第二章 : 物联网硬件平台 董玮 浙江大学
目录 物联网硬件平台概述 常见的硬件平台 最近研究进展 2
生活中的物联网硬件
物联网硬件发展历程 体积越来越小 价格越来越低
物联网开发平台类型 异构性强 功能差异大
硬件平台的组成 狭义的硬件平台 : 开发板 广义的硬件平台 : 开发板 + 外接传感设备 + 通信模块
传感器节点 Radio (<100 Kbps) 4MHz 8 bit Atmel microprocessor Sensors: temperature light humidity Memory: 512 KB 2 AA batteries, 2.5 Ah 7
硬件平台的相关属性 1 价格和尺寸 低成本 微型化 2 能耗 供电电压,MCU 休眠能耗 工作能耗 3 运算速度和内存大小 MCU 主频 位数,RAM,Flash 4 接口类型 物理接口, 通信协议 5 安全性 哈佛结构, 冯诺依曼结构
1 价格和尺寸 节点价格低廉, 微型化 更高的部署密度, 更好的感知效果 开发板 价格 ( 元 ) 尺寸 ( 长 * 宽 /mm) Arduino UNO 149.25 68.8*53.4 TelosB 850 63.75*32 BeagleBone Black 444 86.36*54.61 Raspberry Pi 3B 285 86*56 * 价格参考 2018 年 11 月淘宝平台 Seeed Studio 售价
2 能耗 物联网节点一般会周期性采集数据并上报数据到云平台, 或者不定时 间断地收到来自云平台的控制命令, 其他大部分时间基本都处于休眠状态, 以延长应用的生命周期 开发板 /MCU MCU 供电电压 (V) Arduino UNO/ATme ga328 TelosB/MSP 430 MCU 休眠能耗 MCU 工作能耗 5 1uA 1.5mA 2.1~3.6 0.1uA 330uA
2 能耗 n E = t i= 0 i p i 开发板 Arduino UNO MCU 供电电压 (V) E = + MCU 最低休眠能耗 MCU 工作能耗 1.8~5.5 0.11uA 0.2mA Arduino Uno:1s 时间,0.5s 休眠,0.5s 工作,5V 工作 = 6 3 0.5*(1*0.1*10 *5) 0.5*(1*0.20*10 *5) 3 0.50025*10 ( J )
3 运算速度和内存大小 平台运算速度 MCU 时钟主频 平台内存 RAM( 存数据, 易失性 ) Flash( 存程序, 非易失性 ) 开发板 /MCU Arduino UNO/ATmega328p MCU 主频 位数 RAM Flash 16MHz 8 2KB 32KB TelosB/MSP430 8MHz 8 10KB 48KB BeagleBone Black/AM3358 Raspberry Pi 3B/BCM2837 1GHz 1.2GHz 64 32 512MB 1024M B 由外接 SD 卡决定由外接 SD 卡决定
4 接口类型 : 物理接口 接口类型 引脚 : 单独的数据接口 GND 接口和 VCC 接口 连接套接口 (Grove port): 将 GND VCC 和数据线并排在一起组合成的套接口
4 接口类型 : 物理接口 连接方式 杜邦线连接 : 各引脚分别单独连接, 过程复杂, 易接错 连接套接口 (Grove port) 连接 : 外设接入容易, 不易出错 主板的接口数量和类型直接决定了硬件平台允许接入的设备数量和类型
4 接口类型 : 通信协议 1. 数字信号 (Digital): 使用序列离散值表示数据的信号 抗干扰能力强 编码模式多样 不归零编码 (NRZ) 归零编码 (RZ) 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码
4 接口类型 : 通信协议 2. 模拟信号 (Analog): 使用模拟量表示数据的信号 表示物理世界中随时间变化的连续变量, 例如声音 压力 光照强度等 处理器并不能直接解析模拟信号所表示的数据, 一般需要借助模拟数字转换器 ( ADC,Analog to Digital)
4 接口类型 : 通信协议 3. PWM(Pulse-width modulation): 基于数字信号的脉冲调制技术 组成 : 频率, 占空比 用途 : 一般用于控制 LED 灯或电机功率, 降低能耗
4 接口类型 : 通信协议 4. UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter): 用于异步逐位传输数据的全双工通信接口标准 全双工 : 设备可以通过两个引脚 RX 和 TX 同时收发数据 异步 : 没有时钟同步, 收发方规定好数据位长和传输波特率即可开始通信
