4.1感知節(jié)點技術的基本概況

4.1.1感知節(jié)點技術的發(fā)展情況

感知的原始含義是指人類用心念來詮釋自己器官所接收的信號，通過感官獲得關于物體的有意義的印象。因為人體每一個器官(包括感覺、生殖與內臟的器官)都是外在世界信號的“接收器”，只要是它范圍內的信號，經過某種刺激，相應的器官就能將其接收并轉換成為感覺信號，再經由自身的神經網路傳輸到“頭腦”中進行情感格式化處理，從而產生了人類所謂的感知。而人類在科技發(fā)展進步中不斷地利用機器實現(xiàn)智能感知代替人類的身體感知，因而出現(xiàn)了機器感知技術。

機器感知技術是研究如何用機器或計算機模擬、延伸和擴展人的感知或認知能力的技術，包括機器視覺、機器聽覺、機器觸覺等。比如，計算機視覺、模式(包括文字、圖像、聲音等)識別、自然語言理解就是機器感知或機器認知方面高智能水平的計算機應用。而感知節(jié)點技術是一種簡化的機器感知技術，是無線傳感器網絡的技術基礎，包括了用于對物質世界進行感知識別的電子標簽、新型傳感器、智能化傳感網節(jié)點技術等。感知節(jié)點技術的發(fā)展受制于電子元器件、集成電路等硬件技術，也受制于軟件、操作系統(tǒng)等軟科技。

那么，感知節(jié)點技術的發(fā)展情況怎樣呢？根據1965年戈登·摩爾的預言(被稱為摩爾定律)，集成電路上可容納的晶體管數量約每隔18個月增加1倍，性能也提升1倍。之后的個人計算機的發(fā)展證實了這一定律，并且發(fā)展速度還在加快。從芯片制造工藝來看，在繼1965年推出10μm處理器后，芯片制造經歷了6?μm、3μm、1μm、0.5μm、0.35μm、0.25μm、0.18μm、0.13μm、0.09μm、0.065μm、0.045μm和0.022μm等多個階段。0.022μm的制造工藝是目前市場上所能見到的CPU制造的最高工藝，目前，Intel公司已經完成

0.022μm處理器的設計，正在嘗試0.008μm處理器的設計。

但是，傳感器節(jié)點的性能并沒有達到摩爾定律給出的發(fā)展速度。1999年，WeC傳感器節(jié)點采用8位4MHz主頻的處理器，2002年Mica節(jié)點采用8位7.37MHz的處理器，2004年Telos節(jié)點采用16位4MHz的處理器，Telos節(jié)點仍然是目前最廣泛采用的傳感器節(jié)點。

感知節(jié)點性能的提升十分緩慢。首先，最重要的原因是技術發(fā)展的不均衡。第一個就是傳感失諧，目前很多應用的制約來自于感知元件，在線感知和離線感知有巨大的不同。例如，對于水質量的監(jiān)控，如果將水取樣拿到實驗室，那么可以進行人工輔助質量分析，人們也可以承受每臺設備幾十萬元的成本。但是，如果將其放在一個節(jié)點上，復雜度、成本和測量精度之間就存在著無法解決的矛盾；其次是功耗的制約，無線傳感節(jié)點一般被部署在野外，不能有線供電，因此其硬件設計必須以節(jié)能為重要設計目標。例如，在正常工作模式下，WeC節(jié)點的處理器的功率為15mW，Mica節(jié)點的處理器的功率為8?mW，Telos節(jié)點的處理器的功率為3mW；再次，還有價格和體積的制約，無線傳感節(jié)點一般需要大量組網，以完成特定的功能，因此其硬件設計必須以廉價為重要設計目標；最后，從應用方式來看，無線傳感節(jié)點需要容易攜帶、易于部署，因此其硬件設計必須以微型化為重要設計目標。傳感器節(jié)點的發(fā)展曲線如圖4-1所示。

圖4-1傳感器節(jié)點的發(fā)展曲線

在無線傳感器網絡中，要求感知節(jié)點具有的最重要的能力是智能化，將此類感知節(jié)點也稱為智能化傳感網絡節(jié)點。智能化傳感網絡節(jié)點是指一個微型化的嵌入式系統(tǒng)，是傳感器的智能化。圖4-2所示為智能化傳感網絡節(jié)點的基本結構框圖。

圖4-2智能化傳感網絡節(jié)點的基本結構框圖

在感知物質世界及其變化的過程中，需要檢測的對象很多，例如溫度、壓力、濕度、應變等。因此，需要微型化、低功耗的傳感網絡節(jié)點來構成傳感網的基礎層支持平臺；還需要針對低功耗傳感網絡節(jié)點設備的低成本、低功耗、微型化、高可靠性等要求，研制低速、中高速傳感網絡節(jié)點核心芯片，以及集射頻、基帶、協(xié)議、處理于一體的具備通信、處理、組網和感知能力的低功耗片上系統(tǒng)；同時，也需要針對物聯(lián)網的行業(yè)應用研制系列節(jié)點產品。而這就需要采用MEMS加工技術設計符合物聯(lián)網要求的微型傳感器，使之可識別、配接多種敏感元件，并適用于各種檢測方法。另外，傳感網絡節(jié)點還應具有強抗干擾能力，以適應惡劣工作環(huán)境的需求。更重要的研究方向是如何利用傳感網絡節(jié)點具有的局域信號處理功能在傳感網絡節(jié)點附近完成一定的信號處理，使原來由中央處理器實現(xiàn)的串行處理、集中決策的系統(tǒng)變?yōu)橐环N并行的分布式信息處理系統(tǒng)。同時，還需要開發(fā)基于專用操作系統(tǒng)的節(jié)點級系統(tǒng)軟件。

4.1.2感知節(jié)點設計的基本原則

由上一節(jié)可知，影響感知節(jié)點技術水平的因素較多，歸納起來主要有硬件平臺和軟件程序兩大類。因此，在設計感知節(jié)點的硬件平臺和軟件程序時應考慮以下四個方面：

1．低成本與微型化

低成本的節(jié)點才能被大規(guī)模部署，微型化的節(jié)點才能使部署更加容易。低成本與微型化是實現(xiàn)傳感器網絡大規(guī)模部署的前提。通常，一個傳感系統(tǒng)的成本是有預算的。在給定預算的前提下，部署更多的節(jié)點、采集更多的數據能大大提高系統(tǒng)的整體性能。因此，降低單個節(jié)點的成本十分重要。節(jié)點的大小對系統(tǒng)的部署也會產生極大的影響。就目標跟蹤系統(tǒng)(如VigiNet)而言，微型化的節(jié)點能以更高的密度部署，從而提高跟蹤的精度；就醫(yī)療監(jiān)控(如Mercury)而言，微型化的節(jié)點更容易使用。

此外，不僅節(jié)點的硬件平臺設計需要滿足微型化的要求，節(jié)點的軟件設計也需要滿足微型化的要求。節(jié)點的成本和體積往往會對節(jié)點的性能產生限制。擁有2GB內存和320GB硬盤大小的個人計算機已十分常見，而TelosB節(jié)點的內存大小只有4KB，程序存儲的空間只有10KB。因此，節(jié)點程序的設計必須節(jié)約計算資源，避免超出節(jié)點的硬件能力。

2．低功耗

由于環(huán)境條件的限制，傳感器節(jié)點大多采用普通電池供電，只有一小部分采用太陽能等可持續(xù)能源供電。而通常，人們希望整個網絡系統(tǒng)能工作一年或更長時間，這就需要在硬件和軟件設計中考慮使用低功耗技術。低功耗是實現(xiàn)傳感器網絡長時間部署的前提。

現(xiàn)有的節(jié)點在硬件設計上一般采用低功耗的芯片，即使在正常工作狀態(tài)下，其功耗也比普通計算芯片小得多。例如，TelosB節(jié)點使用的微處理器，在正常工作狀態(tài)下功率為3?mW，而一般的計算機的功率為200～300?W。其次，節(jié)點采用的微處理器芯片以及通信芯片都具備多種低功耗模式。例如，TelosB節(jié)點使用的微處理器芯片有多達五種低功耗模式，在一般的睡眠模式下它的功耗僅為225?μW，而在深度睡眠模式下它的功耗僅為7.8μW。

