物联网概论第3章物联网技术基础

物联网概论,2014年10月,第三章 物联网技术基础,目 录,3.1 传感器技术,3.2 常用传感器,物联网技术基础,3.3 MEMS技术,3.4 无线传感网络,3.5 无线网络技术,目 录,3.6 自动识别技术,3.7 定位技术,物联网技术基础,4,3.1 传感器技术,传感器和人们的日常生活密切相关,传感器具有的社会意义,传感器在经济建设中占据重要地位,5,3.1 传感器技术,随着住房私有化和住宅小区管理的推广，供热系统的规范化管理逐渐成为必需解决的重要问题，计算机应用领域的不断扩大和相应外围设备的不断完善为供热系统的自动化管理创造了条件。利用温度采集器对用户环境进行温度采样，并记录到数据库中作为收费依据，对于闲置和不需供热的房间自动关闭，并采用了计算机远程管理技术，大大提高了供热系统的自动化程度。,传感器在日常生活中的应用,车用传感器是汽车电子设备的重要组成部分，担负着信息收集的任务，在汽车电喷发动机系统、自动空调系统中，温度是需测量和控制的重要参数之一，发动机热状态的测量、气体及液体温度的测量，都需要温度传感器来完成。车用传感器是汽车计算机系统的输入装置，它把汽车运行中各种工况信息，如车速、各种介质的温度、发动机运转工况等，转化成电讯号输给计算机，以便发动机处于最佳工作状态。因而车用温度传感器是必不可少的。,6,3.1 传感器技术,利用适当的传感器，例如：压电传感器、加速度传感器、超声传感器、湿度传感器等，可以有效的建立一个三维立体的防护监测网络。该系统可以用于监测桥梁、高架桥、高速公路等道路环境。对许多老旧的桥梁、桥墩长期受到水流的冲刷，传感器能够放置在桥墩底部，用以感测桥墩的结构、桥墩被腐蚀情况等；也可以放置在桥梁两侧，搜集桥梁的温度、湿度、震动幅度等。有效减少断桥造成的生命财产损失。三峡大坝里一共埋设了万余台/只检测仪器和传感器，这些“眼睛”时刻监测三峡大坝是否稳定，有无沉降。,传感器在经济建设中的应用,7,3.1 传感器技术,尽管21世纪的人们并没有实现科幻小说中的某些预言。然而更为奇妙的场景很快便会成为现实：只需一台电脑和若干传感器，一切尽在掌控之中。你可以一边从个人pc中调控欣赏在平面电视上播放的影片，一边控制烤箱的温度，等待享受美味的下午茶，同时密切地监控与了解一切需要关注的信息：工作室里机器的运行，实验室里研究的进度，家中饮用水的成分和空气中或许可能出现有毒物质的示警，酒窖里不同位置的温度与湿度，私家公路的灯光调控，各类仪表的数据变更不会再有过火而败味的美食，更不会有小鬼当家中入室的匪徒，火灾和毒气泄漏都将最大程度地被防止，博物馆的馆长则不再担惊受怕地忧虑古董名画的命运。,8,3.1 传感器技术,传感器的定义 传感器的分类 传感器的应用,9,3.1传感器的定义,传感器（Sensor）的定义：国家标准GB 7665-87定义：传感器（Transducer/Sensor）为能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器材或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。,半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器！,10,3.1.1传感器的组成与结构,传感器的组成,11,3.1.1传感器的组成与结构,传感器的组成,敏感元件 直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某种物理量的元件。 转换元件 以敏感元件的输出为输入，将其转换成电信号输出。 变换电路 将电路参数接入转换电路，转换为电量输出。,12,3.1.1传感器的组成与结构,传感器的结构形式,传感器结构取决于其设计思想；而传感器设计的一个重点是信号选择方式，把所选信号的某方面性能在结构上具体化，以实现传感器的功能。,13,3.1.1传感器的组成与结构,传感器的结构形式,选择固定信号方式的传感器直接结构,选择补偿信号方式的传感器补偿结构,选择差动式信号方式的传感器差动结构,选择平均信号方式的传感器平均结构,选择平衡信号方式的传感器闭环结构,14,3.1.2 传感器的分类,常将传感器的功能和人类的5大器官相比较： 光敏传感器视觉 声敏传感器听觉 气敏传感器嗅觉 化学传感器味觉 压敏、温敏、流体传感器触觉,15,3.1.2传感器的分类,热敏元件,按感测元器件分类,力敏元件,光敏元件,磁敏元件,气敏元件,色敏元件,16,3.1.2传感器的分类,磁敏传感器，是感知磁性物体的存在或者磁性强度(在有效范围内)这些磁性材料除永磁体外，还包括顺磁材料(铁、钴、 镍及其它们的合金)当然也可包括感知通电(直、交)线包或导线周围的磁场。 磁敏传感器中，霍尔元件及霍尔传感器的生产量是最大的。它主要用于无刷直流电机（霍尔电机）中，这种电机用于磁带录音机、录像机、XY记录仪、打印机、电唱机及仪器中的通风风扇等。另外，霍尔元件及霍尔传感器还用于测转速、流量、流速及利用它制成高斯计、电流计、功率计等仪器。下图给出的是磁敏角度传感器。,17,3.1.2传感器的分类,物理类：基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。,化学类：基于化学反应的原理。,生物类：基于酶、抗体和激素等分子识别功能。,按感知外界的原理,18,3.1.2传感器的分类,日本制成多功能生物传感器，能测定血液和尿中的各种物质，如糖、蛋白质和胆固醇等。英国科学家研制一种如同一支钢笔大小的酶传感器。它可在瞬间测出汽车驾驶员血液中的酒精含量，大大方便了警察的执法。日本九州大学的科研人员研制出比人的舌头还要灵敏10倍的味觉传感器。利用传感器产生不同的电位差，从电位差的变化可了解产生味道的浓度。,19,3.1.2传感器的分类,机械量：如位移、力、加速度等,热工量：如温度、热量、流量、液位等,物理参量：浓度、密度、酸碱度等,按被测量类型分类,状态参量：偏差、裂纹、磨损等,20,3.1.2传感器的分类,Intel公司研制家庭护理的无线传感网络系统，用于对人体行为进行模式监测，如：坐、站、躺、行走、跌倒、爬行等。