无线传感网络硬件设计

无线传感网络硬件设计第1页/共69页第十章目录无线传感网络硬件设计无线传感器网络应简洁点设计10.110.1.1无线传感器网络节点设计技术概述10.1.2中央处理模块10.1.3高频无线通信模块10.1.4传感模块10.1.5能量供应模块

10.1.6节点外围功能模块10.1.7典型的无线传感器网络10.1.8无线传感器网络节点开发第2页/共69页10.2面向应用的多媒体传感器网络无线传感器网络低功耗硬件设计10.310.2.1无线多媒体传感器网络节点总体构架10.2.2无线音频传感器节点设计与实现10.2.3无线图像传感器节点设计与实现10.2.4无线视频传感器节点设计与实现10.3.1无线传感器网络能耗问题10.3.2MEMS技术基本原理10.3.3MEMS通信设计原理10.3.4无线传感器网络硬件供能模块设计第3页/共69页10.1.1无线传感器网络硬件节点设计技术概述一、硬件设计特点与要求

（1）轻量化（2）扩展性和灵活性

（3）稳定性和安全性

（4）低成本二、无线传感器网络硬件系统的主要组成

（1）普通传感器节点

（2）汇聚节点

（3）网关节点第4页/共69页三、节点基本构架应用系统层嵌入式系统内核层设备驱动层功能部件层为终端用户提供了面向应用的系统控制方式与工作方法。在设备与应用之间建立连接，提供软硬件系统调用的方式，同时为上层应用提供功能服务。为底层物理部件提供设备驱动功能与策略。整个节点的硬件基础。包括所有硬件模块组成与系统底层调用的集合。第5页/共69页四、节点各模块及调用关系用户界面接口中央主控处理模块信息传感模块能量供应模块基站控制模块高频无线通信模块第6页/共69页各模块功能说明：（1）中央主控处理模块

中央主控处理模块是整个节点的核心模块，进行系统全局调

度以及与用户交互。（2）用户界面接口

用户界面接口为用户提供了选择、控制、传感信息采集，以

及信号传输方式的选取等诸多服务。（3）高频无线通信模块

高频无线通信模块包括了低噪声放大、混频、滤波、调制解调等

多个操作步骤，将传感信息以无线频谱的方式，在相应的频段上进

行传输，同时，接收来自自组网络内其它节点的传感信息传递，并

实时与基站节点沟通。（4）信息传感模块

信息传感模块采用了可插拔的部件设计技术，将各种不同

的传感

应用设计为可灵活组合的传感模块。（5）能量供应模块

能量供应模块为上述所有模块提供能源供给，针对系统的4种工作

方式，提供相对应的能源供给方式。第7页/共69页10.1.2中央处理模块一、功能概述（1）接收来自各类型传感器的测量数据，完成数据处理，交由无线通信模块发送。（2）读取无线通信模块接收到的数据和控制信息，进行数据处理并实现对其它模块的控制。（3）实现无线传感器网络中的各种算法和协议，如MAC协议、路由协议、定位算法等。二、设计需求

（1）体积尽量小（2）集成度尽量高（3）要有足够的外部通用I/O端口和通信接口（4）成本尽量低（5)低功耗且支持睡眠模式（6）运行速度要尽量快第8页/共69页三、模块的内核中央处理AVR内核地址传送单元地址匹配单元RAM模块SPI编程单元定时器模块RF串行接口UARTRF定时部件数字I/ORF时钟部件ADC控制器通道监听部分数据总线第9页/共69页四、时钟系统1、时钟系统概述

时钟系统是无线传感器网络节点中的重要组成部分，同节点的工作频率直接相关，并贯穿于传感数据转换、信息交互及程序烧写等多个过程。2、典型无线传感器网络节点时钟系统组成部分

