無線傳感網(wǎng)技術(shù)建立與發(fā)展

1、無線傳感網(wǎng)技術(shù)建立與發(fā)展無線傳感網(wǎng)技術(shù)建立與發(fā)展主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、物聯(lián)網(wǎng)的起源與簡(jiǎn)介二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)介紹與發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)一、物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things)定義 國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）的定義：通過二維碼識(shí)讀設(shè)備、射頻識(shí)別裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)主要解決物品與物品（Thing to Thing,T2T），人與物品（Human to Thing,H2T)，人與人(Human to Human,H2H)之間的互聯(lián)。與此同時(shí)

2、，物聯(lián)網(wǎng)的提出為國(guó)家智慧城市建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)智慧城市的互聯(lián)互通協(xié)同共享。物聯(lián)網(wǎng)一、物聯(lián)網(wǎng) 實(shí)質(zhì)是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)一、物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；二、其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信也就是物物相息。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)一、物聯(lián)網(wǎng)起源 1991年美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的Kevin Ash-ton教授首次提出物聯(lián)網(wǎng)概念。1995年比爾蓋茨未來之路一書中也曾提及。1999年美國(guó)麻省理工學(xué)院建立了自動(dòng)識(shí)別中心（Auto-ID），提出萬物皆可通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，闡明了物聯(lián)網(wǎng)的基本含義。早期

3、的物聯(lián)網(wǎng)是依托射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)的物流網(wǎng)絡(luò)。2005年國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)。2009年1月奧巴馬就任美國(guó)總統(tǒng)，在“圓桌會(huì)議”上IBM CEO彭明盛首次提出“智慧地球”概念，當(dāng)年美國(guó)將新能源和物聯(lián)網(wǎng)列為振興經(jīng)濟(jì)的兩大重點(diǎn)。2009年8月，溫家寶“感知中國(guó)”講話把我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用開發(fā)推到了高潮。物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一。物聯(lián)網(wǎng)一、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù) u傳感器技術(shù)uRFID標(biāo)簽u嵌入式系統(tǒng)技術(shù)二、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵領(lǐng)域 uRFIDu傳感網(wǎng)uM2M(Machine-To-Machine)u兩化融合-信息化與工業(yè)化M2M(Machine-To-M

4、achine)機(jī)器對(duì)機(jī)器通信的簡(jiǎn)稱 M2M重點(diǎn)在于機(jī)器對(duì)機(jī)器的無線通信，存以下三種方式u機(jī)器對(duì)機(jī)器u機(jī)器對(duì)移動(dòng)電話（如用戶遠(yuǎn)程監(jiān)視）u移動(dòng)電話對(duì)機(jī)器（如用戶遠(yuǎn)程控制）遠(yuǎn)距離連接技術(shù)：GSM/GPRS/UMTS近距離連接技術(shù)：802.11b/g、BlueTooth、Zigbee、RFID和UWB。機(jī)器數(shù)量至少是人類數(shù)量的4倍，因此M2M具有巨大的市場(chǎng)潛力。M2M平臺(tái)M2M業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì) 物聯(lián)網(wǎng)將是下一個(gè)推動(dòng)世界高速發(fā)展的“重要生產(chǎn)力”，是繼通信網(wǎng)之后的另一個(gè)萬億市場(chǎng)。物聯(lián)網(wǎng)一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié)省成本；另一方面可以為全球經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇提供技術(shù)動(dòng)力。物聯(lián)網(wǎng)擁有業(yè)界最完整的專業(yè)

5、物聯(lián)產(chǎn)品系列，覆蓋從傳感器、控制器到云計(jì)算的各種應(yīng)用。產(chǎn)品服務(wù)智能家居、交通物流、環(huán)境保護(hù)、公共安全、智能消防、工業(yè)檢測(cè)、個(gè)人醫(yī)療等各種領(lǐng)域。預(yù)計(jì)2015年中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模5000多億元。物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 u智能農(nóng)業(yè)u智能交通u智能電網(wǎng)u智能物流u智能醫(yī)療u智能家居u智能安防物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)現(xiàn)狀行業(yè)現(xiàn)狀就像互聯(lián)網(wǎng)是解決最后1公里的問題，物聯(lián)網(wǎng)其實(shí)需要解決的是最后100米的問題，在最后100米可連接設(shè)備的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過最后1公里。技術(shù)解決方案：ZigBee得到了全球主要國(guó)家前所未有的關(guān)注，這種技術(shù)由于相比現(xiàn)有的WIFI、藍(lán)牙、433/315M等無線技術(shù)更加安全、可靠，同時(shí)由于其組網(wǎng)能力強(qiáng)、具備網(wǎng)絡(luò)自愈

