傳感器網絡開發：傳感器網絡的應用開發基礎.ppt

傳感器網絡開發：傳感器網絡的應用開發基礎.ppt

3、傳感器網絡的軟件編程模式 傳感器網絡的軟件開發需要采取一定的編程模式，運用適當的編程框架來指導具體的程序設計。通用軟件的編程模式并不完全適合于傳感器網絡的軟件開發，為此需要考慮設計適合于傳感器網絡開發特征的編程模式，這里主要簡介三種常見的編程模式. （1）抽象域編程 （2）以對象為中心的編程 （3）以狀態為中心的編程模式 * 5.3.3 后臺管理軟件 1、結構與組成 可視化的后臺管理軟件是傳感器網絡系統的一個重要組成部分，是獲取和分析傳感器網絡數據的重要工具。傳感器網絡的分析與管理是應用的重點和難點，傳感器網絡的分析和管理需要一個后臺系統來支持。 通常傳感器網絡在采集探測數據后，通過傳輸網絡將數據傳輸給后臺管理軟件。后臺管理軟件對這些數據進行分析、處理和存儲，得到傳感器網絡的相關管理信息和目標探測信息。后臺管理軟件可以提供多種形式的用戶接口，包括拓撲樹、節點分布、實時曲線、數據查詢和節點列表等。 另外，后臺管理軟件也可以發起數據查詢任務。 * 后臺管理軟件通常由數據庫、數據處理引擎、圖形用戶界面和后臺組件四個部分組成。 * 數據庫用于存儲所有數據，主要涉及網絡管理信息和傳感器探測數據信息兩種，包括傳感器網絡的配置信息、節點屬性、探測數據和網絡運行的一些信息等。 數據處理引擎負責傳輸網絡和后臺管理軟件之間的數據交換、分析和處理，將數據存儲到數據庫。另外它還負責從數據庫中讀取數據，將數據按照某種方式傳遞給圖形用戶界面，以及接受圖形用戶界面產生的數據等。 后臺組件利用數據庫中的數據實現一些邏輯功能或者圖形顯示功能，它主要涉及到網絡拓撲顯示組件、網絡節點顯示組件、圖形繪制組件等。 圖形用戶界面是用戶對傳感器網絡進行檢測的可視化窗口。 * 目前在傳感器網絡領域出現了一些后臺管理軟件工具，如克爾斯博公司的MoteView、加州大學伯克利分校的TinyViz、加州大學洛山磯分校的EmStar、中科院開發的SNAMP等。這些軟件都在傳感器網絡的數據收集和網絡管理中得到了應用。 * 2、MoteView軟件介紹 MoteView是Windows平臺下支持傳感器網絡系統的可視化監控軟件。無線網絡中所有節點的數據通過基站儲存在 PostreSQL數據庫中。MoteView能夠將這些數據從數據庫中讀取并顯示出來，也能夠實時地顯示基站接收到的數據。 MoteView作為無線傳感器網絡客戶端管理和監控軟件，功能是提供Windows 圖形用戶界面，主要作用包括： (1) 管理和監控系統； (2) 發送命令指示； (3) 報警功能； (4) Mote 編程功能； (5) 網絡診斷。 * MoteView顯示的傳感器數據列表 * MoteView輸出的傳感器信號波形 * 3、SNAMP軟件介紹 中科院開發的SNAMP包括串口、數據處理模塊、實時顯示模塊等主要模塊。模塊化的設計使得整個系統層次擴展性良好。 * SNAMP的實時曲線是應用于Windows服務器端和客戶端開發的一種圖表組件，是對繪制圖表和圖表分析功能所需要的數據和方法的簡單封裝。 * 目前市場上支持ZigBee協議的芯片制造商有Chipcon公司和Freescale半導體公司。Chipcon公司的CC2420芯片應用較多，該公司還提供ZigBee協議的完整開發套件。Freescale半導體公司提供ZigBee的2.4GHz無線傳輸芯片包括MC、MC、MC，該公司也提供配套的開發套件。 * 在無線射頻電路設計中，主要考慮以下三個問題： ① 天線設計 天線的設計指標有很多種，無線傳感器網絡節點使用的是ISM/SRD免證使用頻段，主要從天線增益、天線效率和電壓駐波比三個指標來衡量天線的性能。 天線增益是指天線在能量發射最大方向上的增益，當以各向同性為增益基準時，單位為dBi；如果以偶極子天線的發射為基準時，單位為dBd。 天線的增益越高，通信距離就越遠。 * 天線效率是指天線以電磁波的形式發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。 天線電壓駐波比主要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。 * ② 阻抗匹配 射頻放大輸出部分與天線之間的阻抗匹配情況，直接關系到功率的利用效率。如果匹配不好，很多能量會被天線反射回射頻放大電路，不僅降低了發射效率，嚴重時還會導致節點的電路發熱，縮短節點壽命。 由于傳感器節點通常使用較高的工作頻率，因而必須考慮導線和PCB基板的材質、PCB走線、器件的分布參數等諸多可能造成失配的因素。 * ③