该系统在人体的特征部位安装多个传感器，系统实时的把人体因行动而产生的三维加速度信息进行提取、融合、分类，进而监控受监测人的行为模式。,21,3.1.2传感器的分类,结构型：通过传感器结构参量的变化实现信号变换,物性型：利用敏感元件材料本身的物性变化来实现 信号的变换。,按被信号转换特征分类,22,3.1.2传感器的分类,压电效应传感器- 是一种自发电式机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。,23,3.1.2传感器的分类,能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作,按能量关系分类,能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由被测 量的变化控制外部供给能量的变化。,24,3.1.2传感器的分类,电学式传感器,按工作原理分类,磁学式传感器,光电式传感器,电势型传感器,电荷传感器,25,3.1.2传感器的分类,光化学传感器是近年发展起来的一种新型微量和痕量分析技术，它把特定的化学物质的种类和浓度变成电信号来表示的功能元件。主要是利用光敏感材料与被测物质中的分子、离子或生物物质相互接触时直接或间接地引起电极电势等电信号的变化 ,使很少的化学物质加入体系后 ,会有放大了许多倍的信号被检出 ,以获得某种化学物质的浓度。目前,化学传感器的研究受到了广泛的关注,其灵敏度非常高 ,选择性好,携带方便,易微型化,能用于现场分析和监控等。因此在矿山开发、石油化工、生物医学及日常生活中越来越多的被用来作为易燃,易爆,有毒,有害气体的检测预报和自动控制装置,或用来测定多种含量极低的物质,甚至可以测量细胞中的离子浓度。医学上采用化学传感器作病情诊断及治疗过程的自动控制。,26,3.1.2 传感器的分类,美国加州大学圣迭戈分校的研究人员研发出了一种可应用于手机上的微型化学传感器，借助手机或其他无线通讯设备，这种被称为“硅鼻”的传感器可检测出空气中的有害气体，并自动发出气体的种类和传播范围等信息。其原理是在具有纳米孔的硅芯片上集成数百个独立的微型传感器，可辨别出特定的有毒气体分子并作出反应。,27,3.1.2传感器的分类,膺数字传感器：将被测量的信号量转换成频率信号或短周 期信号输出（包括直接或间接转换）。,按输出信号分类,模拟传感器:将被测量的非电学量转换成模拟电信号。,数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字输出信号 （包括直接和间接转换）。,开关传感器：当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时 传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。,28,3.1.3 传感器的综合应用,在汽车行业的应用,29,3.1.3 传感器的综合应用,在现代工业上的应用,现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各种参数，使设备工作在最佳或正常状态，并使产品达到质量要求。,钢铁企业应用各种传感器和通信网络，在生产过程中实现对加工产品的宽度、厚度、温度的实时监控，从而提高了产品质量，优化了生产流程。,30,3.1.3 传感器的应用,在家用电器领域的应用,如全自动洗衣机、电饭煲和微波炉等都离不开传感器。医疗卫生领域，电子脉博仪、体温计、医用呼吸机、超声波诊断仪、断层扫描（CT）及核磁共振诊断设备等，都大量地使用了各种各样的传感技术。,温度传感器广泛应用于室内空调、电冰箱和微波炉等家用电器中，它是利用热敏电阻的阻值随温度变化而变化的特性工作的.,31,3.1.3 传感器的应用,在军事国防领域的应用,在军事国防领域，各种侦测设备，红外夜视探测，雷达跟踪、武器精确制导等，没有传感器是难以实现的。,目前每架军用飞机需 20多种力学量传感器，对操纵杆拉力、起落着陆冲击力、发动机的推动力、救生装置弹射力、进气管压力场分布及动态中各种压力、振动、加速度、角加速度、位移等参量的测量，还要对过载和燃油密度及飞行员呼吸的流量等参数的测量，检测机舱内含氧量、舱内烟雾报警、机载火控系统的设计、隐型用传感器等。,32,3.1.3 传感器的应用,在航天领域的应用,在航空航天领域，空中管制、导航、飞机的飞行管理和自动驾驶着陆系统等，都需要大量的传感器。人造卫星的遥感遥测等都与传感器紧密相关。,“阿波罗10”的运载火箭部分，检测加速度、声学、温度、压力、振动、流量、应变等参数的传感器共有2077个，宇宙飞船部分共有各种传感器1218个。,33,3.2 常用传感器,(一)温度传感器,34,3.2 常用传感器,(二)湿度传感器,35,3.2 常用传感器,(三)电感式传感器,利用电磁感应将被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换,36,3.2 常用传感器,(四)压力传感器,利用传感器件在受外部压力时产生一定的内部结构变形或位移，转化为电特性的改变，产生相应的电信号，此即压电效应，故亦称压电传感器。,37,3.2 常用传感器,(五)光传感器,光敏电阻利用材料电阻率的光敏性来进行光探测。光电传感器则采用光电元件作为检测元件，它先将被测量的变化转换成光信号的变化，再利用光电元件将光信号转换成电信号。,38,3.2 常用传感器,(六)光栅式传感器,光栅式传感器也是光电效应传感器，受光照后产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。,39,3.2 常用传感器,(七)霍尔（磁性）传感器,霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感器。霍尔效应如图3-16：将一个金属或半导体材料薄片置于磁场中，当有电流通过时，由于形成电流的电子在磁场中运动而受到磁场力的作用力，会使材料中产生与电流方向垂直的电压差。