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无线传感器网络与物联网 WSN & IOT,主 要 内 容,一、无线传感器网络WSN概述,二、WSN的技术热点,三、特殊的传感网：RFID,四、物联网IOT,一、无线传感器网络WSN概述,无线传感器网络的发展现状。,随着微电子和微系统(MEMS)、无线通信、信号处理这三个技术领域近年来的飞速发展，一个新的研究领域成为国外关注的热点，这就是基于大量具有通信功能的微型无线传感器构造的无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)。 WSN具有极其广泛的应用，如感知战场状态（军事应用）、环境监控（如气候、地理、污染变化的监控）、物理安全（如建筑和结构的）监控、城市道路交通监控、安全场所的视频监控,一、无线传感器网络WSN概述,无线传感器网络的发展现状。,WSN应用例子安全监控（如矿井结构、瓦斯）,一、无线传感器网络WSN概述,无线传感器网络的发展现状。,国际学术界对WSN的关注专刊 ACM于2005年创刊的ACM Transaction on Sensor Network IEEE Journal on Selected Areas in Communications (2004,VOL.22,NO.6,2005,VOL.23,NO.4，006,VOL.24,NO.2 ) Proceedings of The IEEE (2003,Vol.91,N0.8) IEEE Wireless Communications(December 2004) IEEE Signal Processing Magazine (2006,VOL.23,NO.4 )。,一、无线传感器网络WSN概述,无线传感器网络的发展现状。,WSN相关的国际会议 欧洲WSNs顶级学术会议：European Conference on Wireless Sensor Network, EWSN Wireless Communications and Networking Conference Wireless Communications, Networking and Mobile Computing ISCIT ICASSP ISSCS。,一、无线传感器网络WSN概述,无线传感器网络的发展现状。,2002年Berkeley大学启动了NEST计划 目的：开发出Network Embedded Systems Technology(NEST) 开放式的软、硬件实验平台，以加速发展面向应用多样化的算法、服务和体系构架 美国国防研究机构DARPA意识到传感器网络的巨大应用价值Computing 10年前启动了一个分布式传感器网络计划DSN（Distributed Sensor Networks program） 2001年又启动一个传感器信息技术计划SensIT（Sensor Information Technology program）,一、无线传感器网络WSN概述,无线传感器网络的发展现状。,2004年在美国国家自然科学基金、国家健康协会的资助下，哈佛大学启动了CodeBule平台研究计划。 目的：把无线传感器网络技术应用于医疗事业领域，包括医疗救急、灾害事故的快速反应、病人康复护理等方面。,一、无线传感器网络WSN概述,无线传感器网络的发展现状。,2003年INTEL公司在Berkeley大学的研究中心启动了关于WSN方面的研究计划,内容 异构传感器网络，测量各种异构传感器网络的性能，研究嵌入式处理在异构网络中的应用。 mote计划，开发下一代的自组织WSN节点，设计出更强处理能力、更大存储容量、更高带宽和可靠射频能力的节点。 TASK计划，研发Tiny Application Sensor Kit（TASK），为一般用户快速开发和部署自己的WSN应用，提供简单实用的开发套件。,一、无线传感器网络WSN概述,无线传感器网络的发展现状。,欧洲2002年启动的EYES研究计划（自组织和协作有效能量的传感器网络）,EYES研究计划的体系结构,一、无线传感器网络WSN概述,无线传感器网络的发展现状。,欧洲2002年启动的EYES研究计划,一、无线传感器网络WSN概述,无线传感器网络的发展现状。,WSN的标准化工作,一、无线传感器网络WSN概述,无线传感器网络的发展现状。,结论：美国和欧洲对WSN非常重视，投入巨大人力和物力广泛开展理论和应用平台的研究开发,一、无线传感器网络WSN概述,无线传感器网络的发展现状。