第4章物联网智能设备与嵌入式技术
嵌入式系统和物联网：两种技术的融合及应用
嵌入式系统和物联网：两种技术的融合及应用一、介绍嵌入式系统和物联网是当前信息技术领域中非常重要的两种技术。
嵌入式系统是一种专门针对特定应用领域而设计的计算机系统，它通常包括硬件和软件两部分，用于控制、监控和处理各种设备和系统。
而物联网则是一种通过无线传感器网络和互联网技术，实现各种物理设备间的互联互通，形成一个庞大的互联网。
嵌入式系统和物联网在不同领域内有着广泛的应用，例如工业控制、医疗器械、智能家居、智慧城市等。
随着科技的不断发展和进步，嵌入式系统和物联网技术也在不断演进和融合，这种融合不仅扩展了它们的应用领域，也带来了更多的创新和可能。
二、嵌入式系统和物联网的融合1.嵌入式系统在物联网中的作用在物联网中，嵌入式系统起着重要的作用。
它们可以作为各种物联网终端设备的核心控制器，负责数据采集、处理和传输。
通过嵌入式系统，各种物理设备可以与互联网进行连接，实现信息的交换和处理，实现智能化和自动化控制。
同时，嵌入式系统也可以根据不同的应用场景进行定制化设计，以满足不同设备和系统的需求。
2.物联网对嵌入式系统的挑战物联网对嵌入式系统提出了更高的要求。
首先，由于物联网终端设备通常需要长时间工作，对于稳定性和可靠性有着更高的要求，而这正是嵌入式系统所擅长的领域。
其次，随着物联网设备的不断增多和连接的规模的扩大，对于嵌入式系统的通信、能耗和网关等方面的要求也越来越高。
因此，嵌入式系统需要不断创新和改进，以满足物联网的需求。
3.嵌入式系统和物联网的融合为了更好地满足物联网的需求，嵌入式系统和物联网技术之间的融合不断深化和拓展。
首先，嵌入式系统的技术不断向物联网领域延伸，例如低功耗、小型化、多样化的嵌入式系统平台不断涌现，以满足物联网设备的需求。
其次，物联网技术的发展也在推动嵌入式系统的创新和发展，例如各种新型通信技术、云计算和大数据分析等，为嵌入式系统提供更多的可能性。
三、嵌入式系统和物联网的应用1.工业控制在工业领域中，嵌入式系统和物联网技术的融合被广泛应用。
嵌入式系统开发技术：使用代码构建物联网和智能设备
嵌入式系统开发技术：使用代码构建物联网和智能设备嵌入式系统开发技术在物联网和智能设备的构建中扮演着重要角色。
嵌入式系统是专门设计用于控制设备和执行特定任务的电子设备，其硬件和软件都是为特定应用而定制。
通过嵌入式系统开发技术，我们可以实现物联网中的传感器和执行器与云端数据交互，以及智能设备的各种功能和特性。
一、物联网的构建1.传感器的集成和数据采集嵌入式系统可以集成各种传感器，如温度传感器、湿度传感器、光照传感器等。
通过相关编程技术，可以实现这些传感器的数据采集，并进行处理和存储。
嵌入式系统可以根据采集到的数据做出相应的反应，例如控制执行器的动作或发送数据到云端。
2.通信模块的集成物联网中的设备需要与云端进行数据交互，这就需要嵌入式系统集成相应的通信模块，如Wi-Fi模块、蓝牙模块、LoRa模块等。
这些通信模块可以实现设备与设备之间的通信、设备与云端之间的通信、设备与手机等终端之间的通信等。
3.系统安全嵌入式系统需要具备一定的系统安全性，以防止被恶意攻击或未经授权的访问。
嵌入式系统开发技术可以通过加密技术、身份验证、访问控制等手段来保障系统的安全性。
4.数据分析与决策物联网中的设备生成的海量数据需要进行分析和处理，以提取有价值的信息。
嵌入式系统开发技术可以通过数据处理算法、机器学习等技术，对数据进行分析，并做出相应的决策，如自动控制设备的运行、优化能源消耗等。
二、智能设备的构建1.人机交互界面设计智能设备需要具备友好的人机交互界面，以方便用户操作和使用。
嵌入式系统开发技术可以实现触摸屏、语音识别、手势识别等技术，为用户提供便捷的交互方式。
2.数据处理和算法实现智能设备需要对采集到的数据进行处理和分析，在此基础上实现各种功能和特性。
嵌入式系统开发技术可以使用各种算法，如图像处理算法、声音识别算法等，对数据进行分析和处理，以实现智能设备的各种功能。