CPU核心时钟。CPU核心时钟与操作微处理器内核的子系统（如通用工作寄存器文件、状态寄存器及保存堆栈指针的数据存储器）相连。

I/O时钟。I/O时钟用于主要的I/O模块（如定时器/计数器、SPI和USART）。

Flash时钟。Flash时钟控制Flash接口操作。这个时钟通常与CPU核心时钟同步。异步定时器时钟。异步定时器时钟允许异步定时器/计数器直接由外部32

kHz时钟晶体驱动，使得此定时器/计数器即使在睡眠模式下仍然可以为系统提供一个实时时钟。

ADC时钟。ADC具有专门的时钟，这样可以在ADC工作时停止CPU和I/O时钟以降低数字电路产生的噪声，从而提高ADC转换精度第10页/共69页五、模数转换模块

节点内部一般都集成了模数转换部件。以Mica2节点为例，其内部集成了一个10位的逐次逼近型的ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口的8路单端输入电压进行采样。六、典型的中央处理模块

当前的无线传感器网络节点中使用较多的处理器有ATMEL公司的AVR系列单片机，而TI公司的MSP430超低功耗系列处理器，不仅功能完整、集成度高，而且能够根据存储容量的多少提供多种引脚兼容，使开发者很容易根据应用对象平滑升级系统。在新一代无线传感器节点Telos中使用的就是这种处理器。作为2000年以来32位嵌入式处理器市场中红极一时的嵌入式ARM处理器，极有可能成为下一代无线传感器网络节点设计的考虑对象。第11页/共69页10.1.3高频无线通信模块一、工作状态

无线传感器网络的高频无线通信模块包括发送、接收、空闲、睡眠4种工作状态，其中，空闲状态时需要节点监听无线信道，检查信道中是否有自己要接收的数据；在睡眠状态时则需要关闭无线通信模块。

图无线传感器网络节点各部分能耗第12页/共69页二、无线传感器网络节点通信芯片的选择

随着集成电路技术的飞速发展，无线通信芯片的体积越来越小，价格也越来越低，这也更符合了无线传感器网络微型化和低成本的要求。所以，在无线通信芯片的选择中就要更加关注于芯片的性能，包括载波频段、工作电压、传输距离等。目前，真正用于传感器网络节点中的无线通信芯片并不多，主要有RFM公司的TR1000芯片，以及Chipcon公司的CC1000、CC1020、CC2420等芯片。三、无线通信模块与中央处理模块的交互PDATAPCLKPALEATmegal128LSPI_MISOSPI_SCKCHP_OUTADC0CC1000DIODCLKCHP_OUTRSSI第13页/共69页10.1.4传感模块一、无线传感器网络节点传感模块概述传统意义上的传感器一般包括传感器探头和变送系统两部分。传感器的工作原理一般是；首先，将测到物理量的变化通过各种机制转换成电阻、电容或者电感变化；随后，这些电子特性变化通过转换电路（如阻桥电路）转换成电压信号；接着，电压信号经过积分电路、放大电路进行整形处理；最后，采集电路（ADC）将模拟电压信号转换成数字信号。第14页/共69页二、典型的无线传感器网络节点

南京邮电大学自主研发的UBIcell多功能模块采用将传感器以插件的方式与节点连接，Ubicell节点上的温度传感器、光照度传感器和湿度传感器分别才用DS18B20,LX1970和HS1101。第15页/共69页10.1.5能量供应模块为了尽可能降低节点的能耗，延长其使用寿命，设计过程中，可以为无线传感器网络节点选择多种灵活的工作模式，配置各种可选的电源管理方案。具体包括如下几种模式。（1）空闲模式（2）ADC噪声抑制模式（3）掉电模式（4）省电模式（5）等待模式第16页/共69页10.1.6节点外围功能模块一、串行Flash模块无线传感器网络节点的处理器模块内部一般都有一定容量的存储空间。典型传器网络节点外部存储模块原理图如10-20所示。第17页/共69页二、信号指示和报警部件无线传感器网络中的信号指示和报警部件主要是指其亮灯电路和蜂鸣电路。亮灯电路用来指示节点的工作状态，并可实现部分传感信息的通告（如火灾报警、温度超标报警等）。另外，报警部件也可实现信息通告和事件报警。第18页/共69页三、外部接口（1）标准接口无线传感器网络节点要想得到广泛的应用，就必须拥有完整、通用的标准接口，以便于节点及网络功能的扩展。这里仍以Mica2节点为例，该节点拥有一个51针的通用标准I/O接口，主要用于传感面板和节点的连接与信息交互。电路原理图如图10-22所示，其实物图如图10-23所示。第19页/共69页（2）编程接口电路JTAG编程方法JTAG接口首先被芯片制造商或者板卡制造商用来检查芯片是否工作正常；其次JTAG接口可以用来调试处理器芯片，从硬件上控制处理器芯片的运行流程，包括单步执行、设置断点、读写芯片内部寄存器和存储器。SPI编程方法

