傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用SectionV5

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用第三部分:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計實例蔡覺平

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/jpcai/中國電子學(xué)會2012.9提綱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要素?zé)o線頻譜感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)計水污染監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信和定位系統(tǒng)智能交通其它應(yīng)用領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要素傳感器信號采集傳輸數(shù)據(jù)量和傳輸速度通信和網(wǎng)絡(luò)接入方式網(wǎng)絡(luò)路由動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計無線通信WSN無線通信方式的確定信號傳輸速率信號覆蓋范圍功率損耗路由方式成本和可擴(kuò)展性典型芯片和解決方案RFID芯片Philip

mifare

one

ZigBee射頻芯片TI

CC2420(射頻收發(fā)芯片)TI

CC2533(SoC)藍(lán)牙芯片TI

CC2560WiFi芯片Marvell公司W(wǎng)8787Broadcom

BCM4329GPRSGTM-900華為網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用處處理器Intel

imoteMarvell(Intel2006)PXA270CC430|RF+低功耗MCUPhilip

mifare

one

RFID卡MIFAREMF1是符合ISO/IEC14443A的非接觸智能卡。其通訊層（MIFARERF接口）符合ISO/IEC14443A標(biāo)準(zhǔn)的第2和第3部分。其安全層支持域檢驗的CRYPTO1數(shù)據(jù)流加密。系統(tǒng)工作原理讀寫器將要發(fā)送的信息，經(jīng)編碼后加載到高頻載波信號上再經(jīng)天線向外發(fā)送。進(jìn)入讀寫器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收此信號，卡內(nèi)芯片的有關(guān)電路對此信號進(jìn)行倍壓整流、調(diào)制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權(quán)限等進(jìn)行判斷。若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過片上天線再發(fā)送給閱讀器，閱讀器對接收到的信號進(jìn)行解調(diào)、解碼、解密后送至信息系統(tǒng)進(jìn)行處理。若為修改信息的寫命令，有關(guān)控制邏輯引起電子標(biāo)簽內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，提供電壓擦寫E2PROM。若經(jīng)判斷其對應(yīng)密碼和權(quán)限不符，則返回出錯信息。特性1.1MIFARERF接口(ISO/IEC14443A)非接觸數(shù)據(jù)傳輸并提供能源（不需電池）工作距離：可達(dá)100mm（取決于天線尺寸結(jié)構(gòu)）工作頻率：13.56MHz快速數(shù)據(jù)傳輸：106kbit/s高度數(shù)據(jù)完整性保護(hù)：16BitCRC，奇偶校驗，位編碼，位計數(shù)真正的防沖突典型票務(wù)交易：<100ms（包括備份管理）1.2EEPROM1Kbyte，分為16個區(qū)，每區(qū)4個塊，每塊16字節(jié)。用戶可定義內(nèi)存塊的讀寫條件數(shù)據(jù)耐久性10年寫入耐久性100.000次1.3安全性相互三輪認(rèn)證（ISO/IECDIS9798-2）帶重現(xiàn)攻擊保護(hù)的射頻通道數(shù)據(jù)加密每區(qū)（每應(yīng)用）兩個密鑰，支持密鑰分級的多應(yīng)用場合每卡一個唯一序列號在運(yùn)輸過程中以傳輸密鑰保護(hù)對EEPROM的訪問權(quán)RF接口：RF接口符合非接觸智能卡標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC14443A。所傳送的每個字節(jié)末尾都有一個奇偶校驗位（奇校驗）。選定塊最低地址字節(jié)的最低位首先傳送。最大幀長為163bit（16數(shù)據(jù)字節(jié)+2個CRC字節(jié)=16*9+2*9+1起始位）。存儲器組織：1024x8bitEEPROM存儲器分為16區(qū)，每區(qū)4塊，每塊16字節(jié)。

在擦處后的狀態(tài)下，EEPROM的單元讀為邏輯“0”，寫后的狀態(tài)下讀為“1”。廠商代碼塊：這是第1區(qū)的第1塊（塊0）。數(shù)據(jù)塊：各區(qū)均有3個16字節(jié)的塊用于存儲數(shù)據(jù)（區(qū)0只有兩個數(shù)據(jù)塊以及一個只讀的廠商代碼塊）。尾塊（塊3），各區(qū)均有一個尾塊。通訊原理呼叫：卡上電復(fù)位后，通過發(fā)送request應(yīng)答碼（ATQA符合ISO/IEC14443A），能夠回應(yīng)讀寫器向天線范圍內(nèi)所有卡發(fā)出的request命令。防沖突循環(huán)：在防沖突循環(huán)中，讀回一張卡的序列號。如果在讀寫器的工作范圍內(nèi)有幾張卡，它們可以通過唯一序列號區(qū)分開來，并可選定以進(jìn)行下一步交易。未被選定的卡轉(zhuǎn)入待命狀態(tài)，等候新的request命令。

選卡：讀寫器通過selectcard命令選定一張卡以進(jìn)行認(rèn)證和存儲器相關(guān)操作。該卡返回選定應(yīng)答碼（ATS=08h），明確所選卡的卡型。三輪認(rèn)證：選卡后，讀寫器指定后續(xù)讀寫的存儲器位置，并用相應(yīng)密鑰進(jìn)行三輪認(rèn)證。認(rèn)證成功后，所有的存儲器操作都是加密的。存儲器操作（認(rèn)證后可執(zhí)行下列操作）：讀數(shù)據(jù)塊寫數(shù)據(jù)塊減值：減少數(shù)據(jù)塊內(nèi)的數(shù)值，并將結(jié)果保存在臨時內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器中。加值：增加數(shù)據(jù)塊內(nèi)的數(shù)值，并將結(jié)果保存在數(shù)據(jù)寄存器中?；謴?fù)：將數(shù)據(jù)塊內(nèi)容移入數(shù)據(jù)寄存器。轉(zhuǎn)存：將臨時內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容寫入數(shù)值塊。

存儲器讀寫接口電路形式RS232,485,422,USB,I2CRFIDTag形式wristbandPcbcardKeytagMetaltagGlasstageSealBlockertagtag+temp.sensorRFID讀卡器ZigBee解決方案目前在2.4GHz的RF芯片，以Chipcon（TI收購）市場占有率較高，其RF芯片CC2420搭配AtmelAVR8bits微處理器的平臺，也是大多數(shù)人接觸到ZigBee的第一個開發(fā)平臺。另外一家2.4GHz的RF芯片廠商Freescale，也有漸漸迎頭趕上的趨勢。其RF芯片共分3種型號：MC13191、MC13192與MC13193，搭配不同的協(xié)議軟件，提供給廠商進(jìn)行不同產(chǎn)品的開發(fā)。在軟件部分，國際上已經(jīng)有許多公司有提供ZigBeeStack，例如：Ember、AirBee、Figure8Wireless等，其中以Figure8Wireless(F8W)所設(shè)計的Z-Stack最富盛名。Chipcon把F8W買下來后，使得Chipcon成為ZigBee的完全解決方案的提供者。Freescale，也是搭配F8W的Z-Stack。這樣，ChipconCC2420+Z-Stack以及Freescale13193+Z-Stack都已成為認(rèn)證時的黃金平臺。ZigBee射頻芯片CC2420（調(diào)制解調(diào)芯片）

ZigBee芯片模塊方面，則內(nèi)含RF、PHY與MAC做成一單芯片。

CC2420主要特性/cn/lit/ds/symlink/cc2420.pdf調(diào)制解調(diào)方式傳輸幀格式和功率損耗PowerDown20uA@3.0VIdleMode426uA@3.0VReceiveMode18.8mA@1.8VTransmitMode8.5mA@3.0V(P=-25dBm)11mA@3.0V