有了硬件的低功耗模式，還需要搭配軟件節(jié)能策略來實現(xiàn)節(jié)能。軟件節(jié)能策略的核心就是盡量使節(jié)點在不需要工作的時候進入低功耗模式，僅在需要工作的時候進入正常狀態(tài)。除了單個節(jié)點要進行節(jié)能外，整個網絡也需要均衡不同節(jié)點間的能量消耗，以保證系統(tǒng)的整體生命周期足夠長。一方面，對于無線傳感器網絡而言，由通信產生的能量消耗占據了主導地位，即便為傳感器節(jié)點設置再多的低功耗模式，如果不能配合一個高效的通信調度機制，也會出現(xiàn)節(jié)點發(fā)送的數據大量碰撞、網絡極度擁塞的現(xiàn)象，整個傳感器網絡會被大量的重復數據占用信道；另一方面，如果節(jié)點多數都不進入睡眠模式，那么會出現(xiàn)數據發(fā)送方長時間無法找到能夠接收數據的節(jié)點的現(xiàn)象，這會造成大量的傳輸機空置，節(jié)點等待的時間遠遠超出數據傳輸有效的時間，也會造成網絡節(jié)點能耗效率低下。因此，睡眠模式下的MAC協(xié)議調度顯得尤為重要。

3．靈活性與擴展性

傳感器節(jié)點被用于各種不同的應用中，因此節(jié)點硬件和軟件的設計必須具有靈活性和擴展性。此外，靈活性與擴展性也是實現(xiàn)傳感器網絡大規(guī)模部署的重要保障。節(jié)點的硬件設計需滿足一定的標準接口，如統(tǒng)一節(jié)點和傳感器的接口有利于給節(jié)點安裝上不同功能的傳感器。同樣，軟件的設計最好是可剪裁的，即能夠根據不同應用的需求安裝不同功能的軟件模塊。同時，軟件的設計還必須考慮系統(tǒng)在時間上的可擴展性。例如，傳感網絡能夠不斷地添加新的節(jié)點，且這一過程不能影響網絡已有的性能(SelfScalable)。又如，節(jié)點軟件能夠通過網絡自動更新程序(RemoteReprogramming)，而不需要每次把部署的節(jié)點收回、燒錄，再重新部署。

4．魯棒性

傳感器節(jié)點一般不經常與人進行交互，即使是穿戴在人身上的傳感器，人們一般也不經常對其進行控制，因此無人看守通常是傳感器節(jié)點與普通計算機的最大區(qū)別。魯棒性是實現(xiàn)傳感器網絡長時間部署的重要保障。對于普通的計算機而言，一旦系統(tǒng)崩潰了，人們可以采用重啟的方法恢復系統(tǒng)，而傳感器節(jié)點則不行。因此，節(jié)點程序的設計必須滿足魯棒性的要求，以保證節(jié)點能進行長時間正常工作。例如，在硬件設計上可以在價格允許的前提下，采用多型傳感器，即使一種傳感器壞了，也能使用另一種傳感器進行工作。就整個網絡而言，可以適當增加冗余性，從而增加整個系統(tǒng)的魯棒性。在軟件設計上，通常需要對功能進行模塊化，并在系統(tǒng)部署前對各個功能模塊進行完全的測試。

同時，在實際部署過程中，需要節(jié)點在沒有人工干預的情況下仍然能夠實現(xiàn)自動診斷和網絡管理功能，這就給無線傳感器節(jié)點的設計提出了更高的要求。一方面，感知節(jié)點軟硬件設計的發(fā)展使得節(jié)點的價格更加低廉，因此節(jié)點的部署可以更加泛在。另一方面，感知節(jié)點的計算能力更強，如Imote2節(jié)點，因此節(jié)點更加智能。同時，節(jié)點的OS也朝著方便人使用的方向發(fā)展，例如ContikiOS、SOS等增加了對動態(tài)加載的支持，使得模塊可以動態(tài)組合；MantisOS等增加了多線程支持，使得節(jié)點編程更加容易。智能性、泛在性使得節(jié)點的異構互聯(lián)變得尤其重要，已有的標準包括IEEE802.15.4、ZigBee、6LoWPAN、藍牙、WiFi等。

物聯(lián)網又會給傳感器帶來怎樣的發(fā)展契機呢？可以認為，物聯(lián)網將拓展無線傳感器網絡的應用模式，實現(xiàn)更透徹的感知、更深入的智能化，實現(xiàn)物物相連。因此，傳感器節(jié)點的發(fā)展將會更加泛在和異構：一方面，傳感器將朝著低價格、微體積的方向發(fā)展，將應用到更多的場景中；另一方面，傳感器節(jié)點將變得更加可靠，管理也變得越來越方便，自我診斷和修復的能力將獲得極大提升。

4.2感知節(jié)點硬件技術

4.2.1電源技術

感知節(jié)點要適應野外部署，且滿足低功耗、長壽命的功能要求，因此選擇合適的電源是至關重要的。針對固定節(jié)點，如果周邊有市電，那么可以通過變壓器等裝置供電；如果周邊沒有市電，那么可以采用便攜電源供電，如太陽能、風能、干電池、鋰電池等。針對移動節(jié)點，只能采用便攜電源為其供電，而且需要將它與傳感器、信號處理等部分組裝一起，這要求電源體積小、便攜，此時諸如干電池、鋰電池等才能滿足要求。

1．太陽能電源

太陽能電源發(fā)電有兩種方式，一種是光—熱—電轉換方式，另一種是光—電直接轉換方式。光—熱—電轉換方式利用太陽輻射產生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成蒸氣，再驅動汽輪機發(fā)電。前一個過程是光—熱轉換過程，后一個過程是熱—電轉換過程，轉換過程與普通的火力發(fā)電一樣。光—電直接轉換方式的太陽能電源是根據特定材料的光電性質制成的，這種轉換方式的電源也稱為太陽能電池，其原理是利用半導體的光生伏特效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能，如圖4-3所示。

圖4-3光生伏特效應原理示意圖

太陽光照在半導體PN結上，形成新的空穴-電子對，在PN結內電場的作用下，光生空穴流向P區(qū)，光生電子流向N區(qū)，接通電路后就產生電流。按照制作材料，太陽能電源分為硅基半導體電池、CdTe薄膜電池、CIGS薄膜電池、染料敏化薄膜電池、有機材料電池等。其中，硅基半導體電池又分為單晶硅電池、多晶硅電池和無定形硅薄膜電池等。對于太陽能電池來說，最重要的參數是轉換效率。單晶硅電池的轉換效率為25.0%，多晶硅電池的轉換效率為20.4%，CIGS薄膜電池的轉換效率為19.6%，CdTe薄膜電池的轉換效率為16.7%，非晶硅(無定形硅)薄膜電池的轉換效率為10.1%。

太陽能電池有太陽能電池的極性、太陽能電池的性能參數、太陽能電池的伏安特性三個基本特性。太陽能電池的極性表示太陽能電池正面光照層半導體材料的導電類型(N?和P)，與制造電池所用半導體材料的特性有關；太陽能電池的性能參數由開路電壓、短路電流、最大輸出功率、填充因子、轉換效率等組成，是衡量太陽能電池性能好壞的標志；太陽能電池的伏安特性反映出轉化能力，PN結太陽能電池包含一個形成于表面的淺PN結、一個條狀或指狀的正面歐姆接觸、一個涵蓋整個背部表面的背面歐姆接觸以及位于正面的一層抗反射層。當電池暴露于太陽光譜時，能量小于禁帶寬度Eg的光子對電池輸出并無貢獻；能量大于禁帶寬度Eg的光子才會對電池輸出貢獻能量Eg，小于Eg的能量則會以熱的形式消耗掉。因此，在太陽能電池的設計和制造過程中，必須考慮這部分熱量對電池穩(wěn)定性、壽命等的影響。

太陽能電池組件構成如圖4-4所示。

2．化學電池

電池是指盛有電解質溶液和金屬電極以產生電流的杯、槽或其他容器。它是能將化學能轉化成電能的裝置，具有正極、負極之分。電池構成原理示意圖如圖4-5所示。隨著科技的進步，電池泛指能產生電能的小型裝置，如太陽能電池。電池的性能參數主要有電動勢、容量、比能量和電阻。利用電池作為能量來源，可以得到具有穩(wěn)定電壓、穩(wěn)定電流、長時間穩(wěn)定供電、受外界影響很小的電流，并且電池結構簡單、攜帶方便、充放電操作簡單易行、不受外界氣候和溫度的影響、性能穩(wěn)定可靠。