可通过测量霍尔传感器产生的电压大小来计算磁场强度。,40,3.2 常用传感器,(七)化学传感器,化学传感器是指对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号的传感器。如CO、CO2、O2、H2S传感器、PH值传感器、酒精浓度传感器等。,41,3.2 常用传感器,(八)化学传感器,化学传感器是指对各种化学物质敏感并将其浓度转换为电信号的传感器。如CO、CO2、O2、H2S传感器、PH值传感器、酒精浓度传感器等。,42,3.2 常用传感器,(九)生物传感器,以被测目标与分子识别元件的相互作用方式进行分类有生物亲合型生物传感器（affinitybiosensor）等,43,3.2 常用传感器,(十)微波传感器,由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率变化；再利用接收天线接收通过被测物体或由其反射回的微波，将其转换成电信号，再经测量电路就实现了微波检测。,44,3.2 常用传感器,(十一)超声波传感器,由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率变化；再利用接收天线接收通过被测物体或由其反射回的微波，将其转换成电信号，再经测量电路就实现了微波检测。,45,3.2 常用传感器,(十二)MEMS陀螺仪传感器,MEMS陀螺中没有机械旋转器件，它主要利用振动来诱导和探测哥里奥利力，利用哥氏加速度对振动质量块的作用来检测惯性转动。如物体在圆盘上无径向运动，哥氏力不会产生。故在MEMS陀螺仪中，用质量块来回做径向运动或振荡，与此对应的哥氏力就不停地在横向来回变化。,46,3.2 常用传感器,(十三)多功能传感器,多功能传感器包含多个敏感元件，体积小巧且多种功能兼备，借助不同敏感元件中不同的物理结构或化学物质及其各不相同的表征方式，用一个传感器系统来同时实现多对象传感功能。,47,3.2 常用传感器,(十四)智能传感器,智能传感器（intelligent sensor或smart sensor）具有综合采集、处理与交换信息的能力，是传感器与微处理机相结合的产物。,48,3.2 常用传感器,(十四)常用智能传感器,智能压力传感器,智能液体浑浊度传感器,49,3.2 常用传感器,(十四)常用智能传感器,智能温湿度传感器,50,3.2 常用传感器,(十四)智能传感器,飞利浦推出了一种基于多功能智能传感器的自动真空吸尘器，其外观的俯、侧视如图。智能自动真空吸尘器是设有电线，侧面有多达32个红外智能传感器形成了缓冲装置，结合智能自动吸尘器下面的红外线传感器能帮助吸尘器探测和自动回避墙壁和地面上的障碍物，避开楼梯区域，防跌落。 通过集成摄像装置、多种传感器探测与收集的信息和驱动程序，使其能综合绘制房间地图并合理设计清洁路线。有此地图，智能吸尘器能清楚其目前所处位置、过去所处位置以及需要前往的位置，从而有效地清洁地面。红外线传感器则用于探测障碍物，自动绕行，故它能在家中自由来去，不会绊倒老人与孩子等。,51,3.3 MEMS技术,MEMS的基本概念 MEMS技术的特点 MEMS的加工工艺及制作 MEMS的分类,52,3.3.1 MEMS的基本概念,MEMS,Micro Electromechanical System，微机电系统,MEMS是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。,这种微电子机械系统不仅能采集、处理与发送信息或指令，还能按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。,53,3.3.2 MEMS的特点,微型化,MEMS的基本特点,低能耗、灵敏度和工作效率高,以硅为主要原料,可批量生产,集成化,学科上的交叉,应用上的高度与广泛,54,3.3.3 MEMS的起源,MEMS技术源于半导体和微技术加工领域的发展。半导体材料（特别是硅）对力、热、磁等多种信号有敏感特性，可用于开发集成电路的先进工艺技术。由于采用平面工艺，使之不断向微型化与集成化发展。而微机械加工（Micro Machining）技术的出现为MEMS奠定了基础，随加工技术不断扩充，水平不断提高，使制作硅微机械部件成为可能。1987年，加州大学伯克利分校的范龙生等人用表面微机械加工法制成了多晶硅齿轮，引起了国际学术界的震动。随后，汽车用微机械多路绝压传感器投入批量生产，标志MEMS技术作为一个应用型交叉学科的出现。,55,3.3.4 MEMS的制造工艺,微米/纳米技术包括了从亚毫米到亚微米范围的材料工艺和装置制造和集成，制造工艺包括光刻、刻蚀、淀积外延生长、扩散、离子注入、测试、监测与封装。纳米制造技术和工艺除了包括微米制造的一些技术如离子束光刻工艺外，还包括为利用材料特性而进行分子和原子级的加工与排列技术等。,56,3.3.5 MEMS的加工材料,MEMS所用材料一般为衬底材料和附加材料两类，目前衬底材料以硅为主。选用晶态半导体材料是因其具有性能优异、容易得到、有多种成熟的加工工艺、与晶面有关的各向异性使之适于微机械加工及具有集成有源电路等诸多优点。衬底材料也可是其他非半导体材料，包括金属、玻璃、石英、其他晶态绝缘体、陶瓷、塑料、高聚物以及其他有机和无机材料。,57,3.3.6 MEMS的分类及应用,传感MEMS技术 生物MEMS技术 光学MEMS技术 射频MEMS技术,58,3.3.6 MEMS的分类,传感MEMS技术,传感MEMS技术是指用微电子微机械加工出来的、用敏感元件如电容、压电、压阻、热电耦、谐振、隧道电流等来感受转换电信号的器件和系统。,59,3.3.6 MEMS的分类,传感MEMS技术的应用,计步表或计步器是利用三轴MEMS传感器实现健身和健康监测功能的代表性应用，在特定的情况下，计步器的传感器能够精确地测定在步行和跑步过程中作用在系统上的加速度，通过处理加速度数据，计步器显示用户走过的步数和速度，以及运动过程中所消耗掉的热量。,安全气囊在生死时刻的开启，就是根据多种MEMS加速度器采集的信号来控制的。这些芯片传感突然的减速，并在瞬间决定何时开启安全气囊。