(P=-10dBm)17.4mA@3.0V(P=0dBm)CC2533（SoC芯片）/cn/lit/ds/symlink/cc2533.pdfCC2533主要特性2.4GHz

ZigBee射頻收發(fā)器CPU集成高性能8051MCU96KB

Programm

Flash6KB

RAM外圍設(shè)備接口I2C,UART(SPI),GPIO(23),Watchdog功耗（Power

Voltage

2-3.6V）Receive

Mode

25mATransmitMode 28.5mA4uswake-up 6.2uASleepTimingRunning 1uAExternalInterrupt 0.5uA典型應(yīng)用系統(tǒng)的接口電路舉例網(wǎng)關(guān)ZigBee終端結(jié)構(gòu)示意圖程序的結(jié)構(gòu)

程序的結(jié)構(gòu)

某些ZigBee協(xié)議棧提供了類似OS的方式來調(diào)度程序。

一般一個應(yīng)用大致分為兩部分：

App_init()

進(jìn)行應(yīng)用程序的初始化工作

App_processevent()

對于各種事件的處理

事件包括系統(tǒng)事件和用戶事件，人們可以把要執(zhí)行的程序使用Event方式來和系統(tǒng)連為一體。TI

CC2560PAN1315（Panasonic）CC2560/industrial/includes/pdf/PAN1315%20Core%20Specifications.pdfWiFi芯片Marvell公司W(wǎng)8787SDIO接口SDIO1.0標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種類型的SDIO卡：全速的SDIO卡，傳輸率可以超過100Mbps；低速的SDIO卡，支援的時脈速率在0至400KHz之間。主要應(yīng)用：藍(lán)牙照相機(jī)GPSWiFiMarvell公司W(wǎng)8787

Marvell公司W(wǎng)8787

支持操作系統(tǒng)：AndroidWMLinuxBroadcom

BCM4329Broadcom

BCM4329支持操作系統(tǒng)：AndroidWMLinuxiOS2G網(wǎng)絡(luò)接入GPRSGTM-900華為2G網(wǎng)絡(luò)接入GPRSUART接口3G數(shù)據(jù)卡與運(yùn)營商合作網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用處處理器WSN處理器的選擇運(yùn)算量應(yīng)用需求功率損耗集成度集成平臺Intel

imoteImote2是一款先進(jìn)的無線傳感器節(jié)點平臺.它集成了低功耗的PXA271XScaleCPU和兼容IEEE802.15.4

的射頻芯片.Marvell(Intel2006)PXA27013-416MHz操作系統(tǒng)LinuxWMCC430|RF+低功耗MCUCC1101SoC方案的收發(fā)器高靈敏度低電流損耗卓越的模塊性能靈活的數(shù)據(jù)速率以及調(diào)制模式MSP430?微控制器工業(yè)級最低功耗的

MCU16位精簡指令結(jié)構(gòu)20MHz的處理器高性能的模擬部分

傳感接口48腳QFN封裝7.15mmx7.15mmarea智能外設(shè)比較器，工作電流消耗僅100nA8通道12位ADC(最高200ksps的采樣率)96段LCD控制器128位的

AES安全加解密協(xié)處理器CC430F613xCC430F613xCPU性能射頻性能功耗性能操作系統(tǒng)CC430芯片家庭護(hù)理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其它處理器芯片DSP

TI

6678

工作頻率1.25GHz運(yùn)算量320GMAC/160GFLOP@1.25GHz操作系統(tǒng)RTOSARM

Contex

A9

TI

3894工作頻率1.5GHz計算量3GMAC@1.5GHz3D高精度1920x1280顯示操作系統(tǒng)linux

Android

WM等2010年國家重大專項關(guān)于WSN項目短距離無線互聯(lián)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化（M2M共性技術(shù)）支持多傳感網(wǎng)應(yīng)用的中間件平臺研發(fā)（共性技術(shù)）傳感器網(wǎng)絡(luò)電磁頻譜監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究中高速傳感器網(wǎng)絡(luò)核心芯片研發(fā)（500Kbps）面向民用機(jī)場周界防入侵監(jiān)視的新一代傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)與應(yīng)用驗證面向智能電網(wǎng)的安全監(jiān)控、輸電效率、計量及用戶交互的傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)與應(yīng)用驗證面向太湖藍(lán)藻爆發(fā)監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)與應(yīng)用驗證面向地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)與應(yīng)用驗證提綱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要素?zé)o線頻譜感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)計水污染監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信和定位系統(tǒng)智能交通其它應(yīng)用領(lǐng)域2010年國家重大專項項目傳感器網(wǎng)絡(luò)電磁頻譜監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究課題說明：從傳感器網(wǎng)絡(luò)的行業(yè)、公眾、特種應(yīng)用對電磁頻譜監(jiān)測的需求出發(fā)，考慮未來傳感網(wǎng)對頻譜感知的功能要求，針對分布式電磁頻譜監(jiān)測進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究，為傳感網(wǎng)在多種電磁環(huán)境中廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。研究目標(biāo)：針對分布式電磁頻譜監(jiān)測進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究，重點突破電磁頻譜監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)；典型應(yīng)用場景的信道測試和建模；面向電磁頻譜監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)；具備電磁頻譜感知共存能力的無線傳輸技術(shù)；分布式協(xié)同信號檢測、定位與跟蹤技術(shù)；分布式協(xié)同信號識別與分類技術(shù)；小型化、低功耗電磁感知節(jié)點一體化設(shè)計；建立上述關(guān)鍵技術(shù)功能驗證的電磁頻譜監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)試驗系統(tǒng)，并形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)指標(biāo)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點個數(shù)：不少于50個；監(jiān)測信號頻率范圍：6GHz以下；監(jiān)測信號類型：ASK、FSK、MSK、BPSK、QPSK、8PSK、QAM等；信號特征參數(shù)提?。褐行念l率、帶寬、波特率等；傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間傳輸速率：>64Kbps；具有可擴(kuò)展能力的電磁頻譜監(jiān)測傳感網(wǎng)組網(wǎng)協(xié)議；形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；申請發(fā)明專利數(shù)。項目背景和技術(shù)要求頻譜資源相對緊張同時存在不合理利用，浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重