圖4-5電池構成原理示意圖

化學電池可以將化學能直接轉變?yōu)殡娔?，靠電池內部會自發(fā)地進行氧化、還原等化學反應，而這兩種化學反應是分別在兩個電極上進行的。負極活性物質由電位較低并在電解質中穩(wěn)定的還原劑組成，如鋅、鎘、鉛等活潑金屬，氫或碳氫化合物等。正極活性物質由電位較高并在電解質中穩(wěn)定的氧化劑組成，如二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳等金屬氧化物，氧或空氣，鹵素及其鹽類，含氧酸及其鹽類等。電解質則是具有良好離子導電性的材料，如酸、堿、鹽的水溶液，有機或無機非水溶液、熔融鹽或固體電解質等。

當外電路斷開時，兩極之間雖然有電位差(開路電壓)，但沒有電流，存儲在電池中的化學能并不轉換為電能。當外電路閉合時，在兩電極電位差的作用下即有電流流過外電路。同時，在電池內部，由于電解質中不存在自由電子，電荷的傳遞必然伴隨兩極活性物質與電解質界面的氧化反應或還原反應，以及反應物和反應產物的物質遷移。電荷在電解質中的傳遞也要由離子的遷移來完成。因此，電池內部正常的電荷傳遞和物質傳遞過程是保證電池正常輸出電能的必要條件。充電時，電池內部的傳電和傳質過程的方向恰好與放電相反，且電極反應必須是可逆的，才能保證反方向傳質與傳電過程的正常進行。因此，電極反應可逆是構成電池的必要條件。

在電池中，能斯特(Nernst)方程用來計算電極上相對于標準電動勢(E0)來說的指定氧化還原對的平衡電壓(E)，即

式中，E為氧化型和還原型在絕對溫度T及某一濃度時的電極電動勢，E0為標準電極電動勢，R為氣體常數8.3143(J/K·mol)，T為絕對溫度，F(xiàn)為法拉第常數(等于阿伏伽德羅常數NA×每個電子的電量e，大約為96500C/mol)，n為電極反應中得失的電子數，Ox為氧化物，Red為還原物。

Nernst方程反映了非標準電極電動勢和標準電極電動勢的關系，表明任意狀態(tài)電動勢與標準電動勢、濃度以及溫度之間的關系，也是計算電池能量轉換效率的基本熱力學方程式。一般地，一個2000mA·h的電池理論上可以持續(xù)輸出10mA的電流達200h。但實際上，由于電壓變化、環(huán)境變化等多種因素，電池的容量并不能被完全利用。

實際上，當電流流過電極時，電極電勢都要偏離熱力學平衡的電極電勢，這種現(xiàn)象稱為極化。電流密度(單位電極面積上通過的電流)越大，極化越嚴重。極化現(xiàn)象是造成電池能量損失的重要原因之一。極化的原因有以下三個：

①由電池中各部分電阻造成的極化稱為歐姆極化；

②由電極和電解質界面層中電荷傳遞過程的阻滯造成的極化稱為活化極化；

③由電極和電解質界面層中傳質過程遲緩而造成的極化稱為濃差極化。

減小極化的方法是增大電極反應面積、減小電流密度、提高反應溫度以及改善電極表面的催化活性。

電池標準是由國際電工委員會(InternationalElectricalCommission，IEC)制定的，其中鎳鎘電池的標準為IEC285，鎳氫電池的標準是IEC61436，鋰離子電池的標準是IEC61960。

3．蓄電池

蓄電池是可充電電池的一種，這類電池共同的特點是可以經歷多次充電和放電循環(huán)，從而實現(xiàn)反復使用。根據材料不同，蓄電池可以分為鉛蓄電池、鉛晶蓄電池、鐵鎳蓄電池、鎳鎘蓄電池、銀鋅蓄電池等。

1)鉛蓄電池

鉛蓄電池由正極板群、負極板群、電解液和容器等組成，極板是用鉛合金制成的格柵，電解液為稀硫酸，兩極板均覆蓋有硫酸鉛，其結構示意圖如圖4-6所示。

圖4-6鉛蓄電池結構示意圖

2)鉛晶蓄電池

鉛晶蓄電池采用高導硅酸鹽電解質取代硫酸液作為電解質，是傳統(tǒng)鉛酸電池電解質的復雜性改型。通過無酸霧化工藝，鉛晶蓄電池在生產、使用及廢棄過程中都不存在污染問題，更符合環(huán)保要求。由于鉛晶蓄電池用硅酸鹽取代硫酸液作為電解質，從而克服了鉛酸電池使用壽命短、不能大電流充放電等缺點，更加符合動力電池的必備條件。

鉛晶蓄電池較鉛酸電池具有無可比擬的優(yōu)越性：

①鉛晶蓄電池的使用壽命長。一般鉛酸電池循環(huán)充放電都在350次左右，而鉛晶蓄電池在額定容量放電60%的前提下，循環(huán)壽命700多次，相當于鉛酸電池壽命的一倍。

②高倍率放電性能好。特殊的工藝使鉛晶蓄電池具有高倍率放電的特性，一般鉛酸電池放電只有3C，鉛晶蓄電池放電最大可以達到10C。

③深度放電性能好。鉛晶蓄電池可深度放電到0V，繼續(xù)充電可恢復全部額定容量，這一特性相對鉛酸電池來講是難以達到的。

④耐低溫性能好。鉛晶蓄電池的溫度適應范圍比較廣，從-20～50℃都能適應，特別是在?-20℃的情況下，放電能達到87%。

⑤環(huán)保性好。鉛晶蓄電池采用的是新材料、新工藝和新配方，不存在酸霧等揮發(fā)的有害物質，對土地、河流等不會造成污染，更加符合環(huán)保要求。

3)鐵鎳蓄電池

與酸性蓄電池不同，鐵鎳蓄電池的電解液是堿性的氫氧化鉀溶液，因此鐵鎳蓄電池是一種堿性蓄電池。其正極為氧化鎳，負極為鐵。充電、放電時，其電動勢在1.3～1.4V之間。其優(yōu)點是輕便、壽命長、易保養(yǎng)，缺點是效率不高。

4)銀鋅蓄電池

銀鋅蓄電池正極為氧化銀，負極為鋅，電解液為氫氧化鉀溶液。銀鋅蓄電池的比能量大，能大電流放電，耐震，可用作宇宙航行、人造衛(wèi)星、火箭等的電源。而且，銀鋅蓄電池的充放電次數可達100～150次循環(huán)。其缺點是價格昂貴，使用壽命較短。4．燃料電池

燃料電池是一種把燃料在燃燒過程中釋放的化學能直接轉換成電能的裝置。燃料電池與蓄電池的不同之處在于，它可以從外部分別向兩個電極區(qū)域連續(xù)地補充燃料和氧化劑而不需要充電。燃料電池由燃料(例如氫、甲烷等)、氧化劑(例如氧和空氣等)、電極和電解液等四部分構成。其電極具有催化性能，而且是多孔結構的，可以保證較大的活性面積。工作時，將燃料通入負極，將氧化劑通入正極，它們將各自在電極的催化下進行電化學反應，從而獲得電能。

燃料電池把燃燒所放出的能量直接轉變?yōu)殡娔埽运哪芰坷寐矢?，是熱機效率的兩倍以上。此外，它還具有以下優(yōu)點：

①設備輕巧；

②不發(fā)生噪音，污染很??；

③可連續(xù)運行；

④單位重量輸出電能高。

因此，它已在宇宙航行中得到應用，在軍用與民用的各個領域中也有廣闊的應用前景。

5．溫差電池

將兩種金屬接成閉合電路，并在兩個接頭處保持不同溫度，此時產生的電動勢即溫差電動勢，這種反應叫做塞貝克效應(見溫差電現(xiàn)象)，而這種裝置叫做溫差電偶或熱電偶。金屬溫差電偶產生的溫差電動勢較小，常用來測量溫度差。但是，也可以將溫差電偶串聯(lián)成溫差電堆作為小功率的電源，稱作溫差電池。用半導體材料制成的溫差電池的溫差電效應較強。

6．核電池

核電池是能把核能直接轉換成電能的裝置(目前的核發(fā)電裝置是利用核裂變能量使蒸汽受熱以推動發(fā)電機發(fā)電，但還不能將核裂變過程中釋放的核能直接轉換成電能)。通常，核電池包括輻射β射線(高速電子流)的放射性源(例如鍶-90)、收集這些電子的集電器以及電子由放射性源到集電器所通過的絕緣體三個部分。放射性源一端因失去負電成為正極，集電器一端因得到負電成為負極，從而在放射性源與集電器兩端的電極之間形成電位差。這種核電池可產生高電壓，但電流很小。它常用于人造衛(wèi)星及探測飛船中，可長期使用。