4 接口类型 : 通信协议 4. UART 数据传输 为了保证数据正确传输, 收发双方必须在传输开始和结束设置统一的标志位和波特率 为了保证数据正确解析, 收发双方除了需要统一波特率之外, 还需要保证接收方具有足够大小的接收缓冲区
4 接口类型 : 通信协议 5. I2C(Inter Integrated Circuit):Phillips 公司推出的高性能串行总线 两根传输线 双向数据传输的 SDA(serial data) 数据线, 用于数据同步的 SCL(serial clock ) 时钟线 多设备支持 半双工 总线调度采用先来先服务方式
4 接口类型 : 通信协议 5. I2C 属性 数据属性 标准模式 (Sm) 地址表示 传输速率 (bps) 快速模式 (Fm) 增强快速模式 (Fm+) 高速模式 (Hs- Mode) 100k 400k 1M 3.4M 最大长度 (m) 支持设备数 7.62 127 高七位代表从设备地址 低一位表示数据传输方向, 0 表示写, 1 表示读
4 接口类型 : 通信协议 5. I2C 数据传输 步骤一 : 主机请求 I2C 总线与对应地址的从设备通信, 从设备响应总线
4 接口类型 : 通信协议 5. I2C 数据传输 步骤二 : 当 SCL 保持高电平时, 主设备将 SDA 从 1 跳变到 0, 表示开始传输数据, 总线进入 忙 状态 ; 当 SCL 保持高电平时, 主设备将 SDA 从 0 跳变到 1, 表示数据传输结束, 总线进入 闲 状态
4 接口类型 : 通信协议 6. SPI(Serial Peripheral Interface): 高速 全双工 同步的通信总线 四个引脚 MOSI( 主设备输出从设备输入 ),MISO( 主设备输入从设备输出 ),SCLK( 同步数据传输的时钟线 ),CS( 从设备使能信号, 由主设备 MCU 控制 ) 控制寄存器 四种工作模式
4 接口类型 : 通信协议 6. SPI 数据传输 通过波特率寄存器配置数据传输率 波特率分频因子 BRD 和波特率 BR 计算公式 BRD= ( SPPR+1) 2 SPR+ f BR= BUS BRD 如果当前时钟频率为 25MHz,SPPR 和 SPR 都是 000 BRD= 0+1 2 (0+1) =2 BR= 25M 2 =12.5Mbps ( 1) 时钟频率
5 安全性 哈佛结构和冯诺依曼结构 熔丝位熔丝位是一种用于保护板载程序的设计 一般用来一次性编程, 在成品出售前都会采用支持熔丝位的单片机烧写程序 程序一旦烧入开发板, 熔丝位烧断, 之后板子上的程序不可擦除也不可读取 看门狗由于可能会受到外接电磁场的干扰, 开发板上的程序可能会跑飞而陷入死循环, 所以一般的开发板都会有看门狗作为硬件复位工具 当看门狗检测到程序跑飞时会让开发板复位, 让程序从头开始运行
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常见的物联网硬件平台 1 传感节点平台 (TelosB 等 ) 集成度高 功耗低 2Arduino 平台 适合应用快速开发 物联网教学实验 3BeagleBone 平台 可扩展性极高 4 树莓派平台 适合做数据处理 复杂计算
最早的传感节点研究
传感器节点的发展缓慢 技术发展不均衡 功耗的制约 成本的制约
代表性传感器节点平台 传感器节点平台版本 第一代 处理器处理器位代表平台 RAM Flash 频率数 Mica 4 MHz 8 4 KB 128 KB MicaZ 4 MHz 8 4 KB 128 KB 第二代 TelosB 4 MHz 16 10 KB 48 KB Firestor 48 MHz 32 64 KB 512 KB m 第三代 Imote2 104MHz 32 256KB 32MB Hamilton 48 MHz 32 32 KB 256 KB
传感器节点平台使用案例 TinyOS 操作系统 UCB 开发的开源嵌入式操作系统, 专门针对嵌入式无线传感网络领域 操作系统 库和程序服务程序都是用 nesc 写的 其上的应用开发也是基于 nesc 的, 同一应用可以在不同开发节点间快速移植 室内环境监测应用案例 用于实时监测室内温度和湿度 基于 TinyOS 操作系统和 TelosB 节点
传感器节点平台使用案例 - 室内环境检测 步骤一 : 确定所需的组件 - 温度湿度 在原有项目 Blink 基础上添加温度 湿度 串口组件, 并将组件绑定到事件 // BlinkAppC.nc #include <printf.h> configuration BlinkAppC{ } implementation{ components MainC, BlinkC; components new TimerMilliC() as Timer2; components PrintfC; components SerialStartC; BlinkC -> MainC.Boot; BlinkC.Timer2 -> Timer2; components new SensirionSht11C() as Temperature; BlinkC.Temperature -> Temperature.Temperature; components new SensirionSht11C() as Humidity; BlinkC.Humidity -> Humidity.Humidity; }