頻譜空穴（spectrumhole）頻譜中的資源閑置2003年12月，美國聯(lián)邦通信委員會FCC在其規(guī)則第15章（FCCrulePart15），公布了修正案。從法律上規(guī)定[5]“只要具備認(rèn)知無線電功能，即使是其用途未獲許可的無線終端，也能使用需要無線許可的現(xiàn)有無線頻帶”。為新的無線資源管理技術(shù)奠定了法律基礎(chǔ)。2004年10月，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織IEEE成立IEEE802.22工作組，制定采用認(rèn)知無線電技術(shù)，在VHF/UHF廣播電視頻段實現(xiàn)無線寬帶接入的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。因此對于頻譜資源的監(jiān)測和控制是無線頻譜管理的重要任務(wù)系統(tǒng)方案該系統(tǒng)對于供電無特殊要求，不是低功耗系統(tǒng)。數(shù)據(jù)量分析數(shù)據(jù)信號要求監(jiān)測信號頻率范圍：6GHz以下；分辨率100Hz；更新速率600s（10分鐘）采用16位浮點數(shù)數(shù)據(jù)量計算系統(tǒng)一次更新數(shù)據(jù)量120MB系統(tǒng)要求傳輸速率為1.6Mbps無線方案選擇WiFi自組織網(wǎng)絡(luò)LTETD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)特點數(shù)據(jù)量大網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可自組織無功耗要求難點：數(shù)據(jù)壓縮網(wǎng)絡(luò)的路由接收機(jī)射頻WSN數(shù)據(jù)無損壓縮編碼數(shù)據(jù)壓縮有損壓縮無損壓縮行程編碼LZW編碼哈夫曼編碼算術(shù)編碼無損預(yù)測編碼位平面編碼有損預(yù)測編碼分形編碼模型編碼子帶編碼神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)編碼變換編碼K-L變換Haar變換Walsh.Hadamard變換離散余弦變換離散傅立葉變換斜變換小波變換WSN數(shù)據(jù)無損壓縮編碼非等長數(shù)據(jù)壓縮Huffman編碼cabcedeacacdeddaaabaababaaabbacdebaceadaa–16b–7c–6d–6e-5例子中的信息編碼為：101010010111111011101010101......碼長88位，比Shannon-Fano編碼略短一些a–0b–100c–101d–110e–111root00111abcde001可以得到約35%的數(shù)據(jù)壓縮，使數(shù)據(jù)傳輸速率降低到1.2Mbps左右WSN數(shù)據(jù)無損壓縮編碼行程編碼（RLE）RLE編碼是將數(shù)據(jù)流中連續(xù)出現(xiàn)的字符用單一記號標(biāo)記例如字符串AABCDDDDDDDDBBBBB,可以壓縮為3ABC8D5B頻譜檢測節(jié)點設(shè)備處理器的選擇TMS320C6701+FPGA工作頻率167MHz運(yùn)算速度1GFLOPSTMS320C6678

工作頻率1.25GHz運(yùn)算量320GMAC/160GFLOP@1.25GHzTMS320C6670工作頻率1.2GHz運(yùn)算量153.6GMAC/76.8GFLOP@1.2GHzVCP2,TCP3d,TCP3e,FFT,PA

無線傳輸方案的選擇最佳路由備選替換路由有線回傳Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWiFi自組織路由技術(shù)覆蓋范圍100-1000mWiFi網(wǎng)橋自組織網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接次數(shù)與關(guān)系速率：R<R/2n50節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中最高轉(zhuǎn)接次數(shù)n=5能夠確保2Mbps的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸WiFi網(wǎng)絡(luò)接入的載波偵聽技術(shù)接入機(jī)制競爭機(jī)制CSMA和TDMAPolling技術(shù)提高路由性能WLAN網(wǎng)橋設(shè)備符合IEEE802.11a/b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，采用MIMO、OFDM技術(shù)；支持APWDS、StationWDS、AP、Station等應(yīng)用模式；TDMAPolling技術(shù)，具有先進(jìn)的抗鄰區(qū)（Inter-Cell）互擾能力和在點對多點（PTMP）連接時也具備高吞吐量、低延時能力；超高傳輸速率：擁有300Mbps的傳送速率，實際數(shù)據(jù)速率高達(dá)150Mbps以上；現(xiàn)場頻譜掃描軟件：可以掃描5.8GHz全頻段，并給出信號強(qiáng)度、具體頻點、信道，方便工程調(diào)試;信道頻寬：通過軟件可控每個信道的頻寬5MHz、10MHz、20MHz、40MHz，有效利用頻點資源，優(yōu)化無線鏈路，特別有利于大規(guī)模的視頻數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)；多重安全措施：支持WEP，WPA，WAP2和802.1x，支持國際標(biāo)準(zhǔn)的AES/TKIP；

LTE主要技術(shù)指標(biāo)支持1.25MHz-20MHz帶寬峰值速率：下行100Mbps，上行50Mbps。頻譜效率達(dá)到3GPPR6的2-4倍移動性0~15km/h(最佳性能)0～120km/h(較好性能)120km/h~350km/h(保持連接，確保不掉線)

覆蓋范圍0~5km(較高頻譜利用率)5~30km(稍差的頻譜利用率)用戶面延遲（單向）小于5ms，控制面延遲小于100ms支持增強(qiáng)型的廣播多播業(yè)務(wù)支持增強(qiáng)的IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）和核心網(wǎng)取消CS（電路交換）域，CS域業(yè)務(wù)在PS（包交換）域?qū)崿F(xiàn)，如采用VoIP支持與現(xiàn)有3GPP和非3GPP系統(tǒng)的互操作QoS如果要保證系統(tǒng)的QoS,有2個選擇:超/富裕帶寬設(shè)計在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)執(zhí)行QoS機(jī)制全雙工/802.3x，帶優(yōu)先級可交換/802.1p并結(jié)合第三層協(xié)議，比如RSVPRSVP=ResourcesReservationProtocolEthernetLAN帶QoS

QoSWi-FiMultimediaExtensions(WME):wmm(無線多媒體)是802.11e標(biāo)準(zhǔn)的一個子集。wmm允許無線通信根據(jù)數(shù)據(jù)類型定義一個優(yōu)先級范圍。時間敏感的數(shù)據(jù)，如視頻/音頻數(shù)據(jù)將比普通的數(shù)據(jù)有更高的優(yōu)先級。為了使wmm功能工作，無線客戶端必須也支持wmm?？蛻艨梢愿鶕?jù)需求選擇是或否。MM(Wi-FiMultiMedia)是Wi-FiAlliance(WFA)的QoS證書。WMM一經(jīng)啟用，適配器便用它來支持Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)先級標(biāo)記和排隊功能。QoSWi-FiScheduledMultimedia(WSM):預(yù)定進(jìn)度的無線多媒體”（Wi-FiScheduledMultimedia），它可以對某些指定流量設(shè)定均勻間隔的時間周期。每個預(yù)定安排都是一個流量規(guī)范，但它只發(fā)送與指定流量有關(guān)的數(shù)據(jù)包。這將大大減輕無線數(shù)據(jù)傳輸過程中的沖突，并可建立有保證的時間周期，使設(shè)備能夠正常傳輸流量。另外，它暫停了CSMA的補(bǔ)償規(guī)則，因而加速了連續(xù)數(shù)據(jù)包的傳輸。

QoS用戶使用提綱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要素?zé)o線頻譜感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)計水污染監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信和定位系統(tǒng)智能交通其它應(yīng)用領(lǐng)域2010國家重大專項項目面向太湖藍(lán)藻爆發(fā)監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)研發(fā)與應(yīng)用驗證需求:

2007年發(fā)生在無錫市的5·29太湖飲用水危機(jī)事件直接的原因是太湖富營養(yǎng)化導(dǎo)致藍(lán)藻水華暴發(fā)使得飲用水水源地受到污染所致。本應(yīng)用示范為解決太湖飲用水污染問題提供有效技術(shù)手段。以此為例，可拓展至我國湖泊水體監(jiān)測系統(tǒng)。與國家已設(shè)置的環(huán)保有關(guān)專項不同，本課題主要開展對水體富營養(yǎng)化程度等的分布式動態(tài)實時監(jiān)測。建立特殊區(qū)域重點監(jiān)測傳感網(wǎng)和太湖湖泊全覆蓋TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的新型監(jiān)測系統(tǒng)，為今后藍(lán)藻爆發(fā)危情提供一線感知數(shù)據(jù)，有助于環(huán)境監(jiān)測部門對太湖等富營養(yǎng)化水體的多項指標(biāo)做及時的監(jiān)管和控制，針對應(yīng)急情況做出快速反應(yīng)；有助于推動TD-SCDMA走向綜合運(yùn)營；對避免水危機(jī)事件發(fā)生、保障飲用水安全具有重要意義。研究目標(biāo)：從避免水危機(jī)事件發(fā)生、保障飲用水安全的民生角度出發(fā)，圍繞我國環(huán)境部門對太湖富營養(yǎng)化水體各種指標(biāo)的監(jiān)管和控制、對應(yīng)急情況的及時處理等要求，建立基于傳感網(wǎng)和TD-SCDMA結(jié)合的富營養(yǎng)化水體水質(zhì)和藍(lán)藻水華分布式動態(tài)實時監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)，為今后藍(lán)藻爆發(fā)危情提供一線感知數(shù)據(jù)。突破特定應(yīng)用和工程部署關(guān)鍵技術(shù)，完善傳感網(wǎng)水質(zhì)、水體智能檢測應(yīng)用子集設(shè)計、產(chǎn)品定義和系統(tǒng)解決方案，推動相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，側(cè)重實現(xiàn)對中高速傳感網(wǎng)與低功耗傳感網(wǎng)等混合組網(wǎng)的技術(shù)應(yīng)用驗證，并對前期設(shè)置課題中設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等成果進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性和規(guī)模性驗證，為傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測中的大規(guī)模應(yīng)用推廣奠定基礎(chǔ)。技術(shù)指標(biāo)應(yīng)用驗證系統(tǒng)規(guī)模應(yīng)支持水環(huán)境監(jiān)測基本完備功能，TD接入點不小于10個，傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達(dá)數(shù)百節(jié)點級，為行業(yè)規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。提交水質(zhì)、水體環(huán)境監(jiān)測等的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提案不少于2項。應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)能驗證09年相關(guān)課題中的設(shè)備產(chǎn)品種類的80%，進(jìn)入規(guī)模應(yīng)用驗證。同時，申報單位須提供下列指標(biāo)（但不限于）的具體建議：太湖富營養(yǎng)化水體和藍(lán)藻水華監(jiān)測系統(tǒng)中特定應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)如：中高速傳感網(wǎng)與低功耗傳感網(wǎng)的異構(gòu)融合；適用于湖泊水體的的微型智能化節(jié)點設(shè)計；湖泊環(huán)境動態(tài)實時監(jiān)測及預(yù)警傳感網(wǎng)平臺等技術(shù)指標(biāo)。申請發(fā)明專利數(shù)和預(yù)期授權(quán)率。傳感器采集信號要求該平臺通過在目標(biāo)水域中建立集氣象系統(tǒng)、水文系統(tǒng)、水質(zhì)系統(tǒng)、自動剖面系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N功能于一體的氣象水文野外生態(tài)站，自動監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域中的大氣壓、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)以此來監(jiān)測水體流速以及不同水層的水質(zhì)狀況。通過系統(tǒng)的比對分析對氣象、水質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，提前做好應(yīng)對措施；通過監(jiān)測實時數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究影響水文氣象環(huán)境的各項因素，提出科學(xué)的治理方案，從根本上解決水環(huán)境問題。系統(tǒng)總體方案2023/2/478監(jiān)控中心實時數(shù)據(jù)顯示遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析無線水質(zhì)監(jiān)測小浮標(biāo)浮標(biāo)平臺數(shù)據(jù)采集基站（TD節(jié)點）傳感網(wǎng)節(jié)點；將水質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸給基站的協(xié)調(diào)器傳感網(wǎng)協(xié)調(diào)器，控制網(wǎng)絡(luò)，采集傳感網(wǎng)節(jié)點數(shù)據(jù)；水質(zhì)、水文、氣象、視頻、氣味采集；將數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)傳輸給監(jiān)控中心利用移動運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程移動通信網(wǎng)絡(luò)太湖示范區(qū)系統(tǒng)工作流程數(shù)據(jù)處理監(jiān)測小浮標(biāo)浮標(biāo)平臺監(jiān)控中心數(shù)據(jù)發(fā)布統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)存儲移動網(wǎng)絡(luò)傳感網(wǎng)水質(zhì)傳感器水質(zhì)傳感器氣象傳感器水文傳感器視頻數(shù)據(jù)或狀態(tài)現(xiàn)場控制命令傳感器種類水質(zhì)參數(shù)：水溫、PH、溶解氧、總磷、總氮、氨氮、電導(dǎo)率、濁度、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、硝酸鹽生物參數(shù):水體葉綠素α濃度、水體藻藍(lán)蛋白濃度、藍(lán)綠藻濃度氣象參數(shù)：風(fēng)速、風(fēng)向、空氣濕度、溫度、光照度，降雨量水文參數(shù)：水流流向、水流流速、水位視頻氣味傳感器：NH3、H2S傳感器傳輸速率分析監(jiān)測小浮標(biāo)節(jié)點數(shù)據(jù)參數(shù)浮標(biāo)平臺(具有20節(jié)點數(shù)據(jù)融合)環(huán)境測量數(shù)據(jù)<5KB*20=100KB視頻監(jiān)控環(huán)境測量傳感器種類數(shù)據(jù)量水質(zhì)參數(shù)<1KB生物參數(shù)<1KB氣象參數(shù)<1KB水文參數(shù)<1KB氣味傳感器<1KB監(jiān)測小浮標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)方案每20節(jié)點監(jiān)測小浮標(biāo)向一個浮標(biāo)平臺發(fā)送傳感器采集數(shù)據(jù)。20節(jié)點，每節(jié)點每次數(shù)據(jù)量小于5KB；每10分鐘發(fā)送一次采集數(shù)據(jù)；每節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸速率為70bps，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率為1.4kbps。可選擇技術(shù)方案GPRS和ZigBeeGPRS需要和運(yùn)營商合作，費(fèi)用大；ZigBee屬于自組織網(wǎng)絡(luò)，只有一次投入費(fèi)用，無后續(xù)費(fèi)用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率為250kbps,因此可以選擇ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為監(jiān)測小浮標(biāo)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)ZigBee通信可靠性保證在低信噪比的環(huán)境下ZigBee具有很強(qiáng)的抗干擾性能。誤碼率信噪比dBbluetoothZigBee通信可靠性保證監(jiān)控浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器全功能設(shè)備(FFD,Router):可以支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設(shè)備進(jìn)行通信

精簡功能設(shè)備(RFD)：只支持星型結(jié)構(gòu)，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進(jìn)行通信，實現(xiàn)簡單。

星型網(wǎng)狀型簇狀型中間協(xié)調(diào)器接收和發(fā)送信標(biāo)幀MAC層幀結(jié)構(gòu)目標(biāo)：用最低復(fù)雜度實現(xiàn)多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸幀組成地址格式：16位短地址和64位擴(kuò)展地址幀控制字段的內(nèi)容指示地址類型幀的類型：信標(biāo)幀，數(shù)據(jù)幀，確認(rèn)幀，MAC命令幀信標(biāo)幀格式數(shù)據(jù)幀格式確認(rèn)幀格式命令幀格式IEEE802.15.4MAC協(xié)議