4.2.2傳感器模塊

傳感器是感知節(jié)點硬件的核心和關鍵技術，傳感器輸出的信號有模擬信號和數字信號。在傳感器節(jié)點平臺中，使用哪種傳感器往往由具體的應用需求以及傳感器本身的特點決定?；谀M信號的傳感器為每一個測量的物理量輸出一個原始的模擬量，如電壓，這些模擬量必須先被數字化才能被使用。目前常見傳感器的特性如表4-1所示。

表4-1目前常見傳感器的特性廠商離散采樣時間類

型工作電壓/V工作能耗Taos330

ms可見光傳感器2.7～5.51.9

mADallasr400

ms溫度傳感器2.5～5.51

mASensirion300

ms濕度傳感器2.4～5.5550

mAIntersema35

ms壓強傳感器2.2～3.61

mAHoneywell30

ms磁傳感器—4

mAAnalogDevies10

ms加速度傳感器2.5～3.32

mAPanasonic1

ms聲音傳感器2～100.5

mAMotorola—煙傳感器6～125

mAMelixis1

ms被動式紅外傳感器—0

mALi-Cor1

ms合成光傳感器—0

mAEch2o10

ms土壤水分傳感器2～52

mA4.2.3微處理器模塊

自從1947年發(fā)明晶體管以來，70多年間半導體技術經歷了硅晶體管、集成電路、超大規(guī)模集成電路、甚大規(guī)模集成電路等幾代，發(fā)展速度之快是其他產業(yè)所沒有的。半導體技術對整個社會產生了廣泛的影響，因此它被稱為“產業(yè)的種子”。中央處理器(CentralProcessingUnit，CPU)是指計算機內部對數據進行處理并對處理過程進行控制的部件。伴隨著大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展，芯片集成密度越來越高，CPU可以集成在一個半導體芯片上，這種具有中央處理器功能的大規(guī)模集成電路器件，被統(tǒng)稱為“微處理器”(Microprocessor)。目前，微處理器已經無處不在，無論是錄像機、智能洗衣機、移動電話等家電產品，還是汽車引擎控制、數控機床以及導彈精確制導等都要嵌入各類不同的微處理器。微處理器不僅是微型計算機的核心部件，還是各種數字化智能設備的關鍵部件。國際上的超高速巨型計算機、大型計算機等也都采用大量的通用高性能微處理器搭建而成。

1．微處理器發(fā)展歷史

微處理器的發(fā)展大致可分為以下六個階段：

第一代(1971—1973年)，是4位或8位微處理器，典型的微處理器有Intel4004和Intel8008。Intel4004是一種4位微處理器，可進行4位二進制的并行運算，它有45條指令，速度0.05MIPs(MillionInstructionPerSecond，每秒百萬條指令)。

第二代(1974—1977?年)，典型的微處理器有Intel8080/8085、Zilog公司的Z80和Motorola公司的M6800。與第一代微處理器相比，第二代的集成度提高了1～4倍，運算速度提高了10～15倍，指令系統(tǒng)相對比較完善，已具備典型的計算機體系結構、中斷、直接存儲器存取等功能。

第三代(1978—1984年)，這一時期Intel公司推出16位微處理器8086/8088。8086微處理器最高主頻速度為8MHz，具有16位數據通道，內存尋址能力為1MB。

第四代(1985—1992年)，32位微處理器。典型的產品有Intel公司的80386DX/80386SX，其內部包含27.5萬個晶體管，數據總線是32位，地址總線也是32位，可以尋址到4?GB內存，且可以管理64TB的虛擬存儲空間。

第五代(1993—2005年)，奔騰(Pentium)系列微處理器，典型產品是Intel公司的奔騰系列芯片及與之兼容的AMD的K6系列微處理器芯片。奔騰系列微處理器內部采用了超標量指令流水線結構，具有相互獨立的指令和數據高速緩存。

第六代(2005年至今)，是酷睿(Core)系列微處理器時代?？犷Ｏ盗形⑻幚砥鞯脑O計出發(fā)點是提供卓然出眾的性能和能效，提高每瓦特性能，也就是所謂的能效比。

2．微處理器的內涵

微處理器與一些芯片的概念容易混淆，如微機、微處理機、單片機等。微機和單片機是按照計算機規(guī)模分類的，即分為巨、大、中、小、微、單板、單片機。微處理器和CPU是按計算機處理器分類的，CPU是計算機中央處理器的總稱，而微處理器是微型計算機的中央處理器。具體的定義如下：

(1)微處理器就是通常所說的CPU，又叫中央處理器，其主要功能是進行算術運算和邏輯運算，內部結構大致可以分為控制單元、算術邏輯單元和存儲單元等幾個部分。按照其處理信息的字長，微處理器可以分為8位微處理器、16位微處理器、32位微處理器以及64位微處理器等。

(2)微計算機簡稱微型機或微機，它的發(fā)展是以微處理器的發(fā)展來表征的。將傳統(tǒng)計算機的運算器和控制器集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上作為中央處理單元，稱為微處理器。微型計算機是以微處理器為核心，再配上存儲器和接口電路等芯片構成的。

(3)單片機又稱單片微控制器，它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片上，這一塊芯片就成了一臺計算機。單片機是將CPU、適當容量的存儲器(有RAM、ROM)以及I/O接口電路三個基本部件集成在一塊芯片上，再通過接口電路與外圍設備相連接而構成的?，F(xiàn)在的單片CPU還集成了數模轉換電路，還有的集成了根據行業(yè)需要定制的一些特殊電路等。

3．微處理器的分類與基本結構

根據微處理器的應用領域，微處理器大致可以分為三類：通用高性能微處理器，嵌入式微處理器和數字信號處理器，微控制器。一般而言，通用高性能微處理器追求高性能，它們用于運行通用軟件，配備完備、復雜的操作系統(tǒng)。嵌入式微處理器強調處理特定應用問題的高性能，運行面向特定領域的專用程序，配備輕量級操作系統(tǒng)，主要用于蜂窩電話、CD播放機等消費類家電。微控制器價位相對較低，在微處理器市場上需求量最大，主要用于汽車、空調、自動機械等領域的自控設備。

微處理器的結構主要分成兩個部分，一部分是執(zhí)行部件(EU)，即執(zhí)行指令的部分；另一部分是總線接口部件(BIU)，與8086總線類似，執(zhí)行從存儲器取指令的操作。微處理器分成EU和BIU后，可使取指令和執(zhí)行指令的操作重疊進行。16位8086微處理器結構示意圖如圖4-7所示。

圖4-716位8086微處理器結構示意圖

從圖4-7中可知，EU部分由一個寄存器堆(由8個16位的寄存器組成，可用于存放數據、變量和堆棧指針)、算術運算邏輯單元ALU(用于執(zhí)行算術運算和邏輯操作)和標志寄存器(用于寄存這些操作結果的條件)組成，這些部件是通過數據總線傳送數據的。總線接口部件也有一個寄存器堆，其中CS、DS、SS和ES是存儲空間分段的分段寄存器。IP是指令指針，內部通信寄存器也是暫時存放數據的寄存器，指令隊列用于把預先取來的指令流存放起來?？偩€接口部件還有一個地址加法器，用于把分段寄存器值和偏置值相加，從而取得20位的物理地址，數據和地址通過總線控制邏輯與外面的8086系統(tǒng)總線相聯(lián)系。8086有16位數據總線，處理器與片外傳送數據時，一次可以傳送16位二進制數。8086具有一個初級流水線結構，可以實現(xiàn)片內操作與片外操作的重疊。

4．其他微處理器情況

在微處理器研發(fā)方面，除了主流的Intel公司外，國內外還有其他公司和研究機構在進行這方面的研發(fā)。IBM公司從1975年開始研制基于RISC設計的處理器，并在多年后出現(xiàn)了廣泛應用的ARM系列芯片。摩托羅拉公司從1975年開始推出6800處理器，以此為基礎研制出MC68010、88000的32位RISC處理器系列，后來因企業(yè)業(yè)務重點研制PowerPC而被迫停產。Z-80是由從Intel離走的FredericoFaggin設計的8位微處理器，是8080的增強版，后期被51系列處理器取代。

中國從2004年開始研發(fā)微處理器。由清華大學自主研發(fā)的32位微處理器THUMP芯片，工作頻率為400?MHz，功耗為1.17?mW/MHz，芯片顆粒40片，最高工作頻率可達500?MHz。自2002年起，中科院計算所陸續(xù)推出了龍芯1號、龍芯2號、龍芯3號三款微處理器，它們在包括服務器、高性能計算機、低能耗數據中心、個人高性能計算機、高端桌面應用、高吞吐計算應用、工業(yè)控制、數字信號處理、高端嵌入式應用等產品中具有廣闊的市場應用前景。