,国内对WSN的研究 2004年中国国家自然科学基金委员会将无线传感器网络列为重点研究项目 2005年我国开始传感网标准化研究工作国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)在支持的重点领域及其优先主题“ 信息产业及现代服务业”中列入了“传感器网络及智能信息处理”, 并在前沿技术中重点支持“ 自组织传感器网络技术” 2008年9月启动的国家16个重大专项中03专项设立7个方向，WSN为第6个“短距离无线互联与传感器网络研发”。,一、无线传感器网络WSN概述,2. 无线传感器网络的特点和结构,一、无线传感器网络WSN概述,2. 无线传感器网络的特点和结构,WSN有两种组网结构： WSN通信体系平面结构 1)平面拓扑结构，如上图。所有的网络节点处于相同的平等地位,不存在任何的等级和层次差异,所以也被称为对等式结构,一、无线传感器网络WSN概述,2. 无线传感器网络的特点和结构,WSN有两种组网结构： 2)逻辑分层结构， 如右图。网络节点 按照某种规则（如 地理位置、应用需 求）分成各个簇， 每个簇由簇头和成 员节点构成。 WSN的逻辑分层结构,二、 WSN的技术热点,无线传感器网络的技术热点。,网络拓扑控制技术。 研究的内容：是满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和节点选择，生成高效的数据转发的网络拓扑结构。 目的：网络拓扑控制能够提高路由协议和MAC协议的效率，有利于节省节点的能量以延长网络生存期。 研究热点：是通过激活选定的节点集合，以能量有效的方式进行网络拓扑控制。GAF（从等效路由的角度选择工作节点）、SPAN（从维护WSN骨干传输网的角度选择工作节点）等算法,二、 WSN的技术热点,无线传感器网络的技术热点。,节点的连接和覆盖技术。 定义两种连接：纯连接（任意两个节点都能通信，包括直接和多跳，这是物理基础）、路由连接（节点间通过某种路由算法连接，主要考虑能够快速传递数据、能耗最小，即考虑优化）；建立的连接模型主要涉及节点密度、通信距离、跳数、连接度。 覆盖问题指为了保证整个区域都在监测范围内，需要按照一定规则或者密度在目标区域布置传感器，通常认为传感器的传感范围是以节点为中心的园，基本要求是相邻传感器覆盖范围连通，同时考虑到通信要求。,二、 WSN的技术热点,无线传感器网络的技术热点。,问题节点的探测和隔离技术。 对传感器网络中问题节点（包括已经失效和性能降低）的探测及其隔离，研究安全路由策略，规避问题节点，如SEAD、SPINS、SNEP、SAR、改进AODV等； 也有人研究路由空洞问题（路由空洞节点指那些所有的邻居节点，距离sink的距离都比自己远的节点），这样如果采用贪婪（GF）算法，数据就无法传送到控制节点了,二、 WSN的技术热点,无线传感器网络的技术热点。,路由技术 以数据为中心的路由协议，如SPIN、Rumor Routing等路由算法。 分层路由协议，如LEACH、TEEN等路由算法。 基于节点位置的路由协议，如MECN、GAF等路由算法 基于QoS的路由协议，考虑数据传输的时延、可靠性等QoS指标，如MLER、SPEED等路由算法 基于MA的路由协议； 其它各种基于节能的路由,二、 WSN的技术热点,无线传感器网络的技术热点。,媒质接入控制技术 MAC协议的指标：能耗、带宽需求、冲突避免和维持网络连接。 MAC协议的分类： 基于调度算法的（Scheduling-based）MAC协议，如SMACS、DE-MAC等协议算法非碰撞的（Collision free）MAC协议，如IP-MAC、TRAMA等协议算法 基于竞争（Contention-based）的MAC协议，如SMAC、T-MAC等协议算法 混合（Hybrid scheme）的MAC协议，如混合TDMAFDMA等协议算法,二、 WSN的技术热点,无线传感器网络的技术热点。,媒质接入控制标准 1998年3月，IEEE标准化协会正式成立802.15工作组，制定WPAN（数米到10米范围）的MAC和PHY标准。下设4个任务组， 802.15.1即蓝牙，是中速率，近距离的WPAN，用于手机、PDA等等近距离通信； 802.15.2，研究802.15.1与WLAN（802.11）的共存问题； 802.15.3，研究高速WPAN；802.15.4，即Zigbee，研究低能耗、低速率（20、40、250kbps）、低成本的WPAN，该标准被许多WSN产品采纳,二、 WSN的技术热点,无线传感器网络的技术热点。