在DCF工作方式下，載波偵聽機(jī)制通過物理載波偵聽和虛擬載波偵聽來確定無線信道的狀態(tài)。物理載波偵聽由物理層提供，虛擬載波偵聽由MAC層提供。IEEE802.15.4（ZigBee）MAC協(xié)議協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)議器同步；支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)（association）和取消關(guān)聯(lián)（disassociation）操作；支持無線信道通信安全；使用CSMA-CA機(jī)制訪問信道；支持時槽保障（guaranteedtimeslot,GTS）機(jī)制；支持不同設(shè)備的MAC層間可靠傳輸。IEEE802.15.4（ZigBee）MAC協(xié)議中間協(xié)調(diào)器接收和發(fā)送信標(biāo)幀浮標(biāo)平臺數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)方案匯聚20節(jié)點的監(jiān)控浮標(biāo)傳感器采集信息數(shù)據(jù)融合后的采集信息速率小于1.4kbps視頻信息約2Mbps高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)與其它品牌高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)對比分析比較項目高清攝像機(jī)HH品牌HK品牌AX品牌壓縮算法MainProfile@Level4.1BaselineProfilempeg4MJPEG720P雙碼流1080P實時流720P+720P以下25fps720P不支持720P12.5fps720P720P/2M編碼水平解析度727線620線600線720P等畫質(zhì)推薦碼流2M4M6M12M自動光圈控制完全支持暫不支持RTSP協(xié)議完全支持浮標(biāo)平臺網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和接入TD-LTETD-LTELTE主要技術(shù)指標(biāo)支持1.25MHz-20MHz帶寬峰值速率：下行100Mbps，上行50Mbps。頻譜效率達(dá)到3GPPR6的2-4倍提高小區(qū)邊緣的傳輸速率移動性0~15km/h(最佳性能)0～120km/h(較好性能)120km/h~350km/h(保持連接，確保不掉線)

覆蓋范圍0~5km(較高頻譜利用率)5~30km(稍差的頻譜利用率)用戶面延遲（單向）小于5ms，控制面延遲小于100ms支持增強(qiáng)型的廣播多播業(yè)務(wù)支持增強(qiáng)的IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）和核心網(wǎng)取消CS（電路交換）域，CS域業(yè)務(wù)在PS（包交換）域?qū)崿F(xiàn)，如采用VoIP支持與現(xiàn)有3GPP和非3GPP系統(tǒng)的互操作系統(tǒng)組網(wǎng)方案短距離通信小浮標(biāo)和采集基站進(jìn)行通信,采用ZigBee協(xié)議低功耗高可靠性低成本長距離通信采集基站和監(jiān)控中心通信,決定采用移動公司提供的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)TD技術(shù)已經(jīng)成熟中國自主知識產(chǎn)權(quán)無錫地區(qū)網(wǎng)絡(luò)已基本成熟采用VPN（VirtualPrivateNetwork，虛擬專用網(wǎng)絡(luò)），每一個采集基站賦予一個IP地址網(wǎng)絡(luò)安全利用MAC幀為單位四種幀安全的服務(wù)訪問控制數(shù)據(jù)加密幀完整性檢查順序更新ZigBee組網(wǎng)安全TD組網(wǎng)安全TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)平臺對安全性作了全面考慮注冊：用戶向基站報告其位置狀態(tài)、身份標(biāo)志和其他特征的過程鑒權(quán)：用戶向網(wǎng)絡(luò)證實自己身份認(rèn)證的一個過程加密：在基站和移動臺之間交換信息專門采用了一個加密程序監(jiān)控中心的硬件體系結(jié)構(gòu)

接收各基站的數(shù)據(jù)信息，通過解析對數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和傳遞應(yīng)用程序服務(wù)，包括組態(tài)軟件的服務(wù)、并可提供對數(shù)據(jù)的分析和處理為內(nèi)部局域網(wǎng)進(jìn)行配置以保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行

主業(yè)務(wù)臺、備用業(yè)務(wù)臺、數(shù)據(jù)管理業(yè)務(wù)臺等實時監(jiān)測軟件集成太湖示范區(qū)藍(lán)藻監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)置接收處理自動報警數(shù)據(jù)顯示統(tǒng)計分析手動采集控制管理節(jié)點維護(hù)WEB瀏覽采用組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)庫軟件開發(fā)數(shù)據(jù)接口規(guī)范：《江蘇省環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換協(xié)議規(guī)范》數(shù)據(jù)存儲實時監(jiān)測各項參數(shù)保存實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)在線報警顯示實時和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析提供各級管理部門網(wǎng)上Web瀏覽查詢功能無線水質(zhì)監(jiān)測小浮標(biāo)集成設(shè)計浮體：離子聚合泡沫塑料重量輕、浮力高抗吸水性強(qiáng)、抗碰撞抗腐蝕性強(qiáng)能抵抗生物沾附浮體儀器室能源系統(tǒng)密封防水與外界的聯(lián)系通過板蓋上的水密接頭進(jìn)行儀器室不銹鋼桶底部與水體接觸，可平衡室內(nèi)的溫度太陽能板+鐵鋰電池溫度廣：-200C至+700C無記憶效應(yīng)，壽命長無污染重量輕控制器靈活增刪探頭浮標(biāo)平臺數(shù)據(jù)采集基站集成設(shè)計采用符合國際航道標(biāo)志協(xié)會要求的標(biāo)準(zhǔn)燈標(biāo):在晚上或濃霧時向周邊船只發(fā)出警示加裝GPS及防盜報警系統(tǒng)，加裝避雷裝置錨泊系統(tǒng)：包括主錨及副錨兩部分。水質(zhì)傳感器水文傳感器

視頻TD天線控制器：實現(xiàn)傳感網(wǎng)與TD的融合

氣象傳感器氣味傳感器附體與能源系統(tǒng)要求同小浮標(biāo)采集基站控制器電路設(shè)計

實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與TD網(wǎng)絡(luò)的融合基站與小浮標(biāo)節(jié)點點間，基站與監(jiān)控中心間數(shù)據(jù)的雙向通信采用ARM-DSP雙處理器架構(gòu)結(jié)合ZigBee與TD無線傳輸技術(shù)浮標(biāo)的能源管理能源管理關(guān)系到電池的壽命和設(shè)備的安全運(yùn)行池保護(hù)功能：充電保護(hù)：當(dāng)充電結(jié)束時，關(guān)閉充電電路降壓保護(hù)：當(dāng)陰雨天氣時，浮標(biāo)由電池供電，當(dāng)電池電壓下降到一定程度可按用戶設(shè)定先切斷部分單元的供電，保護(hù)電池不致過放損壞浮標(biāo)工作模式：通過監(jiān)測軟件控制浮標(biāo)工作狀態(tài)通過監(jiān)測軟件控制浮標(biāo)工作狀態(tài)按預(yù)先設(shè)定的采集間隔進(jìn)行工作，并可實時調(diào)整，間隔中間處于休眠狀態(tài)提綱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要素?zé)o線頻譜感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)計水污染監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信和定位系統(tǒng)智能交通其它應(yīng)用領(lǐng)域功能定位安全監(jiān)測系統(tǒng)人員實時定位控制臺與人員實時短信交流控制臺實時顯示人員周圍環(huán)境情況

定位

通信

安全監(jiān)測主要技術(shù)指標(biāo)自組織通信網(wǎng)絡(luò)最低限度應(yīng)急通信傳輸支持預(yù)警、求救、語音和數(shù)據(jù)通信功能定位功能定位分辨率：0.25米；