傳感器網絡開發：在線檢測系統中的無線傳感器網絡開發

傳統的電力供電發電設備在線檢測系統一般采用布線或者GPRS的傳輸方式，不僅前期部署復雜，而且后期運營成本較高，大規模集中管理難度較大。無線傳感器網路由于多跳、自組織自愈合等特性成為解決這一問題的最佳選擇。
傳感器在監測過程中提供了精確和可靠的數據，但關鍵問題是系統需要一種靈活的方法將數據傳送回中心數據控制站。Crossbow公司的無線傳感器網絡技術和解決方案可滿足這一要求。該公司用于此項目的產品包括新型Mote節點IRIS、MoteWorks軟件環境(包括Xmesh協議棧)、Xserver中間件和MoteWeb可視化管理平臺。
傳感器節點探測出的數據通過XMesh無線多跳自組的網絡傳輸給基站，或通過中繼Mote傳輸給基站。Mote是無線傳感器網絡的基本節點，由處理器和RF芯片組成，它的體積較小，所以稱之為“Mote”?；緞t是用來溝通無線傳感器網絡與已有的IP網絡的網關設備。
基站將這些數據傳輸到中心服務器，通過Xserver中間件解析后，用戶可以通過IT系統應用軟件進行監控。同時，數據接口完全兼容于客戶的原有信息管理系統，用戶能夠靈活的將新的傳感器數據加入原有的信息管理系統，從而通過IP網絡實時監控物理世界信息。
在實際部署時，Crossbow采用了分層網絡的架構。每個目前監測區域內的無線傳感器節點組成一個子網，子網內的節點依靠Xmesh無線多跳自組織協議，通過多跳的方式把數據傳遞給基站?；驹谶M行數據預處理之后，通過IP網絡遠距離將數據發送回中心服務器。
每個傳感器節點包含微風震蕩檢測傳感器、無線傳感器網絡節點、數據獲取板和電池供給模塊。微風震蕩檢測傳感器實時獲取高壓線纜的振動信息，無線傳感器網絡節點通過數據獲取板取得數字化后的微風振蕩信息，并在預處理后以無線多跳路由的方式將數據傳回基站。電源供給模塊根據安裝環境選擇不同模塊，比如最簡單的電池組適用于方便安裝部署的節點，電暈取電模塊適用于部署在高壓輸電線路上的節點，太陽能適用于部署在高塔等位置的節點等。
中繼Mote的硬件結構和Mote完全一樣，只是沒有連接傳感器。與普通Mote不同，中繼Mote不由電池供電，而是通過有線形式供電，并始終保持在工作狀態以保證全網的通信效率。中繼Mote將來自節點的數據通過Mesh網絡傳輸到基站。
MoteWeb是Windows平臺下支持無線傳感器網絡系統的B/S架構可視監控軟件。它可以通過WEB瀏覽器直接訪問WSN數據，具有友好的交互界面。無線網絡中所有節點的數據通過Xserver中間件解析后儲存在PostreSQL數據庫中。MoteWeb能將這些數據從數據庫中讀取并顯示出來，也能實時地顯示基站接收到的數據。管理者可以通過MoteWeb，以直接讀取數據、圖表或節點拓撲結構的方式快速整理、搜尋或查閱每個節點的數據信息。MoteWeb還可以根據管理者的設置，以手機短信和電子郵件的方式提供報警信息。
主要問題和解決方法
1.通訊問題
在將無線傳感器網絡應用到該項目的過程中，最大問題是如何保證Mote節點在電磁干擾下仍能正常組網通信。2.4GHz是最合適在該環境下使用的頻率。目前工作在2.4GHz的商用設備多為短距離通訊設備，如WiFi、藍牙等。400MHz與900MHz的干擾則相對較多。盡2.4GHz具有相對較好的表現，但植被和降雨仍會對無線信號產生較大衰減。Crossbow的IRIS節點，采用全新的AT1281＋RF230芯片組，以及模塊化設計生產，在通信距離指標上得到大幅提高，同時功耗反而得到一定程度的降低。
2．能源消耗
每個節點通過電池供電，在Crossbow公司被稱為Extend Low Power(ELP)的電源管理機制下，電池電量能維持節點連續工作4年以上。電池的電壓隨時被監控，一旦電壓過低，節點會將電壓數據發至基站。
3. IT系統設計
中間件概念的提出使得無線傳感器網絡后臺IT系統的設計變得極其容易。Xserver提供了包括數據庫接口、XML接口等在內的通用數據接口，能將無線傳感器網絡世界的物理信息量轉換成各種服務器可以接受的格式。用戶可以很容易地將無線傳感器網絡的數據加入到原有的信息管理系統中去。