较新的MEMS陀螺仪甚至可以阻止翻车的发生。,60,3.3.6 MEMS的分类,生物MEMS技术,生物MEMS技术是用MEMS技术制造的化学或生物微型分析和检测芯片或仪器，将在衬底上制造出的微型驱动泵、微控制阀、通道网络、样品处理器、混合池、计量器、增扩器、反应器、分离器以及检测器等元器件并集成为多功能芯片。可以实现样品的进样、稀释、加试剂、混合、增扩、反应、分离、检测和后处理等分析全过程。,61,3.3.6 MEMS的分类,生物MEMS技术的应用,视网膜开刀时 ,大夫可将遥控机器人放入眼球内 ,在细胞操作、细胞融合、精细外科、血管、肠道内自动送药等方面应用甚广。MEMS的微小可进入很小的器官和组织，智能自动地进行细微精确的操作,大大提高介入治疗的精度,直接进入相应病变地进行工作,降低手术风险。同时 ,可进行基因分析和遗传诊断,利用微加工技术制造各种微泵、微阀、微摄子、微沟槽、微器皿和微流量计的器件适合于操作生物细胞和生物大分子。,62,3.3.6 MEMS的分类,光学MEMS技术,结合综合微电子、微机械、光电子技术等基础技术，开发新型光器件，称为微光机电系统(MOEMS)。它能把各种MEMS结构件与微光学器件、光波导器件、半导体激光器件、光电检测器件等完整地集成在一起，形成一种全新的功能系统。,63,3.3.6 MEMS的分类,光学MEMS技术的应用,在电信方面，由于光学MEMS制成的光学器件具有很好的效能，例如低插入损耗、优良的波长平坦度和极小的串扰，而且能提高整合度及器件规模(Scalability)，极适用于高性能的光纤网络。显示产业方面，包括整合式可配带的携带型设备，以及条形码扫描、自适应光学系统、商用印刷等等。,目前最成功的光学MEMS产品，是由TI的DLP专利技术所制造的微面镜器件。DLP芯片可说是目前最复杂的光源开关，它包含了最多达220万用铰链安装的微型运动镜面组成的矩形数组，每片微型镜面的大小都不超过人类头发丝厚度的五分之一，对应投影图像中的一个像素。,64,3.3.6 MEMS的分类,射频MEMS技术,射频MEMS技术就是利用MEMS技术制作各种用于无线通讯的射频器件或系统，包括各种无源器件如：片上高Q值谐振器，滤波器，微开关，微型天线以及电感、电容等。射频MEMS技术传统上分为固定的和可动的两类。固定的MEMS器件包括本体微机械加工传输线、滤波器和耦合器。可动的MEMS器件包括开关、调谐器和可变电容。,RF-MEMS,65,3.3.6 MEMS的分类,射频MEMS技术的应用,对一个多频道的通讯终端来说，要求滤波器同时具有窄的带宽，高的选择性、宽的调谐能力以及低的插入损耗是非常困难甚至不可能。在此情况下，只有利用开关将整个频域分成若干独立频段再通过滤波器进行选择。利用射频MEMS技术制作的微开关以其良好的电学和机械特性、高寿命、低损耗成为研究热点。,66,3.3.7 MEMS的发展前景,MEMS技术也正发展成为一个巨大的产业，多数工业观察家预测，未来5年MEMS器件的销售额将呈迅速增长之势，年平均增长率约为18%，因此对机械电子工程、精密机械及仪器、半导体物理等学科的发展提供了极好的机遇和严峻的挑战。,67,3.4 无线传感器网络,无线传感器网络概述 无线传感网络的结构 无线传感网协议 无线传感器网络的应用领域,68,3.4.1 无线传感器网络概述,无线传感网的内涵,无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。,69,3.4.1 无线传感器网络概述,无线传感网络发展经历的三个阶段,将计算能力嵌入到传感器中，使得传感器节点不仅具有数据采集能力，而且具有信息处理能力。,在智能传感器的基础上增加了无线通信能力，大大延长了传感器的感知触角，降低了传感器的工程实施成本。,将网络技术引入到无线智能传感器中，使得传感器不再是单个的感知单元，而是能够交换信息、协调控制的有机体，实现物与物的互联，把感知触角深入世界各个角落，成为下一代互联网及物联网的重要组成部分。,70,3.4.1 无线传感器网络概述,1996年，美国UCLA大学的William J Kaiser教授向DARPA提交的“低能耗无线集成微型传感器”揭开了现代WSN网络的序幕。,在其后的10余年里，WSN网络技术得到学术界、工业界乃至政府的广泛关注，成为在国防军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物结构监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等众多领域中最有竞争力的应用技术之一。,无线传感网络技术发展背景,71,3.4.2 无线传感器网络的系统结构和传感网节点,什么是无线传感网络？,无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。,72,3.4.2 无线传感器网络的系统结构和传感网节点,移动自组织网络是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，是移动计算机网络的一种，用户终端可以在网内随意移动而保持通信。,什么是移动自组织网络,73,3.4.2 无线传感器网络的系统结构和传感网节点,无线传感网络的特点,无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点。,74,3.4.2 无线传感器网络的系统结构和传感网节点,网络的构建必须具备三个要素： （1）感知对象 需要被感知的任何事物或环境参数。 （2）感知节点 既有感知功能，也有路由选择功能，用于检测周围事件或者环境参数。 （3）汇聚节点 即SINK，从传感器节点采集并处理检测数据。,传感器节点,75,3.4.2 无线传感器网络的系统结构和传感网节点,节点单元功能结构图,节点在无线传感网中可作为数据采集者、数据中转站或者簇头节点。作为数据采集者，它收集周围环境数据，通过通信路由协议直接或间接地将数据传递给远方基站或sink节点；作为数据中转站，它除了完成数据采集任务以外，还要接收邻居节点的数据，将其发送给距离基站更近的邻节点或直接发送到基站或sink节点；作为簇头节点，负责收集该簇内所有节点采集到的数据，经过数据融合后，发送到基站或者sink节点。