無線傳感網學習筆記(1)—— WSN概述


既然老師要求看完線上視頻要做相應的筆記,還不如順便摘抄到這裏,畢竟MarkDown的格式看上去還是挺舒服的。

一、無線傳感器網絡結構

1、①Sensing(傳感):收集物理對象或區域相關信息的技術。
  ②Sensor(傳感器):用於sensing的設備,可以將物理世界的能量轉成電能。
在這裏插入圖片描述
2、Wireless Sensor Network(WSN無線傳感網)
 ①概念:多傳感器通過無線通信技術協同檢測複雜的物理環境所形成的網絡。
 ②主要特徵:低速率、低功耗、資源受限、網絡規模大、拓撲結構易變、自組織性等。
 ③應用範圍:智能家居、環境監測、醫療健康、工業(機械故障診斷)等。

3、WSN組網的兩種主要結構
 ①星形拓撲(單跳傳輸):每個傳感器直接與基站通信,需要較大的傳輸功率,同時也限制了覆蓋範圍。
 ②網狀拓撲(多跳傳輸):部分傳感器作爲其他傳感器的中繼節點,可降低功耗,允許覆蓋更廣的範圍,但是設計實現的時候需要考慮路由問題。

4、WSN的主要設計約束的因素:能量、自我管理(自組織部署)、無線組網(信號衰減)、分佈式管理(次優型)、安全、軟硬件的限制。


二、傳感器的節點架構

1、無線傳感網絡節點由傳感器模塊、處理器模塊、通信模塊、存儲模塊和電源模塊構成,處理器模塊是節點的核心單元。
 ①傳感器模塊:負責整個監測區域內信息的採集和數據轉換。
 ②通信模塊:負責與其他傳感器節點進行無線通信,交換控制消息和收發採集的數據。
 ③電源模塊:爲傳感器節點提供運行所需能量,通常採用微型電池、太陽能等供電。
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2、Processor subsystem(處理器模塊)
①作用:彙集所有其他模塊和額外的外圍設備。
②目的:執行與感知、通信和自組織相關的指令。
③組成:處理器芯片(MCU微處理芯片)、非易性存儲器(存儲程序指令)、快速存儲器(臨時存儲感知數據)、內部時鐘。

3、處理器體系結構
 ①馮諾依曼體系結構:數據和程序指令存儲在同一內存空間中,提供單一總線供處理器和存儲器之間傳輸數據,處理器一次只能訪問其中一種,限制了處理速率。
 ②哈佛體系結構:數據和程序指令分別存儲在獨立的內存空間中。每個存儲空間通過單獨的數據總線與處理器連接,處理器可同時訪問程序指令和數據。還可以支持多任務操作系統,但沒有虛擬內存或內存保護。
 ③超級哈佛體系結構:擴展的哈弗體系結構,增加了兩個組件,分別是內部指令緩存(用於臨時存儲頻繁使用的指令)和未充分使用的程序存儲器(用於數據暫存),還可以支持直接存儲器存取(DMA)。

4、節點硬件(補充)
 ①MicaZ節點:採用Atmel公司的ATMega128L微處理器,該處理器是8位CPU內核,工作頻率是7.37MHz,內部存儲具有128KB的FLASH ROM,可用於存放程序代碼和一些常數。此外,具有4KB的靜態存儲SRAM,用於暫存一些程序變量和處理結果。工作在2.4 GHz、運行IEEE 802.15.4協議。
 ②Imote2節點:集成了Intel公司低功耗的PXA271 XScale CPU和兼容IEEE 802.15.4的CC2420射頻芯片。使用動態電壓調節技術,且工作頻率範圍可從13MHz達到416MHz,該節點已應用於數字圖象處理、狀態維修、工業監控和分析、地震及振動監控等領域。


三、傳感器操作系統

1、無線傳感網的操作系統
 ①作爲一個輕量級的軟件層,位於硬件層和應用層之間,爲開發人員提供基本的編程環境。
 ②主要任務是使應用程序與硬件資源間實現交互。(解耦合)
 ③主要分爲單任務或多任務、單用戶或多用戶的操作系統,選擇的時候需要考慮具體的因素(功能性因素和非功能性因素)。
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2、TinyOS是基於組件架構的一種事件驅動的操作系統。它的基本構建塊(負責框架內組件的有效通信)如下:
 ①任務:從開始到結束的完整獨立的處理過程,可被事件中斷,但不能被其他任務中斷,任務的調度基於FIFO原則
 ②命令:由高層組件向低層組件的不可阻斷請求。
 ③事件:由組件的事件處理器進行處理。


四、應用開發語言

1、C51語言
 C51語言是針對8051單片機的應用開發而普遍使用的程序設計語言,能直接對8051單片機的硬件進行操作,既有高級語言的特點,又具有彙編語言的特點。可讀性好、編程效率高,編寫的程序易於修改、維護和升級,但是,C51語言的編譯系統編譯代碼的效率較低。
 C51語言增加了幾種針對8051單片機的數據類型和相應操作,包含位訪問空間和豐富的位操作指令
C51語言中變量的存儲模式與8051單片機的存儲器區緊密相關。 8051單片機存儲區域可以分爲內部數據存儲區、外部數據存儲區和程序存儲區。在C51的數據存儲類型中,(1)內部數據存儲區可分爲3個不同的數據類型,分別是data、idata和bdata,而(2)外部數據存儲區可分爲xdata和pdata。(3)程序存儲區只能讀不能寫,C51語言提供了code存儲類型來訪問程序存儲區。

2、NesC語言
 NesC語言是C語言的擴展,最大的特點是將組件化思想與基於事件驅動的執行模型相結合。大大增強了應用開發的便利性和應用程序的可靠性。
 它是一個靜態語言,它的組件模型和參數化接口減少了許多動態內存分配需求,在NesC程序裏不存在動態內存分配,而且在編譯期間就可以確定函數調用流程,這些限制使得程序整體分析和優化操作得以精簡。
 在NesC應用程序開發中,需要定義、使用兩種功能不同的組件,分別稱爲模塊(module)配置(configuration),模塊主要用於描述組件的接口函數功能等的實現,而配置主要描述不同組件之間的接口關係。

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