无线传感网技术建立与发展

,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,无线传感网技术建立与发展,主要内容,一、,物联网的起源与简介,二、,无线传感器网络的技术介绍与发展,物联网,一、物联网（,The Internet of things),定义,国际电信联盟（,ITU,）的定义：通过二维码识读设备、射频识别装置、红外感应器、全球定位系统和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，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。,物联网主要解决物品与物品（,Thing to Thing,T2T,），人与物品（,Human to Thing,H2T),，人与人,(Human to Human,H2H),之间的互联。,与此同时，物联网的提出为国家智慧城市建设奠定了基础，实现智慧城市的互联互通协同共享。,物联网,一、物联网,实质是物物相连的互联网,一、物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；,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也就是物物相息。,物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。,物联网,一、物联网起源,1991,年美国麻省理工学院（,MIT,）的,Kevin Ash-ton,教授首次提出物联网概念。,1995,年比尔盖茨,未来之路,一书中也曾提及。,1999,年美国麻省理工学院建立了自动识别中心（,Auto-ID,），提出万物皆可通过网络互联，阐明了物联网的基本含义。早期的物联网是依托射频识别（,RFID,）技术的物流网络。,2005,年国际电信联盟（,ITU,）发布,ITU,互联网报告,2005,：物联网,。,2009,年,1,月奥巴马就任美国总统，在“圆桌会议”上,IBM CEO,彭明盛首次提出“智慧地球”概念，当年美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点。,2009,年,8,月，温家宝“感知中国”讲话把我国物联网领域的研究和应用开发推到了高潮。物联网被正式列为国家五大新兴战略产业之一。,物联网,一、物联网关键技术,传感器技术,RFID,标签,嵌入式系统技术,二、物联网关键领域,RFID,传感网,M2M(Machine-To-Machine),两化融合,-,信息化与工业化,M2M(Machine-To-Machine),机器对机器通信的简称,M2M,重点在于机器对机器的无线通信，存以下三种方式,机器对机器,机器对移动电话（如用户远程监视）,移动电话对机器（如用户远程控制）,远距离连接技术：,GSM/GPRS/UMTS,近距离连接技术：,802.11b/g,、,BlueTooth,、,Zigbee,、,RFID,和,UWB,。,机器数量至少是人类数量的,4,倍，因此,M2M,具有巨大的市场潜力。,M2M,平台,M2M,业务支撑平台,物联网,物联网发展趋势,物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，是继通信网之后的另一个万亿市场。,物联网一方面可以提高经济效益，大大节省成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。,物联网拥有业界最完整的专业物联产品系列，覆盖从传感器、控制器到云计算的各种应用。产品服务智能家居、交通物流、环境保护、公共安全、智能消防、工业检测、个人医疗等各种领域。,预计,2015,年中国物联网产业规模,5000,多亿元。,物联网,物联网应用,智能农业,智能交通,智能电网,智能物流,智能医疗,智能家居,智能安防,物联网行业现状,行业现状,就像互联网是解决最后,1,公里的问题，物联网其实需要解决的是最后,100,米的问题，在最后,100,米可连接设备的密度远远超过最后,1,公里。,技术解决方案：,ZigBee,得到了全球主要国家前所未有的关注，这种技术由于相比现有的,WIFI,、蓝牙、,433/315M,等无线技术更加安全、可靠，同时由于其组网能力强、具备网络自愈能力并且功耗更低，,ZigBee,的这些特点与物联网的发展要求非常贴近，目前已经成为全球公认的最后,100,米的最佳技术解决方案。,物联网,技术及架构,感知层,感知层是物联网识别物体、采集信息的来源。感知层由各种传感器构成，包括各种传感器、二维码标签、,RFID,标签和读写器、摄像头、红外线、,GPS,等感知终端。,网络层,网络层由各种网络，包括互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台组成,应用层,应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。,无线传感网,无线传感网（,WSN,，,wireless sensor networks,),无线传感网是一种集传感器、控制器、计算能力、通信能力于一身的嵌入式设备。,WSN,是由一组传感器节点以自组织的方式构成的有线或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆 盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。,无线传感网,无线传感网特点,1,、硬件资源有限,2,、电源容量有限,3,、无中心,4,、自组织,5、多跳（Multi-hop）路由,6,、动态拓扑,7,、节点数量众多，分布密集,8,、传输能力的有限性,9,、安全性的问题,无线传感网,无线传感网优点,WSN,与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接，大大减少了电缆成本，在传感器节点端即合并了模拟信号数字信号转换、数字信号处理和网络通信功能，节点具有自检功能，系统性能与可靠性明显提升而成本明显缩减。,无线传感网,无线传感网,需要解决的问题,1,网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰而受到影响，怎么安全有效的进行通信是个有待研究的问题。,2,成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，这样的话成本会制约其发展。,3,系统能量供应问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。,4,高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的网络结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度的利用资源。在这里面，还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。,无线传感网,无线传感网,应用现状,1,环境监测和保护,随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。