5．在傳感節(jié)點的應用

微處理器是負責無線傳感節(jié)點中計算的核心部件。目前的微處理器芯片同時集成了內存、閃存、模/數轉換器、數字I/O等，這種深度集成的特征使得它們非常適合在無線傳感網絡中使用。下面分析微處理器特性中影響節(jié)點整體性能的幾個關鍵特性。

①功耗特性

②喚醒時間

③供電電壓

④運算速度

⑤內存大小

常見的微處理器及其關鍵特性如表4-2所示。

表4-2常見微處理器及其關鍵特性廠商設備發(fā)布年份字長/位工作電壓/V內存/KB閃存/KB工作能耗/mA睡眠能耗/mA喚醒時間/msAtmelAtmega128L200282.7～5.541280.9556AtmelAtmega1281200581.8～5.581280.916AtmelAtmega1561200581.8～5.582560.916EmberEM2502006162.1～3.651288.51.5>1000FreescaleHC05198883.0～5.50.3011>2000FreescaleHC08199384.5～5.51321204FreescaleHCS08200382.7～5.54607.4110JennicJN51212005322.2～3.6961284.25>2500JennicJN51392007322.2～3.61921283.03.3>2500TIMSP430F1492000161.8～3.62600.421.66TIMSP430F16112004161.8～3.610480.52.66TIMSP430F26182007161.8～3.681160.51.11TIMSP430F54372008161.8～3.6162560.281.75ZiLOGEz80F912004163.0～3.68256505032004.2.4存儲模塊

存儲就是根據不同的應用環(huán)境通過采取合理、安全、有效的方式將數據保存到某些介質上并能保證有效的訪問?？偟膩碇v，它包含以下兩個方面的含義：一方面它是數據臨時或長期駐留的物理媒介；另一方面，它是保證數據完整安全存放的方式或行為。存儲器是系統(tǒng)實現(xiàn)存儲的記憶設備，其主要功能是存儲程序和各種數據，并能在計算機系統(tǒng)運行過程中高速、自動地完成程序或數據的存取。存儲器是具有“記憶”功能的設備，它采用具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件來存儲信息，這些器件也稱為記憶元件。有了存儲器，計算機才有記憶功能，才能保證正常工作。

按用途分，存儲器可分為主存儲器(內存)和輔助存儲器(外存)，也可分為外部存儲器和內部存儲器。一個存儲器包含許多存儲單元，每個存儲單元可存放一個字節(jié)(按字節(jié)編址)。每個存儲單元的位置都有一個編號，即地址，一般用十六進制表示。大部分只讀存儲器用金屬-氧化物-半導體(MOS)場效應管制成。其中，快閃存儲器以其集成度高、功耗低、體積小，又能在線快速擦除的優(yōu)點而獲得飛速發(fā)展，并有可能取代現(xiàn)行的硬盤和軟盤而成為主要的大容量存儲媒介。

按功能分，存儲器可分為只讀存儲器(ROM)和讀寫存儲器(RAM)。ROM表示的是只讀存儲器，即只能讀出信息，不能寫入信息，計算機關閉電源后其內的信息仍舊保存著，一般用它存儲固定的系統(tǒng)軟件和字庫等。RAM表示的是讀寫存儲器，可對其中的任一存儲單元進行讀或寫操作，計算機關閉電源后其內的信息丟失，再次開機需要重新裝入，通常用來存放操作系統(tǒng)、各種正在運行的軟件、輸入和輸出數據、中間結果及與外存交換信息等。RAM就是常說的內存。

1．只讀存儲器

只讀存儲器是一種只能讀出事先所存數據的固態(tài)半導體存儲器，為非易失性存儲器。其特性是一旦存儲資料就無法再修改或刪除。通常用在不需要經常變更資料的電子或電腦系統(tǒng)中，并且資料不會因為電源關閉而消失。ROM結構較簡單，讀出較方便，因而常用于存儲各種固定程序和數據。

ROM所存數據一般是裝入整機前事先寫好的，整機工作過程中只能讀出ROM中的數據，而不像隨機存儲器那樣能快速地、方便地進行改寫。ROM所存數據穩(wěn)定，斷電后所存數據也不會改變。除少數品種的只讀存儲器(如字符發(fā)生器)可以通用之外，不同用戶所需只讀存儲器的內容不同。為便于使用和大批量生產，進一步研制出了可編程只讀存儲器(PROM)、可擦除可編程序只讀存儲器(ErasableProgrammableReadOnlyMemory，EPROM)和電可擦除可編程只讀存儲器(Electrically-ErasableProgrammableRead-OnlyMemory，EEPROM，EEPROM)。例如，早期的個人電腦(如AppleII或IBMPCXT/AT)的開機程序(操作系統(tǒng))或其他各種微電腦系統(tǒng)中的韌體(Firmware)均采用此方式。

1)可擦除可編程只讀存儲器

可擦除可編程只讀寄存器，由以色列工程師DovFrohman發(fā)明，是一種斷電后仍能保留數據的計算機存儲芯片。EPROM是一組浮柵晶體管，被一個提供比電子電路中常用電壓更高電壓的電子器件分別編程。一旦編程完成后，EPROM只能用強紫外線照射來擦除。通過封裝頂部能看見硅片的透明窗口，很容易識別EPROM，這個窗口同時也用來進行紫外線擦除。

EPROM采用雙層柵(二層poly)結構，結構示意圖如圖4-8所示。浮柵中沒有電子注入時，在控制柵施加電壓的情況下，浮柵中的電子跑到上層，下層出現(xiàn)空穴。由于感應而吸引電子，并開啟溝道。如果浮柵中有電子注入，即加大管子的閾值電壓，溝道處于關閉狀態(tài)，實現(xiàn)了開關功能。

圖4-8EPROM雙層柵(二層poly)結構示意圖

EPROM的寫入過程如圖4-9所示。當漏極加高壓時，電子從源極流向漏極的溝道充分開啟。在高壓的作用下，電子的拉力加強，能量使電子的溫度急劇上升，變?yōu)闊犭娮印＿@種電子幾乎不受原子的振動作用引起的散射的影響，但在控制柵施加的高壓下，熱電子使能躍過SiO2的勢壘，注入浮柵中。在沒有別的外力的情況下，電子能夠很好地保持著。在需要消去電子時，利用紫外線進行照射，給電子足夠的能量以逃逸出浮柵。EPROM的寫入過程是利用了隧道效應，即能量小于能量勢壘的電子能夠穿越勢壘到達另一邊。量子力學認為物理尺寸與電子自由程相當時，電子將呈現(xiàn)波動性，這表明物體要足夠的小。就PN結來看，當P區(qū)和N區(qū)的雜質濃度達到一定水平且空間電荷極少時，電子就會因隧道效應向導帶遷移。電子的能量處于某個允許的范圍稱為“帶”，較低的能帶稱為價帶，較高的能帶稱為導帶。電子到達較高的導帶時就可以在原子間自由的運動，這種運動就是電流。

圖4-9EPROM的寫入過程

EPROM是一種具有可擦除功能，且擦除后即可進行再編程的ROM內存。寫入數據前必須先用紫外線照射EPROM的IC卡上的透明視窗的方式清除掉里面的內容。這一類芯片比較容易識別，其封裝中包含有“石英玻璃窗”，一個編程后的EPROM芯片的“石英玻璃窗”一般使用黑色不干膠紙蓋住，以防止遭到陽光直射。

2)電可擦除只讀存儲器

電可擦除只讀存儲器是一種可以通過電子方式多次復寫的半導體存儲設備，可以在電腦上或專用設備上擦除已有信息，并重新編程。EEPROM的擦除不需要借助其他設備，它是以電子信號來修改其內容的，而且是以字節(jié)為最小修改單位，不必將資料全部洗掉才能寫入。在寫入數據時，仍要利用一定的編程電壓。修改內容時只需要用廠商提供的專用刷新程序就可以輕而易舉地改寫內容，所以它屬于雙電壓芯片。借助于EEPROM芯片的雙電壓特性，可以使BIOS具有良好的防毒功能。在系統(tǒng)升級時，把跳線開關打至“on”的位置，即給芯片加上相應的編程電壓，就可以方便地升級；平時使用時，則把跳線開關打至“off”的位置，防止CIH類的病毒對BIOS芯片進行非法修改。所以，至今仍有不少主板采用EEPROM作為BIOS芯片，并將其作為自己主板的一大特色。