SPI接口通过3根线（1条时钟线SPI_SCK、2条收发数据线UART_RXD0和UART_TXD0，注意SPI串口编程使用的数据线不是SPI_MOSI和SPI_MISO）完成编程。

串口电路串口电路一般只有基站节点才有。由于无线传感器网络节点一般所用的AVR单片机的输入输出电平为TTL电平，而PC机配置的是RS232标准串行接口，二者电气规范不一致；因此必须进行电平转换。

第20页/共69页10.1.7典型的无线传感器网络节点

一、无线传感器网络节点UbiCell由南京邮电大学传感网络研究中心自主研发的UbiCell系列节点是国内无线传感器网络节点的典型代表之一。节点名称的涵义是“随处可见的细胞”，这也正是无线传感器网络和物联网的基本理念。

二、国内外其他典型的无线传感器网络节点

（1）Smartdust

主要特点：

①采用MEMS技术，体积微小

②具有长期工作的潜力。

③采用光通信方式。

④其传输的方向性、无视距阻碍的要求给节点的部署带来很大挑战。

第21页/共69页（2）Mica系列节点

（3）TmoteSky

Mica系列节点是加州大学伯克利分校研制的用于传感器网络研究的演示平台的试验节点。产品包括WeC、Renee、Mica、Mica2、Mica2dot和Spec等，其中Mica2和Mica2dot节点已经由Crossbow公司包装生产。TmoteSky是MoteIV公司生产的超低功耗的、高数据传输率的下一代无线传感器网络平台，是由Moteiv’sTelosRevisionB版本改进而来，使用TI公司的超低功耗微处理器芯片MSP430，通信模块采用了Chipcon公司支持IEEE802.15.4协议的CC2420芯片，可与其它IEEE802.15.4的设备协同工作，250kbit/s的数据收发速率可以使节点更快完成通信事件的处理，快速休眠，节省系统能量。第22页/共69页10.1.8无线传感器网络节点开发套件二、可上传式烧写器的设计与实现我们自行开发设计了一款带有串口上传功能的可烧写（下载）器（通过一个自锁开关来进行功能的选定）。该下载器与AVRStudio完全兼容，并可在TinyOS、MantisOS及Disware中间件上直接使用。它可以烧写包括ATmega8、ATmega16、ATmega32、ATmega64、ATmega128、ATmega8535、ATtiny2313、AT89S51/52等几十种常用的单片机。一、可插拔下载编程转接口的设计与实现

转接板具有如下特点：面积较小屏蔽不同的硬件设计配合自制的程序下载工具，具有串口上传功能

第23页/共69页（1）下载（烧写）功能

为了实现下载功能，则需要将事先编写好的、符合STK500协议标准的程序固件烧写进入该编程器的主控芯片ATmega8535中（这时烧写器作为目标节点模块，需将10芯数据线的RST引脚更改到8535的RST端，烧写ATmega8535时，需将其导通）。（2）数据上传功能其设计思路相对来说较为简单，将10芯数据线中在实现烧写功能时所闲置的两根数据线利用起来，当选定使用下载功能时，这两根线直接通过10芯接口，将目标节点的RXD、TXD引脚通过MAX3232与串口头直接连接起来，从而实现上传功能。第24页/共69页（3）PCB板设计图在PCB板的设计上，遵循灵活、方便、小巧的理念。通过导通两个孔来实现对主控芯片ATmega8535的固件下载；通过一个自锁开关来选定切换上传和下载的功能。其硬件PCB设计图如图10-37所示。第25页/共69页10.2.1无线多媒体传感器网络节点总体架构一、无线多媒体传感器网络节点体系结构设计要素