6、能力并且功耗更低，ZigBee的這些特點(diǎn)與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求非常貼近，目前已經(jīng)成為全球公認(rèn)的最后100米的最佳技術(shù)解決方案。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及架構(gòu)u感知層感知層是物聯(lián)網(wǎng)識(shí)別物體、采集信息的來源。感知層由各種傳感器構(gòu)成，包括各種傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、紅外線、GPS等感知終端。u網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層由各種網(wǎng)絡(luò)，包括互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)組成u應(yīng)用層應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。無線傳感網(wǎng)無線傳感網(wǎng)（ WSN ，wireless sensor networks) 無線傳感網(wǎng)是一種集傳感器、控制器、計(jì)算能力、通信能力于一身的嵌入式設(shè)備

7、。WSN是由一組傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆 蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。無線傳感網(wǎng)無線傳感網(wǎng)特點(diǎn) 1、硬件資源有限2、電源容量有限3、無中心4、自組織5、多跳（Multi-hop）路由6、動(dòng)態(tài)拓?fù)?、節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集8、傳輸能力的有限性9、安全性的問題無線傳感網(wǎng)無線傳感網(wǎng)優(yōu)點(diǎn) WSN與傳統(tǒng)傳感器和測(cè)控系統(tǒng)相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線連接，大大減少了電纜成本，在傳感器節(jié)點(diǎn)端即合并了模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能，節(jié)點(diǎn)具有自檢功能，系統(tǒng)性能與可靠性明顯提升而成本明顯縮減。無線傳感網(wǎng)

8、無線傳感網(wǎng)需要解決的問題需要解決的問題 1網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)正常通信聯(lián)系中，信號(hào)可能被一些障礙物或其他電子信號(hào)干擾而受到影響，怎么安全有效的進(jìn)行通信是個(gè)有待研究的問題。2成本問題。在一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)里面，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，這樣的話成本會(huì)制約其發(fā)展。3系統(tǒng)能量供應(yīng)問題。目前主要的解決方案有：使用高能電池；降低傳感功率；此外還有傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我能量收集技術(shù)和電池?zé)o線充電技術(shù)。其中后兩者備受關(guān)注。4高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是組織無線傳感器的成網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和方式，合理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以最大限度的利用資源。在這里面，還包括網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議問題和大

9、規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性管理等諸多問題有待解決。無線傳感網(wǎng)無線傳感網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀應(yīng)用現(xiàn)狀 1環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)隨著人們對(duì)于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。2醫(yī)療護(hù)理3軍事領(lǐng)域由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機(jī)分布的特點(diǎn)，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。4商業(yè)化用途比如一些危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境如井礦、核電廠等，工作人員可以通過它來實(shí)施安全監(jiān)測(cè)。無線傳感網(wǎng)無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體

10、系結(jié)構(gòu) 無線電管理中國(guó)無線電管理局ISM頻段頻段ISM(Industrial Scientific Medical) Band 是由ITU-R （ITU Radiocommunication Sector，國(guó)際通信聯(lián)盟無線電通信局）定義的。此頻段主要是開放給工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)三個(gè)主要機(jī)構(gòu)使用，屬于Free License，無需授權(quán)許可，只需要遵守一定的發(fā)射功率(一般低于1W)，并且不要對(duì)其它頻段造成干擾即可。2.4GHz頻段為各國(guó)共同的ISM頻段。因此無線局域網(wǎng)、藍(lán)牙、ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)，均可工作在2.4GHz頻段上。ISM頻段頻段頻率范圍（Hz）中心頻率（Hz）可行性6.7656.795

11、MHz6.780 MHz取決于當(dāng)?shù)?3.55313.567 MHz13.560 MHz26.95727.283 MHz27.120 MHz40.6640.70 MHz40.68 MHz433.05434.79 MHz433.92 MHz902928 MHz915 MHz Region 2 only2.4202.4835GHz2.450 GHz5.7255.875 GHz5.800 GHz2424.25 GHz24.125 GHz6161.5 GHz61.25 GHz取決于當(dāng)?shù)?22123 GHz122.5 GHz取決于當(dāng)?shù)?44246 GHz245 GHz近距離連接技術(shù)近距離連接技術(shù)藍(lán)牙（Bl