,定位技术 WSN定位技术的特点 WSN中的节点一般都是随机放置在需要探测的区域，不预先知道自己的位置 没有位置信息的监测信息通常是没有实际意义的，所以定位技术是WSN中一项关键技术 WSN定位技术的方案 节点分为信标节点和位置未知节点 信标节点可以根据GPS技术或者其他方式获知自己的位置，其他节点通常会采用传统的三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定自己的位置。,二、 WSN的技术热点,无线传感器网络的技术热点。,节能技术 WSN节能的特点： WSN中的节点一般使用电池供电，布设以后很难更换，因此能量有效性成了首要问题，直接关系到网络的使用寿命 WSN节能的分类： 节点级(node-level)节能：网络内节点的软硬件节能设计及系统的节能架构 节点间(inter-node level)节能：节点间协同工作及节点间能量的协调控制 网络级(network level)节能：延长网络寿命而采用的能量均匀消耗措施。,二、 WSN的技术热点,无线传感器网络的技术热点。,鲁棒性 WSN鲁棒性的特点： 应用必须自适应于节点故障和信道质量的波动 WSN鲁棒性的分类： 应对节点故障的鲁棒性，如多径路由算法、单径路由修复算法 应对无线信道波动的鲁棒性，建立适合于WSN的传输层协议算法，如PSFQ(Pump Slowly,FetchQuickly) 。,二、 WSN的技术热点,无线传感器网络的技术热点。,鲁棒性 WSN鲁棒性的特点： 应用必须自适应于节点故障和信道质量的波动 WSN鲁棒性的分类： 应对节点故障的鲁棒性，如多径路由算法、单径路由修复算法 应对无线信道波动的鲁棒性，建立适合于WSN的传输层协议算法，如PSFQ(Pump Slowly,FetchQuickly) 。,二、 WSN的技术热点,2. 面向未来的无线传感器网络,二、 WSN的技术热点,2. 面向未来的无线传感器网络,WSN和其他无线通信技术的融合,三、特殊的WSN：RFID,何为RFID ？,RFID是英文Radio Frequency Identification的缩写，中文称为: 1. 无线射频身份识别 2. 感应式电子芯片 3. 感应卡 4. 非接触卡.等等， 是非接触式自动识别技术的一种。,三、特殊的WSN：RFID,RFID系统工作原理,三、特殊的WSN：RFID,RFID系统工作原理,阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量被激活，并将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到计算机系统进行相关处理；计算机系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制， 发出指令信号控制执行机构动作。,三、特殊的WSN：RFID,RFID系统工作原理,标签（Tag）：标签是射频识别系统的核心，是射频识别系统真正的数据载体。标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；依据射频标签供电方式的不同，可以分为有源标签和无源标签。 阅读器（Reader）：阅读器用以产生发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，有时阅读器也可以写信息到标签。阅读器可被设计为手持式或固定式。 天线（Antenna）：天线是为标签和阅读器提供射频信号空间传递的设备。阅读器的天线可以内置也可以外置。,三、特殊的WSN：RFID,RFID特性,(一) 数据可读写：只要通过RFID 阅读器即可不需接触，直接读取信息至数据库內，且可一次处理多个标签，並可以将物流处理的状态写入标签，供下一阶段物流处理的读取判断之用。 (二) 小型化、形狀多样：RFID在读取上並不受尺寸大小与形状的限制，不需为了读取精确度而固定其尺寸和印刷质量。,三、特殊的WSN：RFID,RFID特性,(三) 鲁棒性强：纸张一受到污染就看不清楚，但RFID对水、油和药品等物质却有很强的抗污性。RFID在黑暗或脏污的环境之中，也可以读取数据。 (四) 可重复使用：由于RFID为电子数据，可以反复被覆盖写入，因此可以回收标签重复使用。如无源的RFID，不需要电池就可以使用，沒有维护保养的需要。,三、特殊的WSN：RFID,RFID特性,(五) 良好的穿透性：RFID若被纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材料包裹的话，也可以进行穿透性通讯。 (六)数据的记忆容量大 (七)每个RFID的身份是全球唯一的（有人说地球上的一粒沙子也可以分配一个ID）。,三、特殊的WSN：RFID,RFID形状和结构,三、特殊的WSN：RFID,RFID阅读器,三、特殊的WSN：RFID,RFID使用的频率,国际上按照国际电信联盟（ITU）的规范，目前RFID使用的频率有6种，分別为：125KHz、13.56MHz、433.92MHz、860M930 MHz。（即UHF）、2.45GHz以及5.8GHz,三、特殊的WSN：RFID,RFID与条形码比较,三、特殊的WSN：RFID,RFID应用,RFID技术作为快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术和信息标准化的基础，已经被世界公认为本世纪十大重要技术之一，在交通、军事、医疗、生产、零售、物流、航空、资产管理、食品安全、动物识别等各个行业有着广阔的应用前景。,三、特殊的WSN：RFID,RFID应用,交通：高速不停车、出租车管理、公交车枢纽管理、铁路机车识别等。 军事：弹药、枪支、物资、人员、卡车等识别与追踪。 医疗：医疗器械管理、病人身份识别、婴儿防盗等。 生产：生产过程的生产数据实时监控、质量追踪、自动化生产、个性化生产等。 零售：商品的销售数据实时统计、补货、防盗等。,三、特殊的WSN：RFID,RFID应用,物流：物流过程中的货物追踪、信息自动采集、仓储管理应用、港口应用、邮政包裹、快递等。 航空：飞机的制造、飞机零部件的保养及质量追踪、旅客的机票、快速登机、旅客包裹追踪。 资产管理：各类贵重的或数量大相似性高的危险品管理、实时监控等。 食品安全：水果、蔬菜、生鲜等食品的保鲜度管理。 动物识别：驯养动物、畜牧牲口、宠物等的识别管理，动物的疾病追踪、畜牧牲口的个性化养殖等。,三、特殊的WSN：RFID,RFID应用,四、物联网IOT,IOT(Internet of Things)。,IOT：利用RFID、WSN、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的巨大信息网络。 具体地说，就是把各种感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，形成物物、人物相互联接的信息网络，然后将此物联网与现有的互联网融合起来，让物体自己开口说话，再基于网络中强大的中心计算机群，实现对人员、机器、设备和基础设施的实时的智慧管理和控制，改善人与自然间的关系。,四、物联网IOT,IOT(Internet of Things)。,四、物联网IOT,IOT(Internet of Things)。,相对于人际间信息交流的互联网，物联网是物与物、人与物之间的信息互联网络。当今社会已开始出现许多“物物”联网的应用：如装有GPS卫星定位系统的运输车辆，以及装有RFID射频识别芯片的集装箱，可以自由通过不停车收费站，在无人化码头自动完成装卸。 “物联网”是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮 据独立市场研究机构Forrester预测：物联网产业成熟时其产值将是互联网产业的至少30倍,四、物联网IOT,IOT发展动态。,1995年比尔.盖茨在未来之路书中首次提出IOT； 1999年EPCglobal联合100多家企业成立IOT联盟； 1999年我国中科院上海微系统和信息技术研究所开始相关研究； 2005年我国开始传感网标准化研究工作； 2005年11月，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电联（ITU）发布了ITU互联网报告2005：物联网，指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临； 2007年底，ISO/IEC JTC1成立传感网研究组； 2008年3月26-28日，第一届物联网国际会议（IOT2008）在瑞士苏黎世举行,四、物联网IOT,IOT发展动态。,2008年底，ISO/IEC成立传感网标准化研究组； 2008年9月11日，中国传感网国家标准化工作组成立。 2008年底和2009年1月， IBM CEO彭明盛、美国总统奥巴马， 提出“智慧地球”的概念，其中包括美国要形成智慧型基础设施“物联网” 2009 年 6 月 欧盟委员会提出针对物联网行动方案 2009 年 8 月 温家宝总理在无锡考察传感网产业发展时明确指示要求尽快建立中国的传感信息中心-“感知中国”中心。 