未優(yōu)化定位誤差：4米；

優(yōu)化后定位誤差：2米定位周期：小于1秒；

定位目標(biāo)最大移動速度：5米/秒；

相鄰節(jié)點最大間距：50米數(shù)傳速率：4Kbps應(yīng)急通信和定位系統(tǒng)技術(shù)特點分析網(wǎng)絡(luò)具有不穩(wěn)定性，存在節(jié)點丟失情況，網(wǎng)絡(luò)具有自組織建立功能；具有應(yīng)急通信功能，數(shù)據(jù)傳輸速率低；定位精度高；具有最低限度數(shù)據(jù)傳輸和路由性能；電池供電，具有低功耗要求。數(shù)據(jù)量分析承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量語音信號數(shù)據(jù)量3Kbps；短信數(shù)據(jù)量128Bytes/packetRSSI信號4Bytes全網(wǎng)數(shù)據(jù)量分析60節(jié)點語音信號數(shù)據(jù)量180Kbps短信和RSSI信號小于10Kbps無線網(wǎng)絡(luò)方案：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸量小覆蓋距離短，小于30m電池供電系統(tǒng)，AAA電池4節(jié)傳感器節(jié)點設(shè)計通信系統(tǒng)接口層數(shù)據(jù)包處理網(wǎng)絡(luò)自組織性01456?2節(jié)點丟失1234215節(jié)點發(fā)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)貪婪路由策略優(yōu)點采用局部最優(yōu)的貪婪算法，不需要維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，路由開銷?。豢蛇m用于靜態(tài)和移動的WSN網(wǎng)絡(luò)；缺點需要地理位置信息的支持；需要維護(hù)鄰居節(jié)點位置信息。MFR(MostForwardwithinRadius)：使到目的節(jié)點的跳數(shù)最少。NFP(NearestwithForwardProgress)：使節(jié)點之間干擾最少CR(CompassRouting)：減小數(shù)據(jù)傳輸范圍GPSR協(xié)議評價GEAR：GeographicandEnergyAwareRouting分兩個階段：查詢消息到達(dá)目的區(qū)域的路徑查詢消息在目標(biāo)區(qū)域的傳播選路依據(jù)節(jié)點到查詢區(qū)域通信能量能耗節(jié)點本身的剩余能量最小代價節(jié)點為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點查詢命令傳送到目標(biāo)區(qū)域貪婪算法－選擇鄰居節(jié)點到達(dá)指定區(qū)域的代價查詢在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)傳送：洪泛方式，迭代地理轉(zhuǎn)發(fā)將目標(biāo)區(qū)域分解為若干子區(qū)域、向子區(qū)域的中心位置轉(zhuǎn)發(fā)）優(yōu)點利用了位置信息，避免了查詢消息的Flooding；考慮了消耗的能量和節(jié)點剩余能量，均衡消息；路徑選擇可達(dá)到局部最優(yōu)；迭代地理轉(zhuǎn)發(fā)對洪泛機(jī)制的補(bǔ)充；缺點可能出現(xiàn)路由空洞（局部信息）-兩跳信息；不適合在移動WSN使用定位測距技術(shù)大多數(shù)已有的位置發(fā)現(xiàn)方法由兩個基本的階段組成：距離（或角度）估計距離（或角度）融合估計兩個節(jié)點間距離最常用的方法是：接收信號強(qiáng)度指示RSSI：根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度計算路徑損耗，再將路徑損耗轉(zhuǎn)換成距離?；跁r間的方法（ToA、TDoA）：根據(jù)信號到達(dá)時間或兩種信號的到達(dá)時間差估算距離。到達(dá)角度AoA：估計信號的到達(dá)角度，用幾何關(guān)系計算節(jié)點位置。RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射功率，接收節(jié)點根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度估算到發(fā)射節(jié)點的距離。使用最廣泛的信號傳播模型是對數(shù)距離路徑損耗模型，其中功率均用分貝表示：大量研究表明，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無法得到信號衰減與距離之間的一致模型，主要原因在于：環(huán)境的影響：多路徑、衰落、遮蔽效應(yīng)天線高度節(jié)點的發(fā)射功率未精確校準(zhǔn)TDoA（TimeDifferenceofArrival）發(fā)送節(jié)點同時發(fā)出射頻及超聲波兩種信號，接收節(jié)點根據(jù)收到兩種信號的時間差來估算距離。特點：精度高傳輸特性也受環(huán)境影響，但較易檢測超聲傳輸距離短AoA（AngleofArrival）通過陣列天線或多個接收器得到信號到達(dá)的方向。圖示的例子中同時使用到達(dá)信號的時間差（TDoA）和相位差：使用兩個超聲信號接收器，相距L放置；利用TDoA得到兩個超聲信號接收器到發(fā)送節(jié)點的距離x1和x2；利用x1、x2和L計算到發(fā)送節(jié)點的角度θ。距離（角度）融合距離（角度）融合常用的方法是：三邊測量法（tri-lateration）：通過計算3個圓的交點來定位節(jié)點。三角測量法（triangulation）：使用三角函數(shù)來計算節(jié)點位置。最大似然估計法（MaximumLikelihoodestimation）：通過最小化測量距離和估計距離之間的差異來估計節(jié)點位置。不基于測距的（rang-free）定位算法不基于測距的算法不需要知道待定位節(jié)點到參考節(jié)點的距離，或者不需要直接測量此距離，成本和功耗較低。幾種典型的不基于測距的定位算法：質(zhì)心法（Centroid）幾何約束法（GeomenticConsrain）DV-HOP質(zhì)心法質(zhì)心法基于以下兩個假設(shè)：射頻信號的傳播遵循理想的圓球模型所有節(jié)點的通信距離相等網(wǎng)絡(luò)中放置了固定數(shù)量、通信區(qū)域相重疊的一組參考節(jié)點，這些參考節(jié)點構(gòu)成規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。質(zhì)心法原理參考節(jié)點周期性地發(fā)送包含自射位置信息的信標(biāo)消息；未知節(jié)點在一個給定的時間間隔t內(nèi)接收信標(biāo)消息，對于每個參考節(jié)點Ri，統(tǒng)計在該時間內(nèi)收到的信標(biāo)消息數(shù)Nrecv(i,t)，計算對應(yīng)的連接測度CMi：

CMi=Nrecv(i,t)/Nsent(i,t)×100%未知節(jié)點選擇連接測度大于指定閾值的參考節(jié)點（設(shè)為k個），計算這些參考節(jié)點的質(zhì)心作為自己的位置估計值：幾何約束法每個節(jié)點的信號覆蓋范圍可以用一個幾何形狀來表示對于每個聽到的參考節(jié)點，待定位節(jié)點計算這些參考節(jié)點信號覆蓋范圍的重疊區(qū)域。計算包含重疊區(qū)域的最小矩形，矩形的中心作為節(jié)點的位置估計值。定位技術(shù)采用RSSI和質(zhì)心定位技術(shù)定位流程RSSI定位技術(shù)存在的問題近端失效：實際測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)盲節(jié)點距離某一個參考節(jié)點較近時，定位誤差較大，定位結(jié)果有偏向該參考節(jié)點趨勢。理想的RSSI的計算公式如下：

而點對點信號強(qiáng)度測試實驗發(fā)現(xiàn)，隨著兩個節(jié)點間距離的增大，RSSI不像理想中的那樣按指數(shù)規(guī)律減小，而是在2米左右出現(xiàn)一個峰值。RSSI是否優(yōu)化后定位結(jié)果對比（左圖：未優(yōu)化，右圖：優(yōu)化后）定位精度從4m精確到1m系統(tǒng)功耗分析可以使用CC430F613x單芯片實現(xiàn)4節(jié)AAA電池可以帶機(jī)工作1年?；跓o線電波的能量回收如何保證節(jié)點在微弱電磁環(huán)境中工作距離輻射源越遠(yuǎn)，環(huán)境電磁波能量越小根據(jù)遠(yuǎn)場區(qū)場強(qiáng)公式：？收集足夠的環(huán)境電磁能盡可能減小節(jié)點的功耗環(huán)境電磁波頻譜能量測量天線設(shè)計能量轉(zhuǎn)換與存儲電源特性分析低功耗節(jié)點設(shè)計電源管理電路設(shè)計主要研究內(nèi)容TI解決方案Withaslowas160uA/MHz(microamppermegahertz)activepowerconsumptionand1.5uAstandbypowerconsumption,MSP430F5xxMCUsenablelongerbatterylifeornobatteriesatallforenergyharvestingsystemsthatrunoffofsolarpower,vibrationenergyortemperaturedifferenceslikefoundonhumanbody.TMS37157PASSIVELOWFREQUENCYINTERFACEDEVICEWITHEEPROMAND134.2kHzTRANSPONDERINTERFACE確定電磁波搜集頻段

