物聯(lián)網(wǎng)實驗箱智能家居

物聯(lián)網(wǎng)教程

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第一章物聯(lián)網(wǎng)概述

1.1物聯(lián)網(wǎng)的誕生

人類自誕生之日起，就在不斷地認(rèn)識世界和改造世界，而工具的使用是其發(fā)展水平的顯著標(biāo)志。隨著

社會生產(chǎn)力的發(fā)展，人類不斷通過提升科學(xué)技術(shù)的水平來拓展自己的視野，這集中表現(xiàn)為創(chuàng)造出越來越多

的工具，并有效地利用這些工具為人類社會服務(wù)。隨著近幾十年來信息技術(shù)，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，

人類獲取、保存、處理及傳播信息的能力獲得了迅猛的提升，從此我們目光變遠(yuǎn)了、耳朵變靈了，觸覺更

靈敏了，地球也變小了。人類的生理功能獲得了大幅度延伸，我們開始更從容地去面對自然。

以計算機為代表的計算世界(CyberWorld)在物理世界(PhysicalWorld)和人類社會(HumanSociety)

當(dāng)中扮演著重要角色，它們已經(jīng)被合稱為三元世界(TernaryUniverse)。第一-臺電子計算機ENIACCElectronic

NumericalIntegratorAndComputer)誕生時，計算機是一個龐然大物，是極少數(shù)人才能享用的奢侈品。隨

著CMOS半導(dǎo)體電路技術(shù)按摩爾定律的速度發(fā)展，計算機系統(tǒng)正在朝著功能不斷增強，可靠性、集成度、

能源效率、信息密度不斷提高，用戶界面更加友好的方向演進。一方面出現(xiàn)了具有超強計算能力和存儲能

力的超級計算機，另一方面也開始出現(xiàn)體積小、成本低、便于人機交互的各種便捷計算設(shè)備，信息技術(shù)開

始進入社會生產(chǎn)和“常生活，開始為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)提供更方便快捷的強大支撐。

借助計算機這一有力工具，人類對客觀物理世界的認(rèn)知和利用大概經(jīng)歷以下幾個階段：

?數(shù)字化階段，隨著傳感器的規(guī)?；瘧?yīng)用，物理世界的信息通過采樣、量化、編碼，可以

變成在計算機中表示、存儲和處理的數(shù)據(jù)，傳感器拉近了人們和物理世界的距離；

?信息化階段，隨著處理和存儲能力的增強，人們所積累的原始數(shù)據(jù)及加工數(shù)據(jù)逐步增多、

種類更加豐富、數(shù)據(jù)更加實時，信息開始逐步脫離客觀的物理世界，并成為人們生產(chǎn)和生活中的

重要資料?，計算世界開始獨立于物理世界而形成；

?網(wǎng)絡(luò)化階段，隨著大量信息日復(fù)?日被創(chuàng)造出來，信息也開始成為人們交互的不可或缺

的物質(zhì)資料?，甚至開始成為重要的商品，網(wǎng)絡(luò)化不但為人們相互交換信息、實現(xiàn)信息共享提供了

便利，更通過大量分布式的信息采集和處理，進一步擴展了信息獲取的途徑，網(wǎng)絡(luò)化讓更多人加

入到信息的交互中，與信息相關(guān)的產(chǎn)品和服務(wù)也越來越多；

?泛在化階段，隨著信息和網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展成人類社會生活中必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)，人們隨

時隨地都需要和大量數(shù)字化信息打交道，網(wǎng)絡(luò)化達到無時無處不在的程度，人們再也無法回避信

息化的生活方式，人類社會也將邁入知識信息的泛在化階段，而海量的信息也為計算世界的智能

化提供了可能，智能化讓人類社會和物理世界融為一體。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)化和智

能化的背景下應(yīng)運而生！

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)簡稱傳感網(wǎng)，它在人類與自然界之間架起了一座

橋梁，是人類借助信息化工具認(rèn)知物理世界的新式武器。傳感網(wǎng)綜合了信息感知、信息處理、信息傳輸?shù)?/p>

功能的分布式自組織的計算系統(tǒng)，傳感網(wǎng)節(jié)點自組織地以多跳的方式完成互聯(lián)與協(xié)同傳輸處理，并通過網(wǎng)

關(guān)節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等公網(wǎng)聯(lián)接，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程信息的獲取和計算。傳感網(wǎng)的出現(xiàn)，使信息獲取

的能力得到大幅度提高，多傳感器協(xié)同感知和傳感數(shù)據(jù)的信息融合則幫助人們克服了傳統(tǒng)傳感器感知區(qū)域

小等缺陷，可視為人類感官的延伸，因而被稱為“神經(jīng)末梢”。

2009年8月7日，溫總理在江蘇無錫談到太湖水質(zhì)監(jiān)測時，首次提出了“感知中國”的概念，從此“物

聯(lián)網(wǎng)”開始為普通百姓所熟知。“物聯(lián)網(wǎng)”通過物與物之間的智能互聯(lián)，將人們認(rèn)識自然界的水平提升到