與EPROM相比，雖然兩者都具有可重復擦除的能力，但EEPROM一般用于即插即用，不需要用紫外線照射來擦除，也不需要取下，可以用特定的電壓來抹除芯片上的信息，具有寫入新的數據方便、擦除速度較快的優(yōu)點，徹底擺脫了EPROMEraser和編程器的束縛。但EEPROM的使用壽命是它的致命缺陷，一般來說，它可被重編程的次數為幾萬或幾十萬次，并且EEPROM的存儲容量偏小，很難滿足現(xiàn)在日益增加的大容量存儲的要求。

2．隨機存取存儲器

隨機存取存儲器又稱作隨機存儲器，是與CPU直接交換數據的內部存儲器，也叫主存(內存)。RAM可以隨時讀寫，而且速度很快，通常作為操作系統(tǒng)或其他正在運行中的程序的臨時數據存儲媒介。RAM是存儲單元的內容可按需隨意取出或存入，且存取的速度與存儲單元的位置無關的存儲器。這種存儲器在斷電時將丟失其存儲內容，故主要用于存儲短時間使用的程序或數據。RAM電路由地址譯碼器、存儲矩陣和讀/寫控制電路三部分組成，如圖4-10所示。

圖4-10RAM電路結構示意圖

存儲矩陣由觸發(fā)器排列而成，每個觸發(fā)器能存儲一位數據(0或1)。通常，將每一組存儲單元編為一個地址，存放一個“字”，每個字的位數等于這一組單元的數目。存儲器的容量以“字數×位數”表示。地址譯碼器將每個輸入的地址代碼譯成高(或低)電平信號，并從存儲矩陣中選中一組單元，使之與讀/寫控制電路接通，且在讀寫控制信號的配合下將數據讀出或寫入。

RAM的主要特點有以下五個：

(1)隨機存取

(2)易失性

(3)對靜電敏感

(4)訪問速度

(5)需要刷新(再生)

按照存儲單元的工作原理，隨機存儲器又分為靜態(tài)隨機存儲器(StaticRAM，SRAM)和動態(tài)隨機存儲器(DynamicRAM，DRAM)兩種。

(1)靜態(tài)隨機存儲器(SRAM)

(2)動態(tài)隨機存儲器(DRAM)

與SRAM相比，DRAM每隔一段時間就要刷新充電一次，否則內部的數據就會消失，因此SRAM具有較高的性能，功耗較小。但是SRAM也有它的缺點，即它的集成度較低。相同容量的DRAM內存可以設計為較小的體積，但是SRAM卻需要很大的體積。同樣面積的硅片可以做出更大容量的DRAM，因此SRAM顯得更貴。

1)非易失靜態(tài)隨機存取存儲器

非易失靜態(tài)隨機存取存儲器(Non-VolatileStaticRandomAccessMemory，NVSRAM)具有SRAM和EEPROM的雙重特點，且該芯片的芯片接口和操作時序等與標準SRAM完全兼容。NVSRAM與SRAM的不同表現(xiàn)為其外部器件需要接一個電容，當外部電源斷電時可以通過電容的放電提供電源，從而把SRAM里面的數據復制到EEPROM中，以達到斷電不丟失數據的目的。

NVSRAM平時都是在SRAM中運行的，只有當外界突然斷電時才會把數據存儲到EEPROM中。當重新上電后又會把EEPROM中的數據復制到SRAM中，然后在SRAM中運行。它的缺點也很明顯，功耗和成本相對較大而容量較小，且不能滿足大容量存儲的

要求。

2)鐵電存儲器

鐵電存儲器(FerromagneticRandomAccessMemory，F(xiàn)RAM)的存儲原理是利用鐵電晶體的鐵電效應實現(xiàn)數據存儲。FRAM的存儲單元主要由電容和場效應管構成，但電容不是一般的電容，而是在兩個電極板中間沉淀了一層晶態(tài)的鐵電晶體薄膜的電容。早期，F(xiàn)RAM的每個存儲單元都使用兩個場效應管和兩個電容，稱為“雙管雙容”(2T2C)，每個存儲單元均包括數據位和各自的參考位。FRAM保存數據不需要電壓，也不需要像DRAM一樣周期性刷新。因為鐵電效應是鐵電晶體固有的一種偏振極化特性，與電磁作用無關，所以FRAM存儲器的內容受外界影響較少。FRAM并行讀取速度最快可以達到55?ns，其缺點為價格較高，容量較小。

3)?Flash閃存

閃存屬于內存器件的一種，一般簡稱為“Flash”。閃存的物理特性與常見的內存有根本性的差異。各類DDR、SDRAM或者RDRAM都屬于揮發(fā)性內存，只要停止電流供應，內存中的數據便無法保持，因此每次電腦開機都需要把數據重新載入內存。閃存則是一種非易失性(Non-Volatile)內存，在沒有電流供應的條件下也能夠長久地保持數據，其存儲特性相當于硬盤，而這項特性正是閃存得以成為各類便攜型數字設備的存儲介質的基礎。目前，NORFlash和NANDFlash是兩種主要的非易失閃存技術。

(1)?NORFlash技術是Intel于1988年開發(fā)的，它徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。其特點是芯片內執(zhí)行(eXecuteInPlace，XIP)，這樣應用程序就可以直接在Flash閃存內運行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NORFlash的傳輸效率很高，在

1～4?MB時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。NORFlash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內部的每一個字節(jié)。

(2)?NANDFlash技術是東芝公司于1989年研發(fā)的，其存儲單元采用串行結構，有更高的性能，并且像磁盤一樣可以通過接口輕松升級。NAND的結構能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在于Flash的管理需要特殊的系統(tǒng)接口。通常，讀取NOR的速度比NAND稍快一些，但NAND的寫入速度比NOR快很多。NAND器件使用復雜的I/O口來串行地存取數據，各個產品或廠商的方法可能各不相同。NAND器件有8個引腳用來傳輸控制、地址和數據信息。NAND的讀和寫操作采用512?B的塊，這一點有點像硬盤管理此類操作，因此基于NAND的存儲器可以取代硬盤或其他塊存儲設備。

4.2.5通信模塊

通信芯片(也稱為通信集成電路IC芯片)對通信產業(yè)的迅猛發(fā)展功不可沒，大幅度增長的芯片需求也給全球半導體業(yè)注入了發(fā)展活力。通信芯片在移動通信、無線Internet和無線數據傳輸業(yè)的發(fā)展已經超過了PC機芯片的發(fā)展，尤其是支持第四、第五代移動通信系統(tǒng)的IC芯片將成為今后全球半

導體芯片業(yè)最大的應用市場。通信芯片正在向著體積小、速度快、多功能和低功耗等方向發(fā)展，具體特點如下：

(1)體積微小化

(2)高度集成化

(3)數據處理速度快

(4)功能多樣性

(5)功耗不斷降低

在無線傳感器網絡中，通信芯片是無線傳感節(jié)點中重要的組成部分，是解決感知節(jié)點信息發(fā)射和接收的關鍵部件。通信芯片的主要性能參數有能耗、傳輸距離、發(fā)射功率和接收靈敏度等。

(1)能耗。通信芯片有以下兩個特點：一是在一個無線傳感節(jié)點的總能量消耗中，通信芯片耗能所占的比例最大。例如，在目前常用的TelosB節(jié)點上，CPU在正常狀態(tài)時的電流只有500μA，而通信芯片在發(fā)送和接收數據時的電流近20μmA。二是低功耗的通信芯片在發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)消耗的能量差別不大，這意味著只要通信芯片運行著，不管它有沒有發(fā)送或接收數據，都在消耗著差不多的能量。

(2)傳輸距離。通信芯片的傳輸距離通常是我們在選擇一個傳感器節(jié)點時需要考慮的一個重要指標。芯片的傳輸距離受多個關鍵因素的影響。其中，最重要的影響因素是芯片的發(fā)射功率。顯然，發(fā)射功率越大，信號的傳輸距離越遠。一般來說，發(fā)射功率和傳輸距離的關系為

Pdn

(4-2)其中，P表示發(fā)射功率，d表示傳輸距離，n一般介于3與4之間。因此，要實現(xiàn)兩倍的傳輸距離，發(fā)射功率需要增加8～16倍。影響傳輸距離的另一個重要因素是接收靈敏度。在其他因素不變的情況下，增加接收靈敏度可以增加傳輸距離。