2010年6月29日，由中国电子学会主办，工业和信息化部和中国科学技术协会指导的中国第一届物联网大会在北京举行。 2010年7月7日，第二届欧洲物联网大会在布鲁塞尔闭幕,四、物联网IOT,IOT发展动态,从Internet到IOT,四、物联网IOT,IOT的基本理论模型。,四、物联网IOT,IOT的典型技术体系架构。,四、物联网IOT,IOT的典型技术体系架构。,四、物联网IOT,IOT关键技术。,物理世界各个物体信息获取的关键技术 信息传输的关键技术 各种传输信息的信息网络组网、融合、接入 互联网的关键技术 海量的信息分析、管理、显示的关键技术 IOT标准化 信息安全技术。等；,四、物联网IOT,IOT关键技术。,物理世界各个物体信息获取的关键技术 信息传输的关键技术 各种传输信息的信息网络组网、融合、接入 互联网的关键技术 海量的信息分析、管理、显示的关键技术 IOT标准化 信息安全技术。等；,56,物联网的应用,应用案例1：牲畜溯源 给放养的牲畜中的每一只羊都贴上一个二维码，这个二维码会一直保持到超市出售的肉品上，消费者可通过手机阅读二维码，知道牲畜的成长历史，确保食品安全。我国已有10亿存栏动物贴上了这种二维码。,57,应用案例2：机场防入侵 上海浦东国际机场防入侵系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，多种传感手段组成一个协同系统后，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。上海移动的车务通将在2010年世博会期间全面运用于上海公共交通系统，以最先进的技术保障世博园区周边大流量交通的顺畅。,应用案例3：电力管理 江西省电网对分布在全省范围内的2万台配电变压器安装传感装置，对运行状态进行实时监测，实现用电检查、电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管理等高效一体化管理，一年来降低电损1.2亿千瓦时。,物联网的应用,58,应用案例4：个人保健 人身上可以安装不同的传感器，对人的健康参数进行监控，并且实时传送到相关的医疗保健中心，如果有异常，保健中心通过手机，提醒您去医院检查身体。,物联网的应用,应用案例5：平安城市建设 利用部署在大街小巷的全球眼监控探头，实现图像敏感性智能分析并与110、119、112等交互，实现探头与探头之间、探头与人、探头与报警系统之间的联动，从而构建和谐安全的城市生活环境。,物联网的应用,应用案例6：未来数字家庭 2009年11月23日中国电信“物联网技术重点实验室”和“中国电信物联网应用和推广中心”正式挂牌。此前，中国电信一直致力于数字家庭的解决方案和实际运营。,数字家庭是以计算机技术和网络技术为基础，包括各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智能家居等，通过不同的互连方式进行通信及数据交换,实现家庭网络中各类电子产品之间的“互联互通”的一种服务 数字家庭的四大功能：信息、通信、娱乐和生活,物联网的应用,应用案例7：实时交通信息,物联网的应用,国外物联网应用状况,个人隐私与数据安全 -安全因素的考虑会影响物连网的设计，避免个人数据受窃听受破坏的威胁。除此之外，专家称物联网的发展会改变人们对于隐私的理解，以最近的网络社区流行为例，个人隐私是公众热议的话题。 公众信任 -信息安全目前是广大群众对物联网的主要关注点。如果物联网的设计没有健全的安全机制，会降低公众对此信任。所有在设计物联网之初，就有必要考虑的安全层面。,影响物联网发展的五大因素,标准化 -标准化无疑是影响物联边普及的重要因素。目前 RFID，WSN 等技术领域还没有一套完整的国际标准，各厂家的设备往往不能实现互操作。标准化将合理使用现在标准，或者在必要时创建新的统一标准。 研究发展 -物联网相关技术仍处在不成熟阶段，需要各国政府投入大量资金支持科研，技术转化。 系统开放-物联网的发展离不开合理的商业模型运作和各种利益投资。对物联网技术系统的开放，将会促进应用层面的开发和各种系统间的互操作性。,影响物联网发展的五大因素,传感网的关键科学问题,科学问题1：低功耗高精度的传感机理和设计方法 科学问题2：无线传感网信息论与优化设计 科学问题3：低功耗可重新配置的传感节点软硬件平台 科学问题4：网络架构与协议体系 科学问题5：动态频谱管理框架及基于认知无线电的通信协议 科学问题6：传感网络信息处理理论与分布式实现方法 科学问题7：网络信息服务与分布式协作,66,当前几种网络技术的关系,谢谢聆听！,