3.多模块集成智能设备往往需要整合多个模块和技术，如传感器、通信模块、处理器、存储器等。
物联网与嵌入式系统
物联网与嵌入式系统物联网（Internet of Things, IoT）是指通过各种物理设备、传感器、软件以及网络连接，实现设备之间的互联互通，并实现自动化和智能化的系统。
物联网的概念源于传统的嵌入式系统技术，通过将传感器和通信技术应用到嵌入式系统中，实现设备之间的互联互通，进一步推动了嵌入式系统领域的发展。
本文将重点讨论物联网与嵌入式系统的关系以及对于未来的影响。
一、物联网与嵌入式系统的关系物联网是基于嵌入式系统的发展演变而来的。
嵌入式系统是指嵌入到其他设备或系统中，以实现特定功能的计算机系统。
嵌入式系统通常由硬件和软件两个部分组成，其中硬件部分包括处理器、存储器、传感器等，软件部分包括操作系统、驱动程序、应用程序等。
而物联网则是通过将传感器、通信技术和云计算技术运用到嵌入式系统中，实现设备之间的互联互通。
具体来说，物联网通过使用传感器来感知环境中的各种数据，然后通过通信技术将这些数据传输到云平台或其他设备中进行处理和分析。
而嵌入式系统作为物联网的基础，承担了感知、控制和通信等关键任务。
嵌入式系统中的传感器可以收集各种物理量，比如温度、湿度、光照等，然后通过通信技术将这些数据传输到云端进行处理。
而云端则可以对这些数据进行分析和挖掘，进而实现对物理世界的智能化和自动化控制。
二、物联网与嵌入式系统的应用领域物联网与嵌入式系统的结合使得各种设备和系统可以实现互联互通，从而为各个行业带来了许多新的应用和机会。
1. 智慧城市：物联网与嵌入式系统的结合为城市管理提供了更加高效和智能的解决方案。
通过在城市中部署传感器和监控设备，可以实时感知和监测城市中的交通流量、环境污染、能源消耗等信息，从而优化城市的资源分配和管理。
比如，在交通管理方面，通过使用智能交通信号灯和智能停车系统，可以减少交通堵塞和车辆排放，提高交通运输效率。
2. 工业自动化：物联网与嵌入式系统的结合可以实现工业设备的互联互通和自动化控制，提高生产效率和质量。
物联网与嵌入式的区别
1、物联网和嵌入式有什么区别？嵌入式是一个技术领域，涉及面很广。
物联网属于一种技术规范。
嵌入式里的很多技术可以应用到物联网里。
物联网的发展离不开嵌入式软硬件的技术支持和进步。
物联网可以应用于很多领域，嵌入式技术也不仅仅是在物联网领域里使用。
嵌入式系统作为“物联网”的核心，是当前最热门最有前景的IT应用领域之一。
物联网其实就是把所有的物体都连在网络上，这些就是要通过嵌入式系统来实现的。
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，是互联网与嵌入式系统发展到高级阶段的融合。
作为物联网重要技术组成的嵌入式系统，嵌入式系统视角有助于深刻地、全面地理解物联网的本质。
这有两层意思：第一，物联网的核心仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，必须具备嵌入式系统构建的智能终端。
因此，物联网系统是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信的系统架构。
物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制，这就是我们今天所说的嵌入式系统所能做到的。
诚然，物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。
从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。
综上所述，物联网嵌入式系统有其鲜明的特征。
1、要有数据传输通路；2、要有一定的存储功能；3、要有CPU；4、要有操作系统；5、要有专门的应用程序；6、遵循物联网的通信协议；7、在世界网络中有可被识别的唯一编号。