传感器节点平台使用案例 - 室内环境检测 步骤一 : 确定所需的组件 - 温度湿度 在原有项目 Blink 基础上添加温度 湿度 串口组件, 并将组件绑定到事件 // BlinkC.nc #include "Timer.h" #include "printf.h" module BlinkC @safe() { uses interface Timer<TMilli> as Timer2; uses interface Boot; uses interface Read<uint16_t> as Temperature; uses interface Read<uint16_t> as Humidity; } implementation{ event void Boot.booted() { call Timer2.startPeriodic( 250 ); } event void Timer2.fired() { call Temperature.read(); call Humidity.read(); } event void Temperature.readDone(error_t error, uint16_t data){ uint16_t temp; if (error == SUCCESS){ temp = (data/10) -400; printf("temp: %d.%d\n", temp/10, temp>>2); } } event void Humidity.readDone(error_t error, uint16_t data){ uint16_t hum; if (error == SUCCESS){ hum = data*0.0367; hum -= 2.0468; if (hum>100) hum = 100; printf("hum: %d\n", hum); } } }
传感器节点平台使用案例 - 室内环境检测 步骤二 : 编写 Makefile COMPONENT=BlinkAppC CFLAGS += -DTOSH_DATA_LENGTH=114 CFLAGS += -DPRINTF_BUFFER_SIZE=1500L CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=18 CFLAGS += -DPRINTF_BUFFER_SIZE=1500L CFLAGS += -I$(TOSDIR)/lib/net \ -I$(TOSDIR)/lib/net/drip \ -I$(TOSDIR)/lib/net/4bitle \ -I$(TOSDIR)/lib/printf \ -I../libs/ctp #-DNO_DEBUG TFLAGS += -I$(TOSDIR)/../apps/tests/TestDissemination \ -I$(TOSDIR)/../support/sdk/c \ -I$(TOSDIR)/types \ -I. include $(MAKERULES)
传感器节点平台使用案例 - 室内环境检测 步骤三 : 连接开发板到电脑, 使用 motelist 命令查看开发板是否接入 $:~/tinyos$ motelist Reference Device Description ---------- ---------------- --------------------------------------------- XBTOM4UK /dev/ttyusb0 XBOW Crossbow Telos Rev.B
传感器节点平台使用案例 - 室内环境检测 步骤四 : 编译程序并烧写程序至开发板 $:~/tinyos$ make telosb install bsl,/dev/ttyusb0 MSP430 Bootstrap Loader Version: 1.39-goodfet-8 Mass Erase... Transmit default password... Invoking BSL... Transmit default password... Current bootstrap loader version: 1.61 (Device ID: f16c) Changing baudrate to 38400... Program... 14052 bytes programmed. Reset device... rm -f build/telosb/main.exe.out build/telosb/main.ihex.out