傳感器網絡開發：在線檢測系統中的無線傳感器網絡開發【轉】

傳統的電力供電發電設備在線檢測系統一般采用布線或者GPRS的傳輸方式，不僅前期部署復雜，而且后期運營成本較高，大規模集中管理難度較大。無線傳感器網路由于多跳、自組織自愈合等特性成為解決這一問題的最佳選擇。
傳感器在監測過程中提供了精確和可靠的數據，但關鍵問題是系統需要一種靈活的方法將數據傳送回中心數據控制站。Crossbow公司的無線傳感器網絡技術和解決方案可滿足這一要求。該公司用于此項目的產品包括新型Mote節點IRIS、MoteWorks軟件環境(包括Xmesh協議棧)、Xserver中間件和MoteWeb可視化管理平臺。
傳感器節點探測出的數據通過XMesh無線多跳自組的網絡傳輸給基站，或通過中繼Mote傳輸給基站。Mote是無線傳感器網絡的基本節點，由處理器和RF芯片組成，它的體積較小，所以稱之為“Mote”?；緞t是用來溝通無線傳感器網絡與已有的IP網絡的網關設備。
基站將這些數據傳輸到中心服務器，通過Xserver中間件解析后，用戶可以通過IT系統應用軟件進行監控。同時，數據接口完全兼容于客戶的原有信息管理系統，用戶能夠靈活的將新的傳感器數據加入原有的信息管理系統，從而通過IP網絡實時監控物理世界信息。
在實際部署時，Crossbow采用了分層網絡的架構。每個目前監測區域內的無線傳感器節點組成一個子網，子網內的節點依靠Xmesh無線多跳自組織協議，通過多跳的方式把數據傳遞給基站?；驹谶M行數據預處理之后，通過IP網絡遠距離將數據發送回中心服務器。
每個傳感器節點包含微風震蕩檢測傳感器、無線傳感器網絡節點、數據獲取板和電池供給模塊。微風震蕩檢測傳感器實時獲取高壓線纜的振動信息，無線傳感器網絡節點通過數據獲取板取得數字化后的微風振蕩信息，并在預處理后以無線多跳路由的方式將數據傳回基站。電源供給模塊根據安裝環境選擇不同模塊，比如最簡單的電池組適用于方便安裝部署的節點，電暈取電模塊適用于部署在高壓輸電線路上的節點，太陽能適用于部署在高塔等位置的節點等。
中繼Mote的硬件結構和Mote完全一樣，只是沒有連接傳感器。與普通Mote不同，中繼Mote不由電池供電，而是通過有線形式供電，并始終保持在工作狀態以保證全網的通信效率。中繼Mote將來自節點的數據通過Mesh網絡傳輸到基站。
MoteWeb是Windows平臺下支持無線傳感器網絡系 統的B/S架構可視監控軟件。它可以通過WEB瀏覽器直接訪問WSN數據，具有友好的交互界面。無線網絡中所有節點的數據通過Xserver中間件解析后 儲存在PostreSQL數據庫中。MoteWeb能將這些數據從數據庫中讀取并顯示出來，也能實時地顯示基站接收到的數據。管理者可以通過 MoteWeb，以直接讀取數據、圖表或節點拓撲結構的方式快速整理、搜尋或查閱每個節點的數據信息。MoteWeb還可以根據管理者的設置，以手機短信 和電子郵件的方式提供報警信息。