(3)發(fā)射功率和接收靈敏度。通信芯片的發(fā)射功率和接收靈敏度一般用單位dBm來衡量。通信芯片的接收靈敏度一般為-110～85dBm。dBm是表示功率大小的單位。兩個相差10dBm的功率(如-20dBm和-30dBm)，其功率絕對值相差10倍；而兩個相差20dBm的功率，其功率絕對值相差100倍。一般地，如果用x表示功率的dBm值，用P表示絕對的功率值，則

x?=?10·lg10P?+?30(4-3)

因此，一毫瓦(mW)相當于0dBm，而一瓦(W)相當于30dBm。

目前，常用的低功耗通信芯片包括CC1000和CC2420。CC1000為早期的Mica系列節(jié)點所采用，如Mica2。CC2420則為后期的Mica系列節(jié)點所采用，如MicaZ和TelosB節(jié)點。

CC1000是Chipcon公司生產的一款低功耗通信芯片。CC1000可以工作在三個頻道，分別是433?MHz、868?MHz和915?MHz。但是，它工作在868?MHz和915?MHz時的發(fā)射功率只有433?MHz的一半，此時通信距離較短。因此，一般選用433?MHz頻道。CC1000采用串口通信模式時，速率只能達到19.2?kb/s。此外，CC1000是基于比特的通信芯片，即在發(fā)送和接收數據的時候都是以比特為單位，一個數據包的開始和結束必須用軟件的方法來判斷。

CC2420是Chipcon公司后繼生產的一款低功耗芯片，工作在2.4GHz的頻道上，是一款完全符合IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范的芯片。相比于CC1000，CC240最大的優(yōu)點是數據傳輸率大大提高，達到了250?kb/s。此外，CC2420是基于包的通信芯片，即CC2420能自動判斷數據包的開始和結束，因此其傳輸和接收是以一個數據包為單位，這極大地簡化了上層鏈路層協(xié)議的開發(fā)，并提高了處理效率。表4-3所示為目前常見的通信芯片及其重要特性。

表4-3目前常見的通信芯片及其重要特性廠商設備發(fā)布年份喚醒時間/ms接收靈敏度/dBm發(fā)射功率/dBm接收功耗/mA發(fā)送功耗/mA睡眠功耗/mAAtmelRF23020061.1-101+315.516.50.02EmberEM26020061-99+2.528281FreescaleMC1319220047～20-92+437301.0FreescaleMC1320220077～20-92+437301.0FreescaleMC1321220057～20-92+337301.0JennicJN51212005>2.5-93+13828<5.0JennicJN51392007>2.5-95.5+0.537372.8TICC242020030.58-95018.817.41TICC243020050.65-92017.217.40.5TICC252020080.50-98+518.525.80.03

從表4-3中可以看到，RF230雖然接收靈敏度好，接收狀態(tài)功耗最低，但是由于無線傳感網絡的MAC層協(xié)議一般以低功耗偵聽的方式工作，RF230較大的喚醒時間會影響其低功耗操作的有效性。因為在低功耗操作模式下，節(jié)點會周期性的睡眠、喚醒，以節(jié)省能耗。EM260具有較好的接收靈敏度，發(fā)射功率也較大，但它的功耗較大。Freescale系列的芯片具有較大的喚醒時間，因此不太適合低功耗操作。Jennic系列的芯片的喚醒時間也較大。綜合考慮，TI系列的通信芯片總體性能較好。其中，2008年發(fā)布的CC2520在各項指標上基本都優(yōu)于已被廣泛使用的CC2420芯片。

4.3感知節(jié)點軟件技術

4.3.1軟件的基本概況

按照國標規(guī)定，軟件(Software)是與計算機系統(tǒng)操作有關的計算機程序、規(guī)程、規(guī)則，以及可能有的文件、文檔及數據，即一系列按照特定順序組織的計算機數據和指令的集合。軟件包括以下三個含義：

①系統(tǒng)運行時，能夠提供所要求功能和性能的指令或計算機程序集合；

②程序能夠滿意地處理信息的數據結構；

③描述程序功能需求以及程序如何操作和使用所要求的文檔。以開發(fā)語言作為描述語言，可以認為軟件?=?程序?+?數據?+?文檔。

軟件涉及的行業(yè)領域極其廣泛，可以說涵蓋各行各業(yè)，特別是與電子元器件、計算機、網絡設備和產業(yè)應用領域密切相關，主要體現(xiàn)在技術更新和產品升級，使本行業(yè)的產品方案與之聯(lián)動變化，以更好地滿足實際使用的需求。軟件的主要特點包括：

①軟件不同于硬件，軟件是計算機系統(tǒng)中的邏輯實體而不是物理實體，具有抽象性；

②軟件的生產不同于硬件，它沒有明顯的制作過程，一旦開發(fā)成功，可以大量拷貝同一內容的副本；

③軟件在運行過程中不會因為使用時間過長而出現(xiàn)磨損、老化以及用壞問題；

④軟件的開發(fā)、運行在很大程度上依賴于計算機系統(tǒng)，受計算機系統(tǒng)的限制，在客觀上出現(xiàn)了軟件移植問題；

⑤軟件開發(fā)復雜性高，開發(fā)周期長，成本較大；

⑥軟件開發(fā)還涉及諸多社會因素。

軟件被劃分為系統(tǒng)軟件、數據庫、中間件和應用軟件。其中，系統(tǒng)軟件為計算機使用提供最基本的功能，但是并不針對某一特定應用領域。而應用軟件則恰好相反，不同的應用軟件根據用戶和所服務的領域提供不同的功能。軟件并不只是包括可以在計算機上運行的計算機程序，與這些計算機程序相關的文檔一般也被認為是軟件的一部分。簡單地說，軟件就是程序與文檔的集合體。圖4-11所示為軟件分類圖。

圖4-11軟件分類圖

系統(tǒng)軟件負責管理計算機系統(tǒng)中各種獨立的硬件，使得它們可以協(xié)調工作。系統(tǒng)軟件使得計算機使用者和其他軟件將計算機當做一個整體，而不需要顧及底層每個硬件是如何工作的。系統(tǒng)軟件可分為操作系統(tǒng)和支撐軟件，其中操作系統(tǒng)是最基本的軟件。

(1)操作系統(tǒng)是管理計算機硬件與軟件資源的程序，同時也是計算機系統(tǒng)的內核與基石。操作系統(tǒng)負責諸如管理與配置內存、決定系統(tǒng)資源供需的優(yōu)先次序、控制輸入與輸出設備、操作網絡與管理文件系統(tǒng)等基本事務，也提供一個讓使用者與系統(tǒng)交互的操作接口。

(2)支撐軟件是支撐各種軟件的開發(fā)與維護的軟件，又稱為軟件開發(fā)環(huán)境(SDE)。它主要包括環(huán)境數據庫、各種接口軟件和工具組。著名的軟件開發(fā)環(huán)境有IBM公司的WebSphere、微軟公司的系列軟件等。工具組包括一系列基本的工具，比如編譯器、數據庫管理、存儲器格式化、文件系統(tǒng)管理、用戶身份驗證、驅動管理、網絡連接等方面的工具。

應用軟件是為了某種特定的用途而被開發(fā)的軟件。它可以是一個特定的程序，比如一個圖像瀏覽器。它可以是一組功能聯(lián)系緊密，也可以互相協(xié)作的程序的集合，比如微軟的Office軟件。它還可以是一個由眾多獨立程序組成的龐大的軟件系統(tǒng)，比如數據庫管理系統(tǒng)。

軟件的應用是需要授權的，不同的軟件一般都有對應的軟件授權，軟件的用戶必須在同意所使用軟件的許可證的情況下才能夠合法地使用軟件。從另一方面來講，特定軟件的許可條款也不能夠與法律相違背。依據許可方式的不同，大致可將軟件分為以下五類：

(1)專屬軟件。此類授權通常不允許用戶隨意地復制、研究、修改或散布。違反此類授權通常會有嚴重的法律責任。傳統(tǒng)的商業(yè)軟件公司會采用此類授權，例如微軟的Windows和辦公軟件。專屬軟件的源碼通常被公司視為私有財產而予以嚴密地保護。

(2)自由軟件。此類授權正好與專屬軟件相反，賦予用戶復制、研究、修改和散布該軟件的權利，并提供源碼供用戶自由使用，僅給予些許其他限制。Linux、Firefox和OpenOffice為此類軟件的代表。

(3)共享軟件。通常，可免費取得并使用共享軟件的試用版，但它在功能上或使用期間受到限制。開發(fā)者會鼓勵用戶付費以取得功能完整的商業(yè)版本。根據共享軟件作者的授權，用戶可以從各種渠道免費得到它的拷貝，也可以自由傳播它。