传感器节点平台使用案例 - 室内环境检测 步骤五 : 打开 tinyos 对应的 java 串口工具, 查看实时采集的温度 湿度 $:~/tinyos$ java net.tinyos.tools.printfclient -comm serial@/dev/ttyusb0:telosb Thread[Thread-1,5,main]Error loading the TinyOS JNI libraries the conventional way! Attempting to load library 'toscomm' The operating system is 'Linux' (amd64) Trying to locate the file 'linux_amd64_toscomm.lib' in the classpath Temporary file created: '/tmp/toscomm3597737517346343699.lib' Library copied successfully. Let's load it. Library loaded successfully serial@/dev/ttyusb0:115200: resynchronising Temp: 26.65 Hum: 39 Temp: 26.65 Hum: 39 Temp: 26.65 Hum: 39
Arduino 系列平台 2005 年, 第一块 Arduino 问世 Arduino 名字来源于意大利一家酒吧 不仅仅是一块开发板, 还包括软件 开发团队 开源社区和设计原理等
Arduino 平台特点 上手容易 :Arduino 设计初衷是为学生提供一款便宜又好用的开发平台, 为了达到此效果,Arduino 对底层电路做了很高的封装 开发简单 :Arduino 为旗下多块不同型号的开发板提供了统一的编程接口, 相同应用可以在不同开发板间快速移植, 达到快速开发的效果 可扩展性强 :Arduino 盾板的出现使其功能和接口都可以得到扩展 低功耗 :Arduino 在众多硬件平台中算是一款低功耗平台, 其主频和其他性能还是远小于一些高性能平台例如树莓派和 BeagleBone 开源创新 :Arduino 以软硬件技术全部开源并使用 CC( Create Commons) 授权的方式让 Arduino 的灵魂出现在各类厂商的 Arduino 开发板中, 甚至个人都可以使用面包板加 AVR 处理器构建简单 Arduino 开发板
Arduino 开发板 开发板组成 微处理器 USB 串口 扩展插座 电源 代表性开发板尺寸与价格 开发板 价格 ( 元 ) 尺寸 ( 长 * 宽 /mm) Arduino UNO 149.25 68.8*53.4 Arduino Mega 2560 299 101.52*53.3
Arduino 处理器的演变
Arduino 体系结构 -AVR 内核 哈佛体系结构, 具有分离的数据寻址空间和程序寻址空间
Arduino 定时器 - 以 ATmega328 为例 包含三个定时器, 可以通过定时器中断的方式实现多线程 可以产生 PWM 信号 定时器 2 的异步运行模式能以系统时钟或外部信号之外的信号源驱动 位数 功能 定时器 0 8 计时中断 PWM 定时器 1 16 计时中断 PWM 定时器 2 8 计时中断 PWM 异步运行
Arduino 电源与能耗 -Arduino UNO ATmega328 供电电压在 1.8-5.5V 之间 Arduino 开发板休眠功耗为 25mW, 工作能耗为 125mW 最小供电电压 最高时钟频率 1.8V 4MHz 2.7V 10MHz 4.5V 20MHz
Arduino 扩展插座 Arduino 扩展插座提供连接外接设备的引脚 开发板上各通信协议的引脚数量 接口类型 Arduino UNO Arduino Mega 2560 Digital 14 54 Analog 6 16 PWM 6 14 UART 1 4 I2C 1 1 SPI 1 1
Arduino 盾板 盾板为 Arduino 提供了非常强大的扩展能力 Marc de Vinck 的创客盾板 Seeed Studio 系列的 Grove 扩展板 WiFi 功能 Grove Port SD 卡