12、uetooth）藍(lán)牙，是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)。工作在全球通用的2.4GHz ISM頻段，數(shù)據(jù)速率為1Mbps，全雙工傳輸，使用IEEE802.15協(xié)議。Bluetooth 無線技術(shù)是在兩個(gè)設(shè)備間進(jìn)行無線短距離通信的最簡(jiǎn)單、最便捷的方法。它廣泛應(yīng)用于世界各地，可以無線連接手機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、汽車、立體聲耳機(jī)、MP3 播放器等多種設(shè)備。近距離連接技術(shù)ZigBeeZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱（又稱紫蜂協(xié)議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“

13、嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。近距離連接技術(shù)ZigBeeIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)用于開發(fā)可以靠電池運(yùn)行1到5年的緊湊型低功率廉價(jià)嵌入式設(shè)備(如傳感器)。該標(biāo)準(zhǔn)使用工作在2.4GHz頻段的無線電收發(fā)器傳送信息，使用的頻帶與Wi-Fi相同，但其射頻發(fā)射功率大約只有Wi-Fi的1%。這限制了IEEE 802.15.4設(shè)備的傳輸距離，因此，多臺(tái)設(shè)備必須一起工作才能在更長(zhǎng)的距離上逐跳傳送

14、信息和繞過障礙物。近距離連接技術(shù)ZigBee特點(diǎn)特點(diǎn)1、低功耗2、低成本 ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)3、低速率 20kbps250kbps4、近距離5、短時(shí)延6、高容量 一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)主節(jié)點(diǎn)可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)7、高安全8、免執(zhí)照頻段，2.4GHzZigBeeZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)ZigBeeZigBee物理層載波調(diào)制ZigBeeZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步原因網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步技術(shù)a.基于接收者-接收者交互的同步第三方節(jié)點(diǎn)廣播若干次同步信令，廣播域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)利用本地時(shí)鐘記錄信令的到達(dá)時(shí)刻，然后各接收節(jié)點(diǎn)之間交互時(shí)間記錄，進(jìn)而兩

15、兩校準(zhǔn)時(shí)鐘。兩個(gè)廣播域的交界節(jié)點(diǎn)充當(dāng)時(shí)鐘轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。代表算法有 RBS。b.基于發(fā)送者-接收者交互的同步?；诳蛻魴C(jī)-服務(wù)器架構(gòu)，待同步節(jié)點(diǎn)向基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步請(qǐng)求包，基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)回饋同步回應(yīng)包。待同步節(jié)點(diǎn)估計(jì)時(shí)延差，進(jìn)而校準(zhǔn)時(shí)鐘。代表算法有 TPSN。ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步技術(shù)c.基于發(fā)送者的同步基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)廣播包含當(dāng)前時(shí)鐘讀數(shù)的同步信令，廣播域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)接收到同步信令后，估算時(shí)延等參數(shù)，調(diào)整自己的邏輯時(shí)鐘值，以和基準(zhǔn)點(diǎn)達(dá)成同步。其代表算法有 DMTS。ZigBee網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)節(jié)點(diǎn)的處理能力和能量都很有限，不需要高度的安全機(jī)制，ZigBee芯片硬件上支持 IEEE 802.15.4 MAC 層的安全

16、操作。節(jié)省加密解密的消耗時(shí)間，減少 CPU 負(fù)擔(dān)，從而節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量。ZigBee應(yīng)用近距離連接技術(shù)6LoWPAN將IP協(xié)議引入無線通信網(wǎng)絡(luò)一直被認(rèn)為是不現(xiàn)實(shí)的(不是完全不可能)。迄今為止，無線網(wǎng)只采用專用協(xié)議，因?yàn)镮P協(xié)議對(duì)內(nèi)存和帶寬要求較高，要降低它的運(yùn)行環(huán)境要求以適應(yīng)微控制器及低功率無線連接很困難?；贗EEE 802.15.4實(shí)現(xiàn)IPv6通信的IETF 6LoWPAN1 草案標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布有望改變這一局面。6LoWPAN所具有的低功率運(yùn)行的潛力使它很適合應(yīng)用在從手持機(jī)到儀器的設(shè)備中，而其對(duì)AES-128加密的內(nèi)置支持為強(qiáng)健的認(rèn)證和安全性打下了基礎(chǔ)。IETF 6LoWPAN工作組的任務(wù)是定義在如何利用IEEE 802.15.4鏈路支持基于IP的通信的同時(shí)，遵守開放標(biāo)準(zhǔn)以及保證與其他IP設(shè)備的互操作性。近距離連接技術(shù)6LoWPAN現(xiàn)狀隨著IPv4地址的耗盡，IPv6是大勢(shì)所趨。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步推動(dòng)IPv6的部署與應(yīng)用。IETF 6LoWPAN技術(shù)具有無線低功耗、自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)感知層、