实时同步性

高可靠与低功耗

可拓展性与可交互性

稳定性与物理可靠安全性

低成本和低开销

网络信息处理Qos保障

信息安全保证

海量数据存储第26页/共69页二、无线多媒体传感器网络节点体系结构组成具体包含如下组成部分：（1）高速可扩展多媒体数据采集模块与现实终端（2）多媒体数据控制与处理中心设计（3）基于UWB的无线数据收发模块快设计（4）高性能多媒体编/解码模块设计（5）多协作无线多媒体传感器节点能量供应模块第27页/共69页10.2.2无线音频传感器节点设计与实现作为能够实时传输音频信号的无线传感器网络节点，除了应具有常规的处理器模块、无线通信模块、能量供应模块外，还需要加入音频信号处理所特有的滤波电路模块、音频放大模块及音频编解码模块。一、滤波电路模块

综合考虑成本、能耗、器件大小等因素，选择RC无源带通网络作为滤波网络。图10-40所示为多媒体音频节点上的滤波网络模块电路。第28页/共69页二、音频放大模块

采用通用、高效、成本低廉的LM386来作为音频放大电路的核心芯片。其整个模块的电路图10-41所示。该电路能实现200倍的放大增益。三、音频编解码模块这里所采用的CMX639，使用连续可变斜率增量调制（CVSD）来对语音信号进行调制解调。第29页/共69页四、音频传感器技术指标音频传感器的主要技术指标如表10-12所示。第30页/共69页10.2.3无线图像传感器节点设计与实现一、结构与组成多媒体图像传感器节点的基本结构包括了一个CMOS图像传感器、一个高性能的微控制器（如ATmega128L）、一个辅控制器（Tiny12）及外围辅助电路。二、工作时序与数据格式对图像传感器节点的数据采集的的控制都是通过I2C总线对寄存器写值进行的，标准的I2C通信只需要两个引脚，即SDA和SCL。SCL为低电平时SDA的值允许改变，SCL取高电平时SDA只能维持原值，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。第31页/共69页通过I2C总线传输给图像传感器的具体数据格式如图10-47所示，其中器件

ID表示从机的ID，格式为110CCCX，第一个C表示CS1引脚的值，第二个C表示CS2引脚的值，第三个C表示CS3引脚的值，X为1表示是读总线数据，为0表示往总线写数据。子地址表示传感器寄存器地址，数据表示往寄存器写的具体值。三、总线数据格式

VSYNC信号线是垂直同步脉冲序列，节点每输出一帧图像，VSYNC信号线就将输出一个脉冲信号；HREF信号线是水平有效数据输出端口，即当HREF为高电平，Y端口输出的数据有效；PCLK控制图像传感器的像素时钟，每个上升沿输出一个像素的信息。第32页/共69页四、系统工作流程（1）初始化流程本系统的初始化主要是两个功能模块的初始化过程。一个是主控模块Mega128，一个是辅控模块Tiny12。这里需要注意的是，Tiny12的初始化必须先于Mega128的初始化，因为它要先对Mega128和OV6620进行初始化。1）Tiny的初始化过程1.Tiny12首先通过Reset接口来控制Mega128进行重启。2.通过I2C总线，向OV6620发出一个命令，使其产生一个17.7MHz 的时钟。2）

Mega128的初始化过程1.进行一些初始化的亮灯操作来标志系统的启动。2.进行串口的初始化操作UartInt_init()。3.I2C总线的初始化过程I2CInt_init()。4.对OV6620的信号线进行定义。第33页/共69页5.是对OV6620的部分关键寄存器进行初始化。6.用户接口的相关操作UIMgr_init()。7.帧控制的初始化。（2）事件循环处理

图像传感器采集系统，主要通过一个无限的循环（Exec_run()函数）来执行图像传感过程（跳出循环的方法是上位机发送一个重新启动的中断命令）。执行体主要来处理两类事件：