,76,3.4.2 无线传感器网络的系统结构和传感网节点,通信体系,77,3.4.3 无线传感网网络结构和部署,无线传感网络的结构,78,3.4.3 无线传感网网络结构和部署,星状网 星状网的拓扑结构是单跳（single-hop）。如传统无线网络中，终端节点直接与基站进行双向通信，而彼此间不进行连接。基站节点可用PC、专用控制设备或其他与数据处理设备作通信网关，各终端节点也可按应用需求而各不相同。这种结构对传感网并不合适，因为传感器自身能量有限，如果每个节点都要保证数据的正确接收，则传感器节点需要以较大功率发送数据。当节点间较近时，会监测到相似或者相同的信息，这些冗余会增加网络负载。,79,3.4.3 无线传感网网络结构和部署,网状（Mesh）网 网状网拓扑结构是多跳的结构，所有节点都可直接通信。通过一定的算法，网络选择一条或者多条路由进行多跳数据传输。由于每个传感器节点都有多条路径可到达基站节点，其故障修复能力较强，系统以多跳代替了单跳传输，减少了每一个传感器节点发送数据所需的功率。但因网络节点数量多，分布随机、拓扑结构变化复杂，因此在网络中进行多跳路由查找以及路由维护和修复较困难。同时，传感器节点必须时刻保持“监听”状态，相应增加了网络能耗，减少了网络寿命。,80,3.4.3 无线传感网网络结构和部署,星状混合 混合网拓扑结构力求兼具星状网的简洁、易控以及网状网的多跳和自愈的优点，使得整个网络的建立、维护以及更新更加简单、高效。其中，分层式网络结构属于混合网中比较典型的一种，尤其适合节点众多的无线传感网的应用。在分层网中，整个传感器网络形成分层结构，传感器节点通过基站指定或者自组织的方法形成各个独立的簇（cluster），每个簇选出相应的簇首（cluster head），由簇首负责簇内所有节点的控制，并对簇内所收集的信息进行整合、处理，随后发送给基站。分层式网络结构既通过簇内控制，减少了节点与基站间远距离的信令交互，降低了网络建立的复杂度，减少了网络路由和数据处理的开销，同时又可通过数据融合降低网络负载，而多跳也减少了网络的能量消耗。,81,3.4.3 无线传感网络的结构和部署,无线传感网络的部署,（1）随机性部署：以撒布方式部署，节点随机分布，以Ad Hoc方式进行工作。 （2）确定性部署：预先确定部署方案和节点位置，路由预先选定。,（1）同构：所有的传感网节点具有相同的运算、存贮能力和能量。 （2）异构：传感网节点具有不同的能力和重要性。,82,3.4.4 无线传感网络协议,应 用 层,网 络 层,传 输 层,数 据 链 路 层,传感网络协议栈,传感网络分层结构,物 理 层,83,3.4.4 无线传感网络协议,物理层 物理层通信协议主要解决传输介质、传输频段的选择，无线收发器的设计，调制方式等问题。传感网使用的传输介质主要包括无线电、红外线、光波等，其中无线电是最主要的传输介质。使用这种介质需要解决频段选择、调制方式选择等问题。,84,3.4.4 无线传感网络协议,数据链路层 （1）逻辑链路子层这是数据链路层的上层部分，它为网络层提供统一接口。该子层通过在IP包上加了8位目的地址服务接入点和源地址服务接入点来保证在不同类型网络中传输。还有一个8或16位的控制字段用于流控制等辅助功能。 （2）MAC子层传感网的MAC协议旨在为资源（特别是能量）受限的大量传感器节点建立具有自组织能力的多跳通信链路，实现公平的通信资源共享，处理数据包之间的碰撞，重点是如何节能。,85,3.4.4 无线传感网络协议,86,3.4.4 无线传感网络协议,网络层 主要包括基于聚簇的路由协议、基于地理位置的路由协议、能量感知路由协议、以数据为中心的路由协议等。,87,3.4.4 无线传感网络协议,传输层 此处与传统网络的传输层担负的任务大致相同，负责端到端的传输控制。无线传感网与互联网或其他网络相连时，传输层协议尤其重要。因无线传感网的能量受限性、节点命名机制、以数据为中心等特征，使其传输控制较困难，故其传输层需要特殊的技术和方法。,应用层 应用层位于模型的最高层，为各类应用软件提供各种面向作业的支持。相应的协议主要针对各网络节点与应用层软件之间的通信，以及中间服务与应用层软件之间的通信，最终实现各种感知信息、应用信息、控制信息和管理信息等的有序使用。,88,3.4无线传感器网络的应用领域,环境的监测和保护 医疗护理 军事领域 生产作业,89,3.4无线传感器网络的应用领域,环境的监测与保护,英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器接入互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的条件。,无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。,它也可以应用在精致农业中，监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。,90,3.4无线传感器网络的应用领域,军事领域,由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，非常适用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。如美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行“智能灰尘”（Smart Dust）传感器技术的研发。,91,3.4无线传感器网络的应用领域,其他用途,英特尔正在对工厂中的一个无线网络进行测试，该网络由40台机器上的210个传感器组成，这样组成的监控系统将可以大大改善工厂的运作条件。它可以大幅降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，因此将能够缩短停机时间，提高效率，并延长设备的使用寿命。