这些鲜明的特征说明嵌入式系统已经成为物联网行业关键技术。
嵌入式系统技术是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。
经过几十年的演变，以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见；小到人们身边的MP3,大到航天航空的卫星系统。
物联网智能设备与嵌入式技术培训课件
• 嵌入式系统已经用于工业、农业、军事、家电等各个 领域
• 物联网环境中的各种智能设备都需要采用嵌入式技术 来进行设计与制造
• 嵌入式系统的设计理论、方法与工具是物联网研究的 理论基础，具有重要的借鉴与指导作用。
• 很多种智能手机已经嵌入了RFID标签芯片与 传感器芯片，成为物联网中重要的移动通信、 移动计算与位置服务的设备
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
4.1.5 智能家电
• 未来的智能家电向智能化、自适应和网络化方 向发展，智能家电将成为物联网中智慧家居应 用中主要的组成单元
• 可以接入互联网或移动通信网的智能家电称为 “网络家电”
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4.1 智能设备的研究与发展 4.1.1 个人计算机PC
• IBM PC、图形工作站、台式机、笔记本计算机、一体 机与iPad
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4.1.2 个人数字助理PDA
• 各种形式的PDA
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4.1.3 GPS接收机
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4.4.3 RFID中间件的概念与结构
• RFID中间件结构示意图
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4.5 无线传感器网络节点设计* 4.5.1 无线传感器节点的结构
• 无线传感器节点结构
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4.5.2 无线传感器网络节点设计原则
• 微型化与低成本 • 低功耗 • 灵活性与可扩展性 • 鲁棒性 传感器节点各部分能量消耗情况
• 第四阶段：基于网络操作的嵌入式系统 发展阶段
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
软件工程中的物联网与嵌入式系统
软件工程中的物联网与嵌入式系统物联网和嵌入式系统是当今软件工程领域中非常重要的概念和技术。
它们的结合与应用为我们的生活带来了巨大的便利和改变。
本文将探讨物联网和嵌入式系统在软件工程中的作用与挑战。
一、物联网的概述物联网（Internet of Things，简称IoT）是指通过互联网连接、通信和共享数据的一系列设备、传感器和物体组成的系统。
物联网的基本构成包括感知层、网关层、网络层和应用层。
感知层通过各种传感器和设备获取环境数据，网关层进行数据的处理和传输，网络层负责数据的传递和通信，应用层实现各种功能和应用。
二、嵌入式系统的概述嵌入式系统（Embedded System）是指内嵌在其他设备或系统中，以完成特定任务的计算机系统。
它通常包括处理器、内存、输入输出接口、操作系统和应用软件等组成部分。
嵌入式系统广泛应用于各个领域，例如智能手机、智能家居、汽车电子等。
三、物联网与嵌入式系统的关系物联网和嵌入式系统之间存在着密不可分的联系与依赖。
物联网借助嵌入式系统实现设备的感知、数据的处理和通信的能力。
嵌入式系统为物联网提供硬件支持和计算能力，并负责将各种传感器和设备与物联网相连接。
可以说，嵌入式系统是物联网的基础与关键。