其他主流 Arduino 开发板 MCU/ 时钟 Flash(KB Digital/Anal 体积 MCU 睡眠 开发版型号 频率 )/RAM(KB og/pwm/uart/ ( 长 * 宽 能耗 / 工 (MHz) ) I2C/SPI /mm) 作能耗 Arduino MICRO ATmega32 U4/16 32/2.5 14/12/7/1/1/ 1 48*17.7 0.35mA/1.1mA Arduino NANO ATmega32 8/16 32/2 14/8/6/1/1/1 45*18 0.1uA/0. 2mA Arduino ZERO ATSAMD21 G18/48 256/32 14/6/6/1/2/1 68*53 4.06uA/3.37mA Arduino GEMMA ATtiny85 /8 8/0.5 3/1/2/1/0/0 27.94*27. 94 0.1uA/30 0uA
Arduino 平台编程 统一编程接口 开发语言基于 C++, 在此之上封装了很多编程接口 使用 setup-loop 的代码结构 setup 是程序入口函数, 仅执行一次, 往往用于程序的初始化 loop 是 setup 执行完后紧接着执行的循环体 void setup(){ // put your setup code here, to run once: } void loop(){ // put your main code here, to run repeatedly: }
Arduino 平台编程 集成开发环境 -Arduino IDE 支持部分 Arduino 开发板的交叉编译 程序烧写和串口调试 支持 Windows Mac OS Linux 三种操作系统
Arduino 平台使用案例 - 室内环境检测 步骤一 : 打开 Arduino IDE( 官网下载地址 : https://www.arduino.cc/en/main/software), 编写应用程序代码 #include "DHT.h DHT dht(2, DHT11); 温湿度传感器数据引脚接开发板 2 号引脚 void setup() { Serial.begin(9600); dht.begin(); } void loop() { float h = dht.readhumidity(); float t = dht.readtemperature(); float l = analogread(a0); Serial.print("Humidity: "); Serial.println(h); Serial.print("Temperature: "); Serial.println(t); Serial.print("Light: "); Serial.println(l); delay(3000); } 初始化, 串口打印波特率为 9600 光照传感器数据引脚接开发板 A0 号引脚 每间隔 3 秒打印一次环境数据
Arduino 平台使用案例 - 室内环境检测 Arduino 接入盾板后数字引脚 2 和 A0 的位置如下图所示, 需要将对应的传感器接入对应的 Grove port 接口
Arduino 平台使用案例 - 室内环境检测 步骤二 : 导入 DHT11 库 ( 温湿度传感器驱动库下载地址 : https://github.com/seeed- Studio/Grove_Temperature_And_Humidity_Sensor ), 将下载的库文件夹直接拷贝至 Arduino 安装目录下的 libraries 文件夹 步骤三 : 连接外设和开发板, 通过 USB 把开发板接至电脑
Arduino 平台使用案例 - 室内环境检测 步骤四 : 交叉编译 : 选择工具 -> 开发板 ->Arduino UNO, 点击验证
Arduino 平台使用案例 - 室内环境检测 步骤五 : 烧写程序 : 选择工具 -> 端口 (Arduino UNO 对应的端口可通过设备管理器查看 )
Arduino 平台使用案例 - 室内环境检测 步骤六 : 打开串口, 设置波特率为 9600, 查看实时监测的室内环境数据
目录 物联网硬件平台概述 常见的硬件平台 最近研究进展 57
研究进展 高性能 智能硬件 边缘计算的发展对硬件处理能力提出了更高的要求 随着处理器工艺的进步, 芯片计算能力增强, 功耗降低 目前最新发布用于边缘计算的芯片有谷歌的 Edge TPU, 华为的昇腾 310 等 谷歌的 Edge TPU 开发板
研究进展 模块化 提高硬件可定制性 开发者可选择不同的模块搭建适合应用的硬件平台 提高模块可重用性 避免重复设计相同功能的电路模块
研究进展 [IPSN 18]The Signpost Platform for City-Scale Sensing 控制模块 电源模块 通信模块 环境感知模块
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