,92,3.5 无线网络技术,无线网络技术涵盖的范围很广，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术等。,想象一下这样一个无线校园网：学生们一边坐在草地上，惬意地喝着饮料，一边通过无线网络自由地与专家、老师进行网上讨论、访问图书馆电子资源；课堂上老师和学生可通过手持无线设备进行自由沟通和交流；奥运会比赛的时候，通过无线，全校所有师生可实时在校内任何地方看到赛事直播.,93,3.5.1无线网络的类型,无线广域网 无线城域网 无线局域网 无线个人网,根据数据的传输距离,94,无线广域网,无线广域网（WWAN）技术可使用户通过远程公用网络或专用网络建立无线网络连接。通过无线服务提供商负责维护的若干天线基站或卫星系统，这些连接可以覆盖广大的地理区域，例如若干城市或者国家和地区。,目前的WWAN 技术被称为第二代移动通信技术（2G）系统。2G系统主要包括移动通信全球系统（GSM）、蜂窝式数字分组数据（CDPD）和码分多址（CDMA）。现在正努力从 2G 网络向第三代移动通信技术（3G）过渡。,95,无线城域网,无线城域网（WMAN）技术使用户可以在城区的多个场所之间创建无线连接（如在一个城市或大学校园的多个办公楼之间），而不必花费高昂的费用铺设光缆、铜质电缆和租用线路。,WMAN使用无线电波或红外光波传送数据。,96,无线局域网,无线局域网（WLAN）技术可以使用户在本地创建无线连接（例如，在公司或校园的大楼里，或在某个公共场所，如机场、宾馆、酒店、候车室等）。,97,无线个人网,主要的 WPAN 技术是蓝牙“Bluetooth”和红外线。,无线个人网（WPAN）技术使用户能够为个人操作空间（POS）设备（如 PDA、移动电话和笔记本电脑等）创建临时无线通讯。POS 指的是以个人为中心，最大距离为 10米的一个空间范围。 支持无线个人网的通信技术包括：蓝牙、ZigBee、UWB、红外（IrDA）、NFC、HomeRF等，它们在功耗、成本、传输速率、传输距离、组网能力等方面又各有特点。,98,无线个人网,谷歌Project Glass眼镜实现了将微型投影仪+摄像头+传感器+存储传输+操控设备的融合，并将眼镜、智能手机、摄像机等集于一身。用户只要通过眼部动作等就能拍照、录像、打电话，省去了从口袋中掏手机的麻烦，还能拍照上传、收发短信、查询天气路况等，并将地图叠加到用户的视野中；也可利用语音指令拍摄照片、摄制视频、与他人在网上互动等。 目前，还有如智能头箍、手套手机、社交牛仔裤、卫星导航鞋、体态监测健身服等大批新产品正层出不穷。,可穿戴的智能设备,99,3.5.2无线网络常用设备类型,无线网卡 无线网桥 无线天线,100,无线网卡,无线网卡的作用类似于以太网中的网卡，作为无线局域网的接口，实现与无线局域网的连接。,无线网卡根据接口类型的不同，主要分为三种类型，即PCMCIA无线网卡、PCI无线网卡和USB无线网卡。,101,无线网桥,无线网桥用于连接两个或多个独立的网络段，这些独立的网络段通常位于不同的建筑内，相距几百米到几十公里,广泛应用在不同建筑物间的互联。,无线网桥的特点是功率大，传输距离远（最大可达约50km），抗干扰能力强等，不自带天线，一般配备抛物面天线实现长距离的点对点连接。,无线网桥的三种工作方式：点对点、点对多点、中继连接,102,无线天线,当计算机与无线接入点（AP）或其他计算机相距较远时，随着信号的减弱，传输速率会明显下降，或者根本无法实现与AP或其他计算机之间通讯，此时，就必须借助于无线天线对所接收或发送的信号进行增益（放大）。,103,无线天线,无线天线常见的类型有两种：一种是室内天线，优点是方便灵活，缺点是增益小，传输距离短；另一种是室外天线。优点是传输距离远。比较适合远距离传输。,104,3.5.3无线网络的接入方式,网桥连接型 访问节点连接型 HUB接入型 无中心型,根据不同的应用环境，目前无线局域网采用的拓扑结构 主要有:,105,网桥连接型,该结构主要用于无线或有线局域网之间的互连。当两个局域网无法实现有线连接或使用有线连接存在困难时，可使用网桥连接型实现点对点的连接。,在这种结构中局域网之间的通信是通过各自的无线网桥来实现的，无线网桥起到了网络路由选择和协议转换的作用。,106,访问节点连接型,在网络覆盖范围内的任何地方都可以 接收到该信号，并可实现漫游通信。,这种结构采用移动蜂窝通信网接入方式，各移动站点间的通信是先通过就近的无线接收站将信息接收下来，然后将收到的信息通过有线网传入到“移动交换中心”，再由移动交换中心传送到所有无线接收站上。,107,HUB接入型,在有线局域网中利用HUB可组建星形网络结构。同样也可利用无线AP组建星型结构的无线局域网，其工作方式和有线星形结构很相似。但在无线局域网中一般要求无线AP应具有简单的网内交换功能。,108,无中心型结构,该结构的工作原理类似于有线对等网的工作方式。它要求网中任意两个站点间均能直接进行信息交换。每个站点既是工作站，也是服务器。,109,3.5.4 无线网络的特点,安装便捷 使用灵活 经济节约 易于扩展 更好的安全性,110,3.5.5 模拟与数字通信技术,第一代移动通信系统采用频分多址(FDMA)的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。,第二代移动通信系统主要采用时分多址(TDMA)的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。,第一代、第二代移动通信系统,111,蜂窝移动通信原理,每10km20km的区域称为单元（形似蜂窝），单元的中央建有一个基站，该单元内所有手机都向该基站发送信号并接收基站发给的信号 所有单元既相互分割，又彼此有所交叠，连成整个移动通信服务网 所有基站都通过微波或电缆、光缆与移动交换中心通信 手机每个时刻都处于某个特定单元的基站控制之下，通话时使用两个频率（一个上行频率，一个下行频率），同一单元内同一时刻的不同手机使用不同的频率进行通信，相互不影响,每个蜂窝单元中有200多个信道(GSM)。 