四、物联网与嵌入式系统的应用物联网和嵌入式系统在各个行业和领域都有着广泛的应用。
例如，在智能家居领域，通过连接嵌入式系统的各种设备和传感器，我们可以实现灯光、温度、安防等的智能控制和管理。
在智能交通领域，嵌入式系统可以实现车辆的自动驾驶和交通管理等功能。
五、物联网与嵌入式系统的挑战随着物联网和嵌入式系统的快速发展，也面临着一些挑战和问题。
首先是安全和隐私问题，由于物联网连接了大量的设备和传感器，网络的安全和隐私保护成为了重要的议题。
其次是系统的稳定性和可靠性，嵌入式系统的错误或故障可能导致物联网系统的崩溃或数据的丢失。
还有就是标准和协议的统一性，物联网涉及到多个厂商和设备，需要制定一套统一的标准与协议。
嵌入式系统和物联网：两种技术的融合及应用
嵌入式系统和物联网：两种技术的融合及应用嵌入式系统和物联网是两种独立的技术，它们分别在不同领域有着广泛的应用。
然而，随着科技的不断发展，人们发现将这两种技术融合在一起可以产生更大的价值和更广泛的应用。
本文将探讨嵌入式系统和物联网的融合及其应用，从理论基础、技术特点、融合方式和应用案例等方面进行详细介绍。
嵌入式系统是一种嵌入在特定系统中的计算机系统，它通常由处理器、存储器、输入输出设备和操作系统等组成，用于控制和运行特定的硬件设备。
嵌入式系统具有高度可靠性、实时性和低功耗等特点，适用于诸多领域，如工业控制、车载系统、医疗设备等。
物联网是一种通过无线传感器和互联网技术将各种设备和物体连接起来的网络系统，可以实现设备间的信息共享和智能控制。
物联网技术可以应用于智能家居、智能城市、智能交通等领域，为人们的生活和工作提供便利。
嵌入式系统和物联网的融合可以将它们各自的优势发挥到极致，并且产生更多的应用场景。
首先，嵌入式系统可以作为物联网的节点设备，通过传感器和执行器实现对环境和设备的监测和控制。
其次，物联网可以为嵌入式系统提供更广阔、更快捷的通信网络，使得嵌入式系统可以与互联网进行即时通信和信息交换。
最后，嵌入式系统和物联网的融合还可以实现对大规模设备和系统的集中管理和控制，为企业和个人提供更高效的运营模式。
在工业控制方面，嵌入式系统和物联网的融合将带来许多创新应用。
例如，通过部署大量的嵌入式传感器和执行器，可以实时监测生产设备的状态和生产过程的各种参数，从而实现智能制造。
而物联网技术可以将这些传感器和执行器连接起来，形成一个大规模的智能工厂网络，实现设备间的协同工作和自动化控制。
这样的工业控制系统不仅可以提高生产效率，还可以降低能耗和人力成本，是工业升级的重要手段。
在智能家居和智能城市方面，嵌入式系统和物联网的融合也有着巨大的潜力。
通过将各种家用设备和城市基础设施连接到物联网上，可以实现对这些设备和设施的远程监测和控制，实现节能、安全和便利等目标。
物联网与嵌入式系统
物联网与嵌入式系统引言物联网（Internet of Things，简称IoT）和嵌入式系统是当今数字化时代中非常重要的两个概念。
随着科技的不断进步，物联网和嵌入式系统已经在我们的生活中扮演着越来越重要的角色。
本文将介绍物联网和嵌入式系统的概念、原理以及它们在现实生活中的应用。
一、物联网的概念物联网是指通过互联网将现实世界中的各种物理设备连接起来的网络。
这些设备可以是智能手机、家用电器、汽车、传感器等等。
这些设备通过无线或有线的方式与云端服务器进行通讯，能够收集、分析和共享数据。
物联网的目标是实现物与物之间、人与物之间的互联互通。
物联网的基本构成包括物理设备、传感器、通信网络和云计算平台。
物理设备是指各种各样的智能设备，比如智能手机、智能电视等。
传感器是物联网的重要组成部分，用于感知和采集环境数据。
通信网络则是连接各个设备的媒介，可以是无线网络、蓝牙、以太网等。
云计算平台则提供数据存储、分析和处理的能力。
二、嵌入式系统的概念嵌入式系统是指被嵌入到各种设备或系统中的计算机系统。
这些计算机系统通常被设计用于特定的应用领域，比如汽车、医疗设备、工业控制系统等。
嵌入式系统通常具有小型、高效、低功耗等特点。