10Hz～2.5GHz頻譜能量測量AM頻段頻譜能量測量電能搜集天線

環(huán)形天線中波發(fā)射和傳播模型地網(wǎng)地平面天波地波平行接地天線Pmax=0.168uWPmax=65uW倍壓級數(shù)選擇及電源特性調(diào)諧電感與輸出電壓關(guān)系典型傳感器節(jié)點工作電壓范圍倍壓級數(shù)與輸出功率關(guān)系電磁波供電穩(wěn)定性測試環(huán)境電磁波能量穩(wěn)定性測試（2011年3月8日-14日）環(huán)境電磁波能量足夠保證節(jié)點的全天候穩(wěn)定工作微功耗無線傳感器節(jié)點設(shè)計

138/16對傳統(tǒng)電源管理的改進(jìn)：1、增加能量檢測環(huán)節(jié)2、定時喚醒

根據(jù)能量喚醒系統(tǒng)總靜態(tài)功耗<2uA喚醒間隔根據(jù)能量自動調(diào)整關(guān)鍵部分電路Wang,A.;Kwong,J.;Chandrakasan,A.;,"OutofThinAir:EnergyScavengingandthePathtoUltralow-VoltageOperation,"Solid-StateCircuitsMagazine,IEEE,vol.4,no.2,pp.38-42,June2012

無線傳感器節(jié)點內(nèi)部無線通信系統(tǒng)無線通信天線接能量收集天線測試時間：約12h通信次數(shù)：1295次丟包：4次每次通信耗能：250uJ

平均通信間隔：32.3s傳感器節(jié)點通信測試（2011年1月28日-29日）通信間隔統(tǒng)計提綱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要素?zé)o線頻譜感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)計水污染監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信和定位系統(tǒng)智能交通其它應(yīng)用領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)智能交通系統(tǒng)ITS智能交通系統(tǒng)ITS（IntelligentTransportationSystems）主要包括以下幾個方面交通信息服務(wù)系統(tǒng)（ATIs)交通管理系統(tǒng)（ATMS)公共交通系統(tǒng)（APTS)車輛控制系統(tǒng)（AVCS）電子收費(fèi)系統(tǒng)（ETC)緊急救援系統(tǒng)（EMS)城市交通2000.4高速公路高速公路2002.6ZTEITS物聯(lián)網(wǎng)軌道交通2006.1鐵路城市交通公路已經(jīng)涉足的ITS領(lǐng)域城市交通公路鐵路智能交通物聯(lián)網(wǎng)：物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化最能夠率先成功的核心行業(yè)準(zhǔn)備進(jìn)入的ITS領(lǐng)域水運(yùn)管道

民航水運(yùn)管道

民航智能交通物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成商業(yè)模式演變智能交通物聯(lián)網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)平臺交警公交地鐵民航港口出租運(yùn)營商服務(wù)出行者政府……司機(jī)智能交通智能交通物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商服務(wù)數(shù)據(jù)源交通信息服務(wù)RFID互聯(lián)網(wǎng)視覺識別WirelessCom.GPS移動通信網(wǎng)絡(luò)電信移動M2M……聯(lián)通H2M核心技術(shù)產(chǎn)品三大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)平臺智能交通

物聯(lián)網(wǎng)H2H智能交通物聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)城市智能交通控制與管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)信息傳輸系統(tǒng)交通誘導(dǎo)系統(tǒng)交通事件事故

視頻檢測系統(tǒng)超速檢測系統(tǒng)供電防雷系統(tǒng)閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)交通管理信息系統(tǒng)電子警察系統(tǒng)信號控制系統(tǒng)交通事件快速

處理系統(tǒng)GPS車輛定位

系統(tǒng)交通管理自動化系統(tǒng)其他信息應(yīng)用系統(tǒng)業(yè)務(wù)支撐平臺軟件平臺硬件平臺指揮中心控制系統(tǒng)交通信息采集常用檢測技術(shù)有環(huán)形線圈、微波、視頻、超聲波等微波檢測利用雷達(dá)技術(shù)，對路面發(fā)射微波，通過對回波信號進(jìn)行高速實時的數(shù)字化處理分析，檢測車流量、速度、車道占有率和車型等交通流基本信息。闖紅燈違章抓拍系統(tǒng)的運(yùn)行界面交通信息傳輸?shù)闹饕绞絀nternet、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、GPS、專用短程通信系統(tǒng)、無線移動通信、廣播接收機(jī)等。交通信號反饋控制系統(tǒng)在相關(guān)路段的適當(dāng)位置設(shè)置各種車輛檢測器，獲得該監(jiān)測斷面的交通參數(shù)，這些參數(shù)被送到交通信號控制系統(tǒng)，經(jīng)計算機(jī)分析處理后，自動選擇合適的交通信號控制方案或者調(diào)整相關(guān)控制方案的信號控制參數(shù)，使交通流實現(xiàn)最小延誤，提高路口的通行能力。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)

由接收機(jī)接收衛(wèi)星信號，可得到該點的經(jīng)緯度坐標(biāo)、速度、時間等信息，當(dāng)汽車捕捉不到衛(wèi)星信號時，系統(tǒng)可自動轉(zhuǎn)換為自律導(dǎo)航，由車速傳感器

檢測出行進(jìn)速度，陀螺傳感器檢測出前進(jìn)方向，通過計算機(jī)直接算出前進(jìn)的距離。

GPS導(dǎo)航可用于飛機(jī)、船舶、地面車輛及步行者。GPS在交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用實例出租車城市出租車管理部門、大型出租車公司采用這個方案可以降低車輛空載率，提高營運(yùn)效率，方便市民叫車，改善城市和出租車公司形象。保障乘客和出租車駕駛員的安全。公交行業(yè)公交公司采用這個方案可以降低乘客等車和乘車時的不確定感，降低駕駛員的工作強(qiáng)度，提高車輛利用率，改善公交公司和城市的形象。物流行業(yè)物流公司、郵政公司采用這個方案可以降低貨主、車主和配送人員的不確定感，提高營運(yùn)效率，提高客戶的滿意程度，改善公司形象。公安部門公安局采用這個方案可以及時處理報警，提高處理報警的效率，對犯罪分子具有很強(qiáng)的震懾作用。緊急聯(lián)動衛(wèi)生部門、醫(yī)院采用這個方案可以給社會提供更及時的緊急救護(hù)服務(wù)、挽救緊急傷病人的生命。移動信息服務(wù)網(wǎng)站，旅游公司采用這個方案可以為移動用戶提供高度個性化的信息服務(wù)。運(yùn)輸行業(yè)運(yùn)輸企業(yè)可以在辦公室低成本實時調(diào)度自己的車輛，提高車隊利用率。車隊管理環(huán)衛(wèi)局，建筑公司等擁有車隊的企業(yè)采用這個方案可以分析車輛的利用情況，作為車輛配備、路線調(diào)整和駕駛員考核的依據(jù)。智能鐵路交通鐵路貨車技術(shù)管理信息系統(tǒng)(HMIS)鐵路客車技術(shù)管理信息系統(tǒng)（KMIS）是利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、信息技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)鐵路貨客車生產(chǎn)組織、質(zhì)量控制和技術(shù)管理，覆蓋鐵道部、鐵路局和車輛段（廠）三級客車運(yùn)用、檢修（新造）基本業(yè)務(wù)活動的信息系統(tǒng)。GPS列車定位系統(tǒng)(GVLS)能在中心調(diào)度自動的定位火車及軌道養(yǎng)護(hù)車輛的精確位置，能夠極大地改善火車通過鐵道維護(hù)區(qū)域的安全性和效率。使用火車和軌道養(yǎng)護(hù)車輛上的精確定位系統(tǒng)可以將它們的位置信息傳送到調(diào)度中心。鐵路系統(tǒng)特點承載業(yè)務(wù)位置信息車輛狀況信息預(yù)警信息管理控制信息通信方式移動通信網(wǎng)絡(luò)(GSM,GPRS,3G)鐵軌鐵路專用網(wǎng)絡(luò)(星形和多跳組網(wǎng))城市智能交通