相邻单元不允许使用相同的频率，不相邻单元的频率允许重用,112,第二代移动通信系统,传输的是数字化的语音/文字信号 使用频段：900MHz/1800MHz 我国使用的2种标准： GSM（欧洲移动通信系统，也称全球通、全数字系统) 中国电信的GSM网已基本实现县以上城市的覆盖, 接入号有139135、130 采用频分多路复用技术(分为124个上下行信道)和时分多路复用(每个信道8个连接)，每个蜂窝理论上支持992个连接，实际上可有200多个 CDMA (码分多址接入，Code Division Multiple Access) 所有手机都占用相同带宽和频率，在整个频段上进行信号传输,但它们分别采用不同的编码原理加以区分，即CDMA给每一手机分配一个唯一的码序列（扩频码），并用它对承载信息的信号进行编码 抗干扰能力强，系统容量大，接通率高，噪声小,113,第二代移动通信系统,中国联通、中国移动所用的GSM移动电话网采用的便是FDMA和TDMA两方式的结合。GSM比模拟移动电话有很大的优势，但在频谱效率上仅是模拟系统的3倍，容量有限；话音质量也很难达到有线电话水平；TDMA终端接入速率最高也只能达到9.6kbit/s；TDMA系统无软切换功能，容易掉话，影响服务质量。,114,第二代移动通信系统,CDMA是Code Division Multiple Access (码分多址)的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。,CDMA技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。,115,C网,C网即CDMA(Code Division Multiple Access) 网络，又称码分多址，是在无线通讯上使用的技术，CDMA 允许所有的使用者同时使用全部频带(1.2288Mhz)，并且把其他使用者发出的讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞 (collision) 的问题。 CDMA的优点包括： CDMA中所提供的语音编码技术，其通话品质比目前的GSM好，而且可以把用户对话时周围环境的噪音降低，使通话更为清晰。我国CDMA网络的建设和经营由中国联通统一负责。联通CDMA网在2001年1月8日全网开通。2003年1月28日上海联通CDMA1X网的开通，代表着CDMA网络的全面升级，可提供高速无线互联网接入和丰富的无线数据业务。 2008年7月中国联通以1100亿元将CDMA网络售于中国电信。 目前中国电信CDMA网络的号段为133.153.180.189。,116,G网,GSM全名为：Global System for Mobile Communications，中文为全球移动通讯系统，俗称全球通，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。我国于20世纪90年代初引进采用此项技术标准，此前一直是采用蜂窝模拟移动技术，即第一代GSM技术（2001年12月31日我国关闭了模拟移动网络）。目前，中国移动、中国联通各拥有一个GSM网，为世界最大的移动通信网络。GSM系统包括 GSM 900：900MHz、GSM1800：1800MHz 及 GSM-1900：1900MHz等几个频段 。,117,3.5.6 3G移动通信,第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术，其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年，第一个CDMA商用系统运行之后，CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区，包括中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。,118,3.5.6 3G移动通信,国际电信联盟在2000年5月确定W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA以及WiMAX四大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件2000年国际移动通讯计划（简称IMT2000）。,119,3.5.6 3G移动通信,W-CDMA CDMA2000 TD-SCDMA WiMAX,120,W-CDMA,W-CDMA也称为WCDMA，全称为Wideband CDMA，也称为CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取。,这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡，而GSM系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度比较高。,121,CDMA 2000,CDMA2000是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，也称为CDMA Multi-Carrier，由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。,该标准提出了从CDMA IS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术.中国联通就是采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMA IS95网络。,122,TD-SCDMA,全称为Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access（时分同步CDMA），该标准是由中国大陆制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出。,123,TD-SCDMA,该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。 