第一类：需要快速处理的事件

这类事件有两个

：1.一行数据扫描完成的事件2.一行数据处理完毕的事件

第二类：正常的事件

这类事件包括从上位机收到了串口事件、上位机的配置命令

等。第34页/共69页（3）用户接口系统主要通过串口通信事件，进行用户接口的相关操作。

首先是进行图像传感器的连接；

其次当图像传感器收到连接命令后，将返回应答信息，若应答信息超时，则连接失败，否则，连接成功；

最后就可以进行扫描和数据回传了。

系统原型所提供的用户接口功能包括连接传感器的操作、获取版本号的操作、重新启动传感器的操作、设置串口波特率，数据位停止位的操作，扫描开始的操作、设置寄存器的操作等。接口图像传感器串口通信连接信号应答则扫描和数据回传无应答，连接失败第35页/共69页五、节点电路原理图所实现的图像传感器节点的电路原理图如图10-49所示。主要包含OV6620图像传感器、Mega128微处理器和Tiny12处理器等。第36页/共69页10.2.4无线视频传感器节点设计与实现多媒体传感节点构架包括硬件平台和软件平台两大部分，其中软件平台又分为驱动层、操作系统层和应用层三个层次。驱动层直接和硬件打交道，屏蔽硬件操作的细节，向操作系统和应用程序提供所需的驱动支持。操作系统层包括内核、网络系统、文件系统等部分。内核是操作系统的基础和必须的部分，其他部分可以根据需要定制和剪裁。应用程序实现特定的功能，完成特定的工作，并由操作系统的内核调度各个任务的运行。第37页/共69页无线多媒体传感器节点构架视频传输视频数据送硬件CODEC压缩视频采集网络系统内核文件系统操作系统相关驱动应用层相关驱动BootLoaderARMSOC存储器以太网WIFI接口CMOS摄像头，电源应用层操作系统层驱动层硬件层第38页/共69页一、硬件设计目前用于多媒体信息采集和处理的核心器件主要有FPGA、DSP和ARM。

FPGA可以用VHDL、Verilog等硬件描述语言来编程，灵活性强，具有现场编程能力可以延长产品的生命力，且它独有的并行处理能力使它可以在某些特殊的应用场合（如实现特定算法）具有不可比拟的优势。

ARM具有相对较强的事务管理和控制功能，功耗较低，开发相对较为简单。

DSP主要是用做运算，它的优势是强大的数据处理能力和相对较高的运行速度，但是开发较为复杂。第39页/共69页典型示例以一种ARM9SOC为例介绍视频传感器节点的设计。硬件组成：这种SOC采用ARM9处理器核心，同时集成了高性能的支持MPEG-4和H.264视频编解码的硬件CODEC、专用的CAMERA接口（CSI）和其他常用的接口，如USB2.0、UART、SPI、I2C等存储空间：在节点上设计了128MB位宽为32位的DDRSDRAM作为程序运行存储器，256MB的NANDFlash用于存放引导程序、操作系统和应用程序。传输方式：为了简化系统设计，提供高速的无线数据通信，选用USB接口、支持IEEE802.g协议的无线网卡，在2.4GHz的频率下提供54Mbit/s的通信带宽。PCB设计：视频传感器节点采用CADENCE公司的PCB设计布局软件Allegro完成高速电路设计。第40页/共69页二、软件设计常见的嵌入式系统的软件部分都是由设备驱动层、操作系统、应用程序构成的。

驱动层直接与硬件设备打交道，完成对摄像机等外设的初始化，各种设备的操作、打开和关闭等功能。设备驱动层中的BootLoader是在操作系统运行之前执行的一段小程序。BootLoader运行后可以初始化硬件设备、建立内存空间映射表，从而建立好系统的软硬件环境，为最终引导操作系统做好准备。第41页/共69页