与传统的通用计算机系统不同，嵌入式系统的硬件、软件和应用紧密集成，以满足特定的需求。
嵌入式系统的核心是处理器芯片，通常使用专门设计的嵌入式处理器。
嵌入式系统还包括各种外设接口、存储器、操作系统和应用软件。
与物联网不同，嵌入式系统通常是独立工作的，不直接与其他设备进行通讯。
三、物联网与嵌入式系统的关系物联网和嵌入式系统之间存在密切的关系。
物联网的核心是连接各种物理设备，而这些设备中的很多都是嵌入式系统。
嵌入式系统提供了物联网所需的计算和控制能力。
物联网通过连接嵌入式系统，实现了各种设备之间的互联互通，使得我们的生活更加智能、便利。
物联网和嵌入式系统的进一步发展将进一步推动科技的进步。
随着各种新型传感器的发展和嵌入式处理器的升级，物联网将能够更好地感知和采集环境数据，提供更精确、实时的信息。
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而价格下降一倍 • 用一个美元所能买到的计算机性能，每
隔18个月翻两番
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4.2.4 SoC研究与应用
• SoC芯片与集成电路的关系示意图
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补充：微电子学发展历史
18
4.3 嵌入式技术的研究与发展 4.3.1 环境智能化与嵌入式系统
可穿戴计算的研究及其 在物联网中的应用
智能机器人的研究及其 在物联网中的应用
2
4.1 智能设备的研究与发展
• 嵌入式系统（Embedded System）也称作“嵌入式计算机 系统（Embedded Computer System）”
• 它是针对特定的应用，剪裁计算机的软件和硬件，以适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求 的专用计算机系统
• 很多种智能手机已经嵌入了RFID标签芯片与 传感器芯片，成为物联网中重要的移动通信、 移动计算与位置服务的设备
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Today
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4.1.5 智能家电 • 未来的智能家电向智能化、自适应和网络化方
向发展，智能家电将成为物联网中智慧家居应 用中主要的组成单元 • 可以接入互联网或移动通信网的智能家电称为 “网络家电” • 智能家电可以实现互联组成一个家庭内部网络， 可以与互联网连接 • 智能家电研究的对象主要是电视、冰箱、空调、 洗衣机与照明设备等 • 实现网络家电连接的技术主要是蓝牙、红外、 电力线、双绞线等
• 未来98%的计算设备将工作在嵌入式系统中 • 嵌入式系统是将计算与控制的概念联系在一
起，并嵌入到物理系统之中，实现“环境智 能化”的目的 • 无线传感器网络、RFID应用系统是嵌入式技 术在实现“环境智能化”方向迈出了一大步
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4.3.2 嵌入式系统的基本概念
• 微型机应用和微处理器芯片技术的发展为嵌 入式系统研究奠定了基础
• 嵌入式系统已经用于工业、农业、军事、家电等各个领域 • 物联网环境中的各种智能设备都需要采用嵌入式技术来进
行设计与制造 • 嵌入式系统的设计理论、方法与工具是物联网研究的理论
基础，具有重要的借鉴与指导作用。
3
4.1 智能设备的研究与发展 4.1.1 个人计算机PC
• IBM PC、图形工作站、台式机、笔记本计算机、一体 机与iPad
• 电子工业产值的增长速率是国民经济总产值增 长速率的3倍，微电子产业的增长速率又是电 子工业增长速率的2倍
• 国民经济总产值每增加100~300元，就必须有 10元电子工业和1元集成电路产值的支持