主要問題和解決方法
1.通訊問題
在將無線傳感器網絡應用到該項目的過程中，最大問題是如何保證Mote節點在電磁干擾下仍能正常組網通信。2.4GHz是最合適在該環境下使用的頻率。目前工作在2.4GHz的商用設備多為短距離通訊設備，如WiFi、藍牙等。 400MHz與900MHz的干擾則相對較多。盡2.4GHz具有相對較好的表現，但植被和降雨仍會對無線信號產生較大衰減。Crossbow的IRIS 節點，采用全新的AT1281＋RF230芯片組，以及模塊化設計生產，在通信距離指標上得到大幅提高，同時功耗反而得到一定程度的降低。
2．能源消耗
每個節點通過電池供電，在Crossbow公司被稱為Extend Low Power(ELP)的電源管理機制下，電池電量能維持節點連續工作4年以上。電池的電壓隨時被監控，一旦電壓過低，節點會將電壓數據發至基站。
3. IT系統設計
中間件概念的提出使得無線傳感器網絡后臺IT系統的設計變得極其容易。Xserver提供了包括數據庫接口、XML接口等在內的通用數據接口，能將無線傳感器網絡世界的物理信息量轉換成各種服務器可以接受的格式。用戶可以很容易地將無線傳感器網絡的數據加入到原有的信息管理系統中去。

傳感器網絡開發：無線傳感器網絡開發 教案

第
6
章
?
無線傳感器網絡開發
?
教學目標：
?
1
、

了解無線傳感器網絡仿真平臺
?
2
、

掌握不同仿真平臺的工作原理
?
教學重點難點：
?
重點：
NS-2,OPNET,OMNET++,TOSSIM
平臺理解
?
難點：不同仿真平臺的特點
?
?
教學內容：
?
一、
?
無線傳感器網絡仿真簡介
傳感器網絡
（
WSN
）
日新月異
,
各種網絡方案和協議日趨復雜
,
網絡
規模日趨龐大
,
對網絡研究人員而言
,
掌握網絡仿真的重要性是不言而
喻的。
WSN
仿真能夠在一個可控制的環境里研究
WSN
應用
,
包括操作系
統和網絡協議棧
,
能夠仿真數量眾多的節點
,
能夠觀察由不可預測的干
擾和噪聲引起的難以琢磨的節點間的相互作用
,
獲取節點間詳細的細
節
,
從而提高節點投放后的網絡成功率
,
減少投放后的網絡維護工作。
目前無線傳感器網絡使用的仿真工具主要有
NS2
、
OPNET
和
OMNET++
等。
?
?
在傳感器網絡中
,
單個傳感器節點有兩個很突出的特點。一個特
點是它的并發性很密集；
另一個特點是傳感器節點模塊化程度很高
.
上
述這些特點使得無線傳感器網絡仿真需要解決可擴展性與仿真效率、

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