(4)免費軟件。此類軟件可免費取得和轉載，但并不提供源碼，也無法修改。

(5)公共軟件。此類軟件是指原作者已放棄權利，或著作權過期，或作者已經不可考究的軟件。公共軟件在使用上無任何限制。軟件開發(fā)是根據用戶要求建造出軟件系統(tǒng)或者系統(tǒng)中的軟件部分的過程，是一項包括需求捕捉、需求分析、設計、實現(xiàn)和測試的系統(tǒng)工程。軟件一般是用某種程序設計語言來實現(xiàn)的，通常采用軟件開發(fā)工具可以進行開發(fā)。軟件開發(fā)流程示意圖如圖4-12所示。

圖4-12軟件開發(fā)流程示意圖

軟件設計思路和方法的一般過程包括設計軟件的功能和實現(xiàn)的算法及方法，軟件的總體結構設計和模塊設計，編程和調試，程序聯(lián)調和測試，編寫和提交程序。相關步驟具體描述如下：

(1)相關系統(tǒng)分析員和用戶初步了解需求，然后列出要開發(fā)的系統(tǒng)的大功能模塊，分析每個大功能模塊有哪些小功能模塊，對于有些需求比較明確的相關界面，在這一步里面可以初步定義好少量的界面。

(2)系統(tǒng)分析員深入了解和分析需求，根據自己的經驗和需求做出一份描述系統(tǒng)的功能需求文檔。這次的文檔需要清楚地列出系統(tǒng)大致的大功能模塊，大功能模塊包含的小功能模塊，并且還要列出相關的界面和界面功能。

(3)系統(tǒng)分析員和用戶再次確認需求。

(4)系統(tǒng)分析員根據確認的需求文檔所列出的界面和功能需求，用迭代的方式對每個界面或功能做系統(tǒng)的概要設計。

(5)系統(tǒng)分析員把寫好的概要設計文檔給程序員，程序員根據所列出的功能進行代碼的編寫。

(6)測試編寫好的系統(tǒng)。將編寫出的系統(tǒng)交給用戶使用，用戶使用后確認每個功能，然后驗收。

4.3.2匯編語言

在電子計算機中，驅動電子器件進行運算的是一列高低電平組成的二進制數字，稱為機器指令，機器指令的集合構成機器語言。早期的程序設計使用機器語言，將用0、1數字編成的程序代碼打在紙帶或卡片上，1表示打孔，0表示不打孔，再將程序通過紙帶機或卡片機輸入計算機進行運算。這樣的機器語言由純粹的0和1構成，十分復雜，不方便閱讀和修改，也容易產生錯誤，于是誕生了面向機器程序設計的匯編語言。

在匯編語言中，用助記符(Mnemonics)代替機器指令的操作碼，用地址符號(AddressSymbol)或標號(Label)代替指令或操作數的地址，如此就增強了程序的可讀性并且降低了編寫難度，像這樣符號化的程序設計語言就是匯編語言，亦稱為符號語言。使用匯編語言編寫的程序，機器不能直接識別，還要由匯編程序或者叫匯編語言編譯器(即匯編器)將程序轉換成機器指令。匯編程序將符號化的操作代碼組裝成處理器可以識別的機器指令，這個組裝的過程稱為組合或者匯編。因此，有時候人們也把匯編語言稱為組合語言。匯編語言工作過程示意圖如圖4-13所示。

圖4-13匯編語言工作過程示意圖

計算機中的處理器是在指令的控制下工作的，處理器可以識別的每一條指令稱為機器指令。每一種處理器都有自己可以識別的一整套指令，稱為指令集。處理器執(zhí)行指令時，根據不同的指令采取不同的動作，以完成不同的功能，既可以改變自己內部的工作狀態(tài)，也能控制其他外圍電路的工作狀態(tài)。

由上述分析可知，匯編語言表現(xiàn)出以下三個基本特征：

①機器相關性

②高速度和高效率

③編寫和調試的復雜性

匯編語言中的指令集主要包括以下12類指令：

(1)數據傳送指令

(2)整數和邏輯運算指令

(3)移位指令

(4)位操作指令

(5)條件設置指令

(6)控制轉移指令

(7)串操作指令

(8)輸入輸出指令

(9)高級語言輔助指令

(10)控制和特權指令

(11)浮點和多媒體指令

(12)虛擬機擴展指令

匯編語言的優(yōu)點表現(xiàn)為：

①因為用匯編語言設計的程序最終會被轉換成機器指令，所以能夠保持機器語言的一致性、直接、簡捷，并能像機器指令一樣訪問、控制計算機的各種硬件設備，如磁盤、存儲器、CPU、I/O端口等。使用匯編語言，可以訪問所有能夠被訪問的軟、硬件資源。

②目標代碼簡短、占用內存少、執(zhí)行速度快。匯編語言是高效的程序設計語言，經常與高級語言配合使用，以提高程序的執(zhí)行速度和效率，彌補高級語言在硬件控制方面的不足，應用十分廣泛。

匯編語言的缺點表現(xiàn)為：

①匯編語言是面向機器的，處于整個計算機語言層次結構的底層，故被視為一種低級語言，通常是為特定的計算機或系列計算機專門設計的。不同的處理器有不同的匯編語言語法和編譯器，編譯的程序無法在不同的處理器上執(zhí)行，故缺乏可移植性。

②難以從匯編語言代碼上理解程序設計意圖，程序可維護性差，即使是完成簡單的工作也需要大量的匯編語言代碼，很容易產生BUG，難以調試。

③使用匯編語言必須對某種處理器非常了解，而且只能針對特定的體系結構和處理器進行優(yōu)化，開發(fā)效率很低，周期長且單調。

4.3.3C語言

1．C語言產生的背景

針對匯編語言存在著編寫難度大、不易理解和難以閱讀等缺點，從20世紀50年代中期開始涌現(xiàn)出大量不同的易懂易編的計算機語言。由于每種語言對應不同的系統(tǒng)，各種語言的兼容性非常差。于是，1958年國際組織制定了通用的算法語言ALGOL(ALGOrithmicLanguage)，它是計算機發(fā)展史上首批清晰定義的高級語言。由于ALGOL語句和普通語言表達式接近，更適于數值計算，所以ALGOL多用于科學計算機。但其標準輸入/輸出設施在描述上有欠缺，使之在商業(yè)應用上受阻。1963年劍橋大學將ALGOL60(也稱為A語言)語言發(fā)展成為CPL(CombinedProgrammingLanguage)語言，1967年劍橋大學的MartinRichards對CPL語言進行簡化產生了BCPL語言，1970年美國貝爾實驗室的KenThompson對BCPL進行修改，定義為“B語言”，并采用B語言寫了第一個UNIX操作系統(tǒng)。

1972年，美國貝爾實驗室的D.M.Ritchie在B語言的基礎上設計出了一種新的語言，取了“BCPL”的第二個字母作為這種語言的名字，這就是C語言。D.M.Ritchie被稱為C語言之父。1977年，DennisM.Ritchie發(fā)表了不依賴于具體機器系統(tǒng)的C語言編譯文本《可移植的C語言編譯程序》，此后出現(xiàn)了許多版本的C語言。由于沒有統(tǒng)一的標準，這些C語言之間出現(xiàn)了一些不一致的地方。為了改變這種情況，美國國家標準研究所(ANSI)為C語言制定了ANSI標準。自此，ANSI標準成為現(xiàn)行的C語言標準，即經典的87ANSIC。1990年，國際化標準組織ISO接受了87ANSIC為ISOC的標準(ISO9899—1990)，并于2001年和2004年對該標準進行了兩次技術修正。2011年ISO正式公布C語言新的國際標準草案ISO/IEC9899—2011，即C11。目前流行的C語言編譯系統(tǒng)大多是以ANSIC為基礎進行開發(fā)的，但不同版本的C編譯系統(tǒng)所實現(xiàn)的語言功能和語法規(guī)則略有差別。C語言具有強大的功能，許多著名的系統(tǒng)軟件，如DBASE?ⅢPLUS、DBASE?Ⅳ?都是用C語言編寫的。C語言加上一些匯編語言子程序就更能顯示C語言的優(yōu)勢，如PC-DOS、WORDSTAR等就是用這種方法編寫的。

常用的C語言IDE(集成開發(fā)環(huán)境)有MicrosoftVisualC++、BorlandC++、WatcomC++、BorlandC++、BorlandC++Builder、BorlandC++