视频节点中操作系统是必需的，所需要的操作系统应该满足如下几点要求：内核必须尽可能小要有完整的网络功能高实时性的任务调度，支持多任务，在可靠性、响应时间、吞吐量等方面要有较好的性能。为什么要采用Linux操作系统？前常见的嵌入式操作系统有VxWorks、WindowsCE等，这些都属于商用操作系统，虽然有强大的功能，但是价格昂贵，并且开放程度不够高。除了上述操作系统之外，还有一种开源的嵌入式操作系统—嵌入式Linux，嵌入式是由桌面Linux发展而来，目前已经成为一个稳定、成熟的嵌入式操作系统。而且Linux的开发都是在GPL（GNUPublicLicense）的控制之下，Linux的所有源代码都是开放的。我们所选用的SOC也提供了对Linux完善的支持，因此，在视频传感器节点中采用了嵌入式Linux操作系统作为视频节点的软件平台[24]。第42页/共69页CMOS图像传感器CMOS传感器特点：

CMOS图像传感器由于其低功耗，高集成度等特性使其成为无线多媒体传感器网络视频节点的首选。可以根据被监测对象的特点选择相应分辨率、帧速的CMOS传感器。CMOS采用CSI接口特点：

CSI接口与CMOS传感器的连接变得非常容易。该CSI接口支持CCIR656格式的视频，支持8位宽的YCC、YUV、Bayer、RGB数据输入。第43页/共69页Linux对于视频采集设备的支持，是通过Video

for

Linux实现的，现在VideoforLinux已经升级到VideoforLinux2（V4L2）。基于V4L2的视频采集驱动如图10-51所示划分为两个层次。高层的是通用VideoforLinux驱动程序，包含了链状缓存管理、流媒体API和其他一些IOCTL的接口。底层是提供对PrP、CSI和CMOS传感器硬件的访问，并提供由高层调用的接口。第44页/共69页

在应用程序中通过V4L2采集视频应遵循以下的步骤。①在V4L2中，视频设备被看做一个文件。首先使用open函数打开这个设备。②打开视频设备后，可以设置该视频设备的属性，一般使用ioctl函数来对设备的I/O通道进行管理。③检查当前视频设备支持的标准。④设定视频捕获格式。⑤获取并记录缓存的物理空间。⑥采集的数据送入V4L2的数据缓存，数据缓存采用FIFO的方式，当应用程序调用缓存数据时，缓存队列将最先采集到的视频数据缓存送出，并重新采集一张视频数据。第45页/共69页

由于视频信息不同与普通数据，在无线多媒体传感器网络中采集、传输视频数据必须满足如下几个方面的要求。①最小的数据传输带宽：传感器节点能量有限，且数据传输功耗远大于数据处理功耗，因此，要争取在保证视频质量的前提下应该尽可能地采用好的压缩算法，获得最高的压缩比，使得所需传输带宽最低。②实时性：即小的传输时延。③连续性：为了保证视频播放的连续性，视频数据的传输速率应该与编码速率同步。第46页/共69页视频传感器节点所采用的SOC中包含了支持H.264BP、H.263P3、MPEG-4SP的硬件Codec。

硬件CODEC主要包含两部分：视频编解码处理核心和总线桥。视频编解码处理核心由一个16位的专用处理器、编解码硬件加速器和总线仲裁器组成。这个专用处理器主要用于控制和解析视频数据流并且负责与CPU通信。在编写利用硬件CODEC进行编解码的应用程序时，CODEC的结构可简化为图10-52所示的模型。