,2,医疗护理,3,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，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应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。,4,商业化用途,比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。,无线传感网,无线传感网网络体系结构,无线电管理,中国无线电管理局,ISM,频段,ISM(Industrial Scientific Medical) Band,是由,ITU-R （ITU Radiocommunication Sector，,国际通信联盟,无线电通信,局）定义的。,此频段主要是开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，属于,Free License,，无需授权许可，只需要遵守一定的发射功率,(,一般低于,1W),，并且不要对其它频段造成干扰即可。,2.4GHz,频段为各国共同的,ISM,频段。因此,无线局域网,、,蓝牙,、,ZigBee,等,无线网络,，均可工作在,2.4GHz,频段上。,ISM,频段,频率范围（,Hz,）,中心频率（,Hz,）,可行性,6.7656.795 MHz,6.780 MHz,取决于当地,13.55313.567 MHz,13.560 MHz,26.95727.283 MHz,27.120 MHz,40.6640.70 MHz,40.68 MHz,433.05434.79 MHz,433.92 MHz,902928 MHz,915 MHz Region 2 only,2.4202.4835GHz,2.450 GHz,5.7255.875 GHz,5.800 GHz,2424.25 GHz,24.125 GHz,6161.5 GHz,61.25 GHz,取决于当地,122123 GHz,122.5 GHz,取决于当地,244246 GHz,245 GHz,近距离连接技术,近距离连接技术,蓝牙（,Bluetooth,）,蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般,10m,内）的无线电技术。,工作在全球通用的,2.4GHz ISM,频段，数据速率为,1Mbps,，全双工传输，使用,IEEE802.15,协议。,Bluetooth 无线技术是在两个设备间进行无线短距离通信的最简单、最便捷的方法。它广泛应用于世界各地，可以无线连接手机、便携式计算机、汽车、立体声耳机、MP3 播放器等多种设备。,近距离连接技术,ZigBee,ZigBee,是基于,IEEE802.15.4,标准的低功耗局域网,协议,。,根据国际标准规定，,ZigBee,技术是一种短距离、低功耗的,无线通信,技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂,(bee),是靠飞翔和“嗡嗡”,(zig),地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。,主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，,ZigBee,就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网,通讯技术,。,近距离连接技术,ZigBee,IEEE 802.15.4标准设计用于开发可以靠电池运行1到5年的紧凑型低功率廉价嵌入式设备(如传感器)。该标准使用工作在2.4GHz频段的无线电收发器传送信息，使用的频带与Wi-Fi相同，但其射频发射功率大约只有Wi-Fi的1%。这限制了IEEE 802.15.4设备的传输距离，因此，多台设备必须一起工作才能在更长的距离上逐跳传送信息和绕过障碍物。,近距离连接技术,ZigBee,特点,1,、低功耗,2,、低成本,ZigBee,免协议专利费,3,、低速率,20kbps,250kbps,4,、近距离,5,、短时延,6,、高容量,一个主节点可管理,254,个子节点，同时主节点可由上一层网络节点管理，最多可组成,65000,个节点的大型网络,7,、高安全,8,、免执照频段，2.4GHz,ZigBee,ZigBee协议结构,ZigBee,ZigBee物理层载波调制,ZigBee,ZigBee拓扑结构,ZigBee,网络时钟同步原因,网络时钟同步技术,a.,基于接收者,-,接收者交互的同步,第三方节点广播若干次同步信令，广播域内各节点利用本地时钟记录信令的到达时刻，然后各接收节点之间交互时间记录，进而两两校准时钟。两个广播域的交界节点充当时钟转换网关节点。代表算法有,RBS,。,b.,基于发送者,-,接收者交互的同步。,基于客户机,-,服务器架构，待同步节点向基准节点发送同步请求包，基准节点回馈同步回应包。待同步节点估计时延差，进而校准时钟。代表算法有,TPSN,。,ZigBee,网络时钟同步技术,c.,基于发送者的同步,基准节点广播包含当前时钟读数的同步信令，广播域内的节点接收到同步信令后，估算时延等参数，调整自己的逻辑时钟值，以和基准点达成同步。其代表算法有,DMTS,。,ZigBee,网络安全技术,节点的处理能力和能量都很有限，不需要高度的安全机制，,ZigBee,芯片硬件上支持,IEEE 802.15.4 MAC,层的安全操作。,节省加密解密的消耗时间，减少,CPU,负担，从而节省网络能量。,ZigBee,应用,近距离连接技术,6LoWPAN,将IP协议引入无线通信网络一直被认为是不现实的(不是完全不可能)。迄今为止，无线网只采用专用协议，因为IP协议对内存和带宽要求较高，要降低它的运行环境要求以适应微控制器及低功率无线连接很困难。,基于IEEE 802.15.4实现IPv6通信的IETF 6LoWPAN1 草案标准的发布有望改变这一局面。6LoWPAN所具有的低功率运行的潜力使它很适合应用在从手持机到仪器的设备中，而其对AES-128加密的内置支持为强健的认证和安全性打下了基础。,IETF 6LoWPAN工作组的任务是定义在如何利用IEEE 802.15.4链路支持基于IP的通信的同时，遵守开放标准以及保证与其他IP设备的互操作性。,近距离连接技术,6LoWPAN,现状,随着IPv4地址的耗尽，IPv6是大势所趋。物联网技术的发展，将进一步推动IPv6的部署与应用。IETF 6LoWPAN技术具有无线低功耗、自组织网络的特点，是物联网感知层、无线传感器网络的重要技术，ZigBee新一代智能电网标准中SEP2.0已经采用6LoWPAN技术，随着美国智能电网的部署，6LoWPAN将成为事实标准，全面替代ZigBee标准。,近距离连接技术,sub-1 GHz,/433MHz,主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz的其他频率。,可编程控制的数据传输率，可达 500kbps,ZigBee,应用实例：低功耗无线压力变送器,