开发所面临的又一技术挑战。(3)中间件系统。中间件封装了协议处理、内存管理、数据流管理等复杂的底层操作，用来协调网络内部服务、配置和管理整个网络。设计具有可扩展、通用性强和自适应特点的中间件系统也是无线传感器网络软件开发所面临的技术挑战。

5.5.3无线传感器网络的硬件开发概述

1.硬件系统的设计特点与要求

传感器节点是为无线传感器网络特别设计的微型计算机系统。无线传感器网络的特点决定了传感器节点的硬件设计应该重点考虑三个方面的问题。(1)低功耗。无线传感器网络对低功耗的需求一般都远远高于目前已有的蓝牙、WLAN等。传感器节点的硬件设计直接决定了节点的能耗水平，还决定了各种软件通过优化(如网络各层通信协议的优化设计、功率管理策略的设计)可能达到的最低能耗水平。通过合理地设计硬件系统，可以有效降低节点能耗。

(2)低成本。在无线传感器网络的应用中，成本通常是一个需要考虑的重要因素。在传感器节点的开发阶段，成本主要体现在软件协议的开发上。一旦产品定型，在产品生产和使用过程中，主要的成本都集中在硬件开发和节点维护两个方面。因此，传感器节点的硬件设计应该根据具体应用的特点来合理选择器件，并使节点易于维护和管理，从而降低开发与维护成本。(3)稳定性和安全性。传感器节点的稳定性和安全性需要结合软、硬件设计来实现。稳定性设计要求节点的各个部件能够在给定的应用背景下(可能具有较强的干扰或不良的温、湿度条件)正常工作，避免由于外界干扰