第47页/共69页硬件CODEC进行H.264压缩编码的流程如图10-53所示。在应用层通过CODEC的API接口来编程实现H.264编码。API接口建立在Linux操作系统中的CODEC驱动程序基础之上，提供对硬件CODEC的访问和控制。CODEC驱动程序实现的功能如下。①设备初始化：初始化CODEC的时钟，硬件加速模块，和中断请求模块。②中断服务：在一帧视频数据完成编解码产生中断时提供中断响应操作。③设备文件操作的实现：向用户空间提供CODEC设备文件的打开、释放、同步、输入输出控制功能，并在用户空间中实现寄存器和存储器的地址映射等。第48页/共69页在CODECAPI基础上的H.264压缩过程可用图10-54来实现。第49页/共69页传感器通信模块采用哪种技术？？？WIFI技术传统的无线传感器网络通常使用ZigBee等低功耗、低速率的无线通信技术传输数据，而无限多媒体视频传感器节点要传输的是视频流数据。ZigBee等技术无法达到视频流数据传输所需的带宽，因此在视频传感器的无线通信模块设计中采用了成熟、稳定的WiFi技术—利用SOC的USB接口外接一个支持IEEE802.g标准的无线网卡。视频传感器节点的嵌入式Linux操作系统已经提供了对该USB网卡的完整支持，因此在通过该网卡通信时只需利用Socket接口进行编程即可。第50页/共69页传感器节点采用哪种协议？？RTP/RTCP协议TCP是面向连接的可靠的传输协议，由于它的重传机制、较大的时延和较大的控制开销等特性使它不适合用于视频传输。UDP提供的是不可靠的传输，但是效率很高，时延较小，比较适合用于视频传输。针对视音频的实时传输性要求，RTP通常建立在UDP协议之上，利用UDP对实时的视频数据进行组播或单播，实现对多点和单点的视频数据进行传输。RTCP是与RTP配合使用的协议。主要功能是服务质量的监视与反馈、媒体间的同步，以及多播组中成员的标识。因此，视频传感器节点采用了RTP/RTCP协议。第51页/共69页

视频传感器节点的任务包括视频采集、压缩和发送3部分。

视频传感器节点采用多线程设计，从而减少了上下文切换的开销。视频采集、视频压缩与视频发送分别在独立的线程中运行。其中，视频采集和视频压缩各占一个线程，视频发送可根据需要设置多个线程对应多个视频传输请求。多线程技术简化了系统设计的复杂度，优化了系统资源的调度。为实现视频采集、压缩和发送的同时进行，视频传感器节点中设计了视频数据管道。视频采集线程将采集的视频数据送给视频压缩线程，进行压缩后送入视频数据管道，发送线程从管道的另一端取走数据发送。第52页/共69页视频数据管道的本质就是若干个环形队列，有发送队列、就绪队列、空闲队列等。①发送队列中的是包含视频传输线程正在发送的视频数据的数据单元，当数据单元发送完成后该单元就从发送队列移入空闲队列中。②就绪队列中的是包含由视频压缩线程写入的压缩后视频数据的数据单元，随时可以加入发送队列。③空闲队列中的数据单元就是尚未被使用的空闲数据单元，可供视频压缩线程使用，当视频压缩线程将压缩的数据写入后，空闲数据单元就加入就绪队列中。第53页/共69页10.3.1无线传感器网络能耗问题概述

无线传感器网络与传统的无线通信网络有很大的区别。GSM、WiFi、CDMA等无线网络的首要设计目标是提供尽可能高的服务质量，节点的能量可以进行补充，因此消耗是次要考虑的问题。而无线传感器网络的节点不能补充能量，尽可能延长网络系统的生存周期成为无线传感器网络的首要设计目标。传感器由部分组成：通信模块、计算模块、传感器模块和能量供应模块。由于传感器模块通常情况下能耗很低，并且可以通过在应用的范围内适当延长采样周期，降低采样精度的方法来降低传感模块的能耗，因此通常只考虑计算模块和通信模块的能耗问题。第54页/共69页10.3.2MEMS技术基本原理MEMS（MicroElectroMechanicalSystems）即微电子机械系统，是在融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。通过微电子技术和微加工技术，它可以将机械组件、驱动部分、光学系统和电路控制部分集成为一个完整的微系统。第55页/共69页MEMS器件采用哪种材料制造？①由于集成电路的发展，使得当前所能大量生产的单晶硅具有纯净、廉价的优势。②已经开发出的大量针对硅材料的加工和处理技术已经非常成熟。③基于硅的MEMS设计，提供了集成控制和信号处理电路的潜能。④硅的物理和机械特性使它在设计机械传感器方面有着很大的优势。第56页/共69页10.3.3MEMS通信设计理论一、射频通信技术在设计