无线传感网学习笔记(1)—— WSN概述


既然老师要求看完线上视频要做相应的笔记,还不如顺便摘抄到这里,毕竟MarkDown的格式看上去还是挺舒服的。

一、无线传感器网络结构

1、①Sensing(传感):收集物理对象或区域相关信息的技术。
  ②Sensor(传感器):用于sensing的设备,可以将物理世界的能量转成电能。
无线传感网学习笔记(1)—— WSN概述_第1张图片
2、Wireless Sensor Network(WSN无线传感网)
 ①概念:多传感器通过无线通信技术协同检测复杂的物理环境所形成的网络。
 ②主要特征:低速率、低功耗、资源受限、网络规模大、拓扑结构易变、自组织性等。
 ③应用范围:智能家居、环境监测、医疗健康、工业(机械故障诊断)等。

3、WSN组网的两种主要结构
 ①星形拓扑(单跳传输):每个传感器直接与基站通信,需要较大的传输功率,同时也限制了覆盖范围。
 ②网状拓扑(多跳传输):部分传感器作为其他传感器的中继节点,可降低功耗,允许覆盖更广的范围,但是设计实现的时候需要考虑路由问题。

4、WSN的主要设计约束的因素:能量、自我管理(自组织部署)、无线组网(信号衰减)、分布式管理(次优型)、安全、软硬件的限制。


二、传感器的节点架构

1、无线传感网络节点由传感器模块、处理器模块、通信模块、存储模块和电源模块构成,处理器模块是节点的核心单元。
 ①传感器模块:负责整个监测区域内信息的采集和数据转换。
 ②通信模块:负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集的数据。
 ③电源模块:为传感器节点提供运行所需能量,通常采用微型电池、太阳能等供电。
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2、Processor subsystem(处理器模块)
①作用:汇集所有其他模块和额外的外围设备。
②目的:执行与感知、通信和自组织相关的指令。
③组成:处理器芯片(MCU微处理芯片)、非易性存储器(存储程序指令)、快速存储器(临时存储感知数据)、内部时钟。

3、处理器体系结构
 ①冯诺依曼体系结构:数据和程序指令存储在同一内存空间中,提供单一总线供处理器和存储器之间传输数据,处理器一次只能访问其中一种,限制了处理速率。
 ②哈佛体系结构:数据和程序指令分别存储在独立的内存空间中。每个存储空间通过单独的数据总线与处理器连接,处理器可同时访问程序指令和数据。还可以支持多任务操作系统,但没有虚拟内存或内存保护。
 ③超级哈佛体系结构:扩展的哈弗体系结构,增加了两个组件,分别是内部指令缓存(用于临时存储频繁使用的指令)和未充分使用的程序存储器(用于数据暂存),还可以支持直接存储器存取(DMA)。

4、节点硬件(补充)
 ①MicaZ节点:采用Atmel公司的ATMega128L微处理器,该处理器是8位CPU内核,工作频率是7.37MHz,内部存储具有128KB的FLASH ROM,可用于存放程序代码和一些常数。此外,具有4KB的静态存储SRAM,用于暂存一些程序变量和处理结果。工作在2.4 GHz、运行IEEE 802.15.4协议。
 ②Imote2节点:集成了Intel公司低功耗的PXA271 XScale CPU和兼容IEEE 802.15.4的CC2420射频芯片。使用动态电压调节技术,且工作频率范围可从13MHz达到416MHz,该节点已应用于数字图象处理、状态维修、工业监控和分析、地震及振动监控等领域。


三、传感器操作系统

1、无线传感网的操作系统
 ①作为一个轻量级的软件层,位于硬件层和应用层之间,为开发人员提供基本的编程环境。
 ②主要任务是使应用程序与硬件资源间实现交互。(解耦合)
 ③主要分为单任务或多任务、单用户或多用户的操作系统,选择的时候需要考虑具体的因素(功能性因素和非功能性因素)。
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2、TinyOS是基于组件架构的一种事件驱动的操作系统。它的基本构建块(负责框架内组件的有效通信)如下:
 ①任务:从开始到结束的完整独立的处理过程,可被事件中断,但不能被其他任务中断,任务的调度基于FIFO原则
 ②命令:由高层组件向低层组件的不可阻断请求。
 ③事件:由组件的事件处理器进行处理。


四、应用开发语言

1、C51语言
 C51语言是针对8051单片机的应用开发而普遍使用的程序设计语言,能直接对8051单片机的硬件进行操作,既有高级语言的特点,又具有汇编语言的特点。可读性好、编程效率高,编写的程序易于修改、维护和升级,但是,C51语言的编译系统编译代码的效率较低。
 C51语言增加了几种针对8051单片机的数据类型和相应操作,包含位访问空间和丰富的位操作指令
C51语言中变量的存储模式与8051单片机的存储器区紧密相关。 8051单片机存储区域可以分为内部数据存储区、外部数据存储区和程序存储区。在C51的数据存储类型中,(1)内部数据存储区可分为3个不同的数据类型,分别是data、idata和bdata,而(2)外部数据存储区可分为xdata和pdata。(3)程序存储区只能读不能写,C51语言提供了code存储类型来访问程序存储区。

2、NesC语言
 NesC语言是C语言的扩展,最大的特点是将组件化思想与基于事件驱动的执行模型相结合。大大增强了应用开发的便利性和应用程序的可靠性。
 它是一个静态语言,它的组件模型和参数化接口减少了许多动态内存分配需求,在NesC程序里不存在动态内存分配,而且在编译期间就可以确定函数调用流程,这些限制使得程序整体分析和优化操作得以精简。
 在NesC应用程序开发中,需要定义、使用两种功能不同的组件,分别称为模块(module)配置(configuration),模块主要用于描述组件的接口函数功能等的实现,而配置主要描述不同组件之间的接口关系。

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