GoTa的新一代出租車調(diào)度系統(tǒng)●集群調(diào)度功能●衛(wèi)星定位功能●無線通信功能●實時監(jiān)控功能●調(diào)度功能●信號提示功能●汽車電路信號檢測功能●開機(jī)自檢功能●報警功能交通信息傳輸?shù)闹饕绞絀nternet、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、GPS、專用短程通信系統(tǒng)、無線移動通信、廣播接收機(jī)等。集群通信移動通信GSM，GPRS,3G，WiMAX專用通信網(wǎng)絡(luò)GPS/DR/地圖匹配組合定位系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)如圖所示：數(shù)據(jù)處理過程為每個采樣時刻是由濾波器處理傳感器和GPS測量值后組成優(yōu)化值，后輸出車輛位置估計值并與定位濾差和行車方向一并輸入地圖匹配模塊，算出地圖上的匹配位置坐標(biāo)，濾波器的結(jié)構(gòu)原理如下：里程儀陀螺儀GPS接收機(jī)導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)庫濾波器地圖匹配模塊位置估計組合DR信息GPS信息車輛位置估算行車方向估算誤差估算定位輸出車載設(shè)備車載設(shè)備由定位模塊（GPS接收機(jī)和DR傳感器）、通信控制器、收發(fā)信機(jī)（集群電臺）、駕駛員接口和電源模塊組成，其原理圖如下：駕駛員接口數(shù)碼顯示語音提示短信息輸入定位模塊角速度傳感器GPS接收機(jī)里程儀接口通訊控制器單片機(jī)系統(tǒng)無線MODEM時序邏輯電路集群電臺電源模塊里程儀信號輸入智能公路

是建有通信系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等基礎(chǔ)設(shè)施，并對車輛實施自動安全檢測、發(fā)布相關(guān)的信息以及實施實時自動操作的運(yùn)行平臺車務(wù)通“車務(wù)通”是中國移動位置服務(wù)業(yè)務(wù)的一部分，它利用手機(jī)或安裝在車輛上的車載終端，基于中國移動GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，提供車輛位置信息服務(wù)。是目前市場上規(guī)模最大的電信級車輛位置服務(wù)產(chǎn)品！點擊“路線設(shè)置”可進(jìn)行設(shè)置報警路線點擊“區(qū)域設(shè)置”可進(jìn)行設(shè)置報警區(qū)域點擊“地物查詢”可進(jìn)行文字、周邊、區(qū)域、路徑查詢點擊“位置查詢”，進(jìn)行單次定位、定時定位、定位計劃、軌跡查詢點擊“監(jiān)控調(diào)度”，可進(jìn)行發(fā)送短信、監(jiān)聽、監(jiān)視點擊“其他”，可設(shè)置超速報警、和限制語音功能歷史軌跡輕松查看神州車管家產(chǎn)品介紹：“神州車管家是中國移動通信集團(tuán)重慶有限公司開發(fā)的一套遠(yuǎn)程車輛管理系統(tǒng)，通過對車輛加裝監(jiān)控終端，采集車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，并通過移動GPRS網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送至后臺管理服務(wù)器，從而實現(xiàn)對車輛的實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程調(diào)度等功能，方便用戶通過PC機(jī)、手機(jī)靈活實現(xiàn)管理功能。產(chǎn)品基本功能：—車輛實時監(jiān)控，地圖工具、實時監(jiān)控、信息發(fā)布、警情處理、報警設(shè)置?！囕v綜合信息管理，企業(yè)、司機(jī)、車輛資料管理報警記錄統(tǒng)計，里程統(tǒng)計、調(diào)度短信查詢、日志查詢、車輛運(yùn)營報表?！囕v調(diào)度管理與信息發(fā)布派車管理、維修管理、違章記錄統(tǒng)計?！囕v行駛軌跡回放軌跡回放、定時查詢。—手機(jī)查詢和遠(yuǎn)程控制手機(jī)無線遠(yuǎn)程對車輛進(jìn)行信息查詢、管理控制。產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域：該產(chǎn)品廣泛適用于企事業(yè)單位、公交行業(yè)、物流運(yùn)輸?shù)刃枰獙\(yùn)營車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)度的單位和個人。物流調(diào)度追蹤產(chǎn)品介紹：物流企業(yè)及貨貸企業(yè)需要的產(chǎn)品是一套實時物流調(diào)度追蹤配載系統(tǒng)，裝在車輛上的終端及配合的后臺系統(tǒng)是實現(xiàn)調(diào)度追蹤配載的有效工具。車輛監(jiān)控：配合GIS電子地圖，可以迅速了解這些車輛運(yùn)行的位置、速度、行駛方向、距目的地的距離、時間等，以便控制中心實時動態(tài)的掌握車輛的運(yùn)行情況，對企業(yè)動態(tài)、實時調(diào)度車輛提供強(qiáng)有力的手段。可設(shè)定信息回傳的時間間隔、回傳個數(shù)。

實時車輛位置車輛狀態(tài)信息車輛的實時位置、速度、方向、里程等信息列表超速報警列表高級調(diào)度：當(dāng)車輛超速行駛時，GPS車載終端除向司機(jī)做語音的提示警告外，將主動向監(jiān)控調(diào)度中心發(fā)送一條該車輛超速行駛的報警信息，中心收到該信息后，在監(jiān)控工作站的計算機(jī)屏幕上彈出超速報警框，同時向值班人員語音報警，在報警框中，值班人員可以看到超速車輛當(dāng)前的行駛速度、該路段規(guī)定的行駛速度、時間等信息。電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)通過車載裝置與收費(fèi)站的微波天線之間的短程通訊，利用計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與銀行進(jìn)行后臺結(jié)算處理；全路段封閉、車載智能卡、電子托收、聯(lián)網(wǎng)分賬等；采用了自動車牌識別、自動車型分類、逃費(fèi)抓拍等技術(shù)；通行效率顯著提高，可24小時無人監(jiān)管不間斷工作，車道過車和銀行托收都由系統(tǒng)自動實現(xiàn)；電子收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）電子收費(fèi)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖提綱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計要素?zé)o線頻譜感知網(wǎng)絡(luò)設(shè)計水污染監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急通信和定位系