• 集成电路对国民经济的贡献率远高于其他门类 的产品，以单位质量钢筋对GDP的贡献为1计 算，小汽车为5，彩电为30，计算机为1000， 而集成电路的贡献率则高达2000
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4.2.2 微电子技术的发展 • 从电子管到晶体管的发展过程
14
4.2.3 集成电路的研究与发展 • 从使用分立元器件的电路单元到集成电路芯片
由分立器件与元件 组成的电路板
15
具有相同功能 的集成电路芯片
摩尔定律的基本内容： • 集成电路的集成度每18个月就翻一番 • 特征尺寸每3年缩小1/2
9
10
11
4.1.6 数字标牌
• 数字标牌（Digital Signage）是一种新的专业多媒体视 听系统，体现出一种全新的媒体概念，同时也是物联网 应用系统与人通过视觉交互的工具
• 数字标牌在智慧城市与智能交通中的应用示例
12
4.2 嵌入式技术发展的基础—集成电路 4.2.1 微电子技术和产业发展的重要性
• 第三阶段：以嵌入式操作系统为标志的阶段 • 第四阶段：基于网络操作的嵌入式系统发展
阶段
21
22
4.4 RFID读写器与中间件软件设计* 4.4.1 RFID应用系统结构与工作原理
• RFID应用系统原理构 与设计方法
典 型 手 持 式 RFID 读 写 器 结 构
第4章 物联网智能设备 与嵌入式技术
1
第
4 章 知 识 点 结 构
智能信息设备的研究与发展 嵌入式技术发展基础—集成电路
嵌入式技术的研究与发展
环境智能化 与嵌入式技术
嵌入式系统 的基本概念
嵌入式系统 的发展
物联网典型嵌入式系统设计方法
RFID标签读写器 结构与应用软件设计*
无线传感器节点结构 与应用软件设计*
功耗 (毫瓦)
通信 15
10
5
0
传感器 处理器
发送
接收
空闲
休眠
27
4.5.3 无线传感器网络节点硬件设计
• 传感器节点硬件部件之间关系示意图
4
4.1.2 个人数字助理PDA
• 各种形式的PDA
5
4.1.3 GPS接收机
• 车载GPS导航仪、GPS手机与GPS手表
6
4.1.4 智能手机
• 智能手机将是物联网中一种重要的智能终端设 备，很多物联网应用系统的用户终端设备是基 于智能手机操作系统平台上开发的
• 智能手机与个人计算机一样，具有自己独立的 嵌入式操作系统，可以由用户自行安装软件、 游戏等第三方服务提供商的程序
• 嵌入式系统的发展适应了智能控制的需求 • 嵌入式系统的发展促进了芯片、操作系统、
软件编程语言与体系结构研究的发展 • 嵌入式系统的研究体现出多学科交叉融合的
特点
20
4.3.3 嵌入式系统发展的过程
• 第一阶段：以可编程序控制器系统为核心的 研究阶段
• 第二阶段：以嵌入式中央处理器CPU为基础、 简单操作系统为核心的阶段(eg.PLC)
24
4.4.3 RFID中间件的概念与结构
• RFID中间件结构示意图
数据与 状态报告
RFID 中间件
接收信息
RFID应用
应用接口 核心处理接口
设备接口
RFID硬件
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查询与 应用需求
发送指令
4.5 无线传感器网络节点设计* 4.5.1 无线传感器节点的结构
• 无线传感器节点结构
无线传感器节点n
无线传感器节点a
无线传感器节点i
无线传感器节点j 无线传感器节点k
感知信息
感知信息
无线传感器节点
传感器模块
传感器
AC/DC
处理器模块 处理器 存储器
网络层 模块
无线通信模块
介质访 问控制
模块
无线 收发器
模块
能量供应模块
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发送和接收 传感器数据
4.5.2 无线传感器网络节点设计原则
• 微型化与低成本 • 低功耗 • 灵活性与可扩展性 • 鲁棒性 传感器节点各部分能量消耗情况