由于中国庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TDSCDMA标准。 该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。,124,TDSCDMA的优势,技术优势- TD-SCDMA相对其它3G备选技术拥有明显的网络建设、运营及财务优势。 标准优势-无论在资金上、技术上还是政策上，政府都给予了TD-SCDMA最大的支持。 用户优势 -我国的移动电话用户数突破8亿户，这么大的基数给了TD-SCDMA最好的支持。,125,三种3G标准比较,126,WiMAX,WiMAX 的全名是微波存取全球互通（Worldwide Interoperability for Microwave Access），又称为80216无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“最后一公里”的宽带无线连接方案。,将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后， 由于成本较低，将扩大宽带无线市场，改善企业与服务 供应商的认知度。,127,128,129,WiMAX,国内电信设备巨头中兴通讯投资50亿元兴建中兴天津产业基地，主要研发WiMAX、RFID和激光电视及激光显示等新技术。同时，另一电信设备巨头华为推出WiMAX全系列终端。,130,4G,4G移动系统网络结构,物 理 层,中 间 环 境 层,应 用 层,4G移动通信系统主要以正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）为技术核心,131,4G,OFDM,OFDM可结合分集、时空编码、干扰和信道间干扰抑制及智能天线技术，能大幅提高系统性能。其中各载波相互正交，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以比传统的FDMA提高了频带利用率。 OFDM传播过程中，高速数据流通过串并变换，分配到速率较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。,132,4G,OFDM,OFDM可结合分集、时空编码、干扰和信道间干扰抑制及智能天线技术，能大幅提高系统性能。其中各载波相互正交，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以比传统的FDMA提高了频带利用率。 OFDM传播过程中，高速数据流通过串并变换，分配到速率较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。,133,4G,4G通信特征,（1）通信速度更快 （2）网络频谱更宽 （3）通信更灵活 （4）智能性能更高 （5）兼容性能更平滑 （6）提供多种增值服务 （7）实现更高质量的多媒体通信 （8）频率使用效率更高 （9）通信费用更加便宜,134,4G,4G核心技术,正交频分复用（OFDM）技术,软件无线电,智能天线技术,多输入多输出（MIMO）技术,基于IP的核心网,135,4G,正交频分复用（OFDM）技术 OFDM是一种无线环境下的高速传输技术，在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各子载波并行传输。尽管总信道是非平坦的，即具有频率选择性，但每个子信道相对平坦，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽。OFDM可消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，实现低成本的单波段接收。,136,4G,软件无线电 软件无线电的基本思想是将尽可能多的无线及个人通信功能通过可编程软件来实现，使其成为一种多工作频段、多工作模式、多信号传输与处理的无线电系统。可以说，是一种用软件来实现物理层连接的无线通信方式。,137,4G,智能天线技术 智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等功能，是未来移动通信的关键技术。智能天线应用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分利用移动用户信号并消除或抑制干扰信号的目的。这种技术既能改善信号质量又能增加传输容量。,138,4G,多输入多输出（MIMO）技术 MIMO是利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用分立式多天线，能有效地将通信链路分解成许多并行的子信道，以大幅提高容量。信息论已证明，当不同的接收天线和不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和噪声性能，获得大容量。在功率带宽受限的无线信道中，MIMO是实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集技术。,139,4G,基于IP的核心网 4G系统的核心网是一个基于全IP的网络，能实现不同网络间的无缝互联。核心网独立于各种具体的无线接入方案，能提供端到端的IP业务，能与已有的核心网和PSTN兼容。核心网具有开放结构，允许各种空中接口接入。核心网能把业务、控制和传输等分开。采用IP后，所采用的无线接入协议与核心网络协议、链路层是独立的。IP与多种无线接入协议兼容，因此在设计核心网络时有很大的灵活性，不需考虑无线接入究竟采用何种方式和协议。,140,4G,4G标准,LTE,LTE-Advanced,141,4G,LTE LTE（Long Term Evolution，长期演进）是3G的演进，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO为无线网络演进的标准。其主要目标是在20MHz频谱带宽下提供下行100