一個嶄新的階段。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)均是以信息為中心，仍然是信息網(wǎng)絡(luò)；而物聯(lián)網(wǎng)是直接以人

的需求為中心的網(wǎng)絡(luò)，通過各種“神經(jīng)末梢”與物理世界相聯(lián)，從而達到了無時無處不在的感知，是一種

更為體貼、更為友好的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)并不僅僅是一項技術(shù)，也是人類自身認(rèn)識世界的需要，它不但擁有

RFID(射頻標(biāo)簽)、傳感器以及傳感網(wǎng)等載體的感知觸角，而且擁有互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等傳輸中樞，還

擁有海量信息存儲與處理的云計算及智能信息處理等系統(tǒng)支撐，通過綜合使用各種信息技術(shù)手段，完成對

物理世界真正意義上的智能感知，從而最大限度地豐富和提高了人類通過技術(shù)手段對于自然界的認(rèn)知能力、

分析綜合判斷能力和決策支持能力。

物聯(lián)網(wǎng)是人類認(rèn)識世界理想化的新境界。這與IBM公司在2009年初提出的“智慧的地球(SmartPlanet)M

以及Nokia所提出的“情境感知計算(Context-awareComputing)”等概念有著異曲同工之妙。雖然是從不

同的角度出發(fā)提出的，但殊途同歸，都是將簡單的信息處理提升到人類社會與物理世界的融合上，而不再

是純粹的以具體技術(shù)升級為背景?！拔锫?lián)網(wǎng)”的提出給我們一個重要的信號，技術(shù)水平的提升最終是為人

類自身服務(wù)，其最高境界是讓人不再察覺到信息技術(shù)手段的介入過程，信息技術(shù)“潛移默化”地融入人們

的生活中，在絲毫不被察覺的情況下完成使命，從而真正意義上實現(xiàn)了人類對自然界豐富信息的隨心所欲

的感知，從最大程度上消除了人與自然的距離，達到人與自然的和諧共生。

1.2物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵

物聯(lián)網(wǎng)是新?代信息技術(shù)的重要組成部分。其英文名稱是“TheInternetofthings”（IoT）。由此，顧名

思義，“物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，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)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物品與物品之間，進行信息交換

和通信。

關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的定義，在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界都沒有統(tǒng)一的定義。目前關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的定義也是五花八門，總

體來說，主要包括狹義和廣義兩種。

狹義的物聯(lián)網(wǎng)是指依托射頻識別（RFID）技術(shù)的物流網(wǎng)絡(luò)，隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，特別是隨著傳感

器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，很多學(xué)者認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，或者是傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID的合稱。但隨著物

聯(lián)網(wǎng)在國內(nèi)外被更多行業(yè)所關(guān)注，其內(nèi)涵也獲得了更大范圍的擴展。

廣義的物聯(lián)網(wǎng)是指在物理世界的客觀實體中部署具有一定感知能力、計算能力和執(zhí)行能力的各種信息

傳感設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實現(xiàn)信息傳輸、協(xié)同和處理，實現(xiàn)廣域或大范圍的人與物、物與物之間信息交換

需求的互聯(lián)、互通、互操作。物聯(lián)網(wǎng)依托多種信息獲取技術(shù)，包括傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、條形碼、

多媒體采集技術(shù)等。雖然物聯(lián)網(wǎng)的定義還存在很多爭議，但其三個重要層次-“感知（交互）、網(wǎng)絡(luò)（傳輸）、

應(yīng)用（處理）”已經(jīng)獲得了廣泛共識。

《物聯(lián)網(wǎng)白皮書（2011）》認(rèn)為：物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的擴展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)

與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互連，進行計算，處理和知識挖掘，實現(xiàn)人與物、物

與物的信息交互和無縫連接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學(xué)對策的目的。

物聯(lián)網(wǎng)的概念還在發(fā)展之中，具有越來越豐富的內(nèi)涵，需要用動態(tài)、發(fā)展的眼光來看待。物聯(lián)網(wǎng)充分

利用了不斷創(chuàng)新和發(fā)展的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件技術(shù)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)等多種信息技術(shù)，廣泛

開發(fā)和利用人類世界與物理世界的各種信息資源，促進人與人、人與物、物與物之間的信息交流，深化全

社會的知識共享程度，以信息和知識含量更高的處理方式提高經(jīng)濟社會的發(fā)展質(zhì)量，推動無所不包、無所

不在、無所不能的信息化社會的形成。

1.3物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知（交互）層、網(wǎng)絡(luò)（傳輸）層、應(yīng)用（處理）層組成。如圖1-1所示，各層次

通過相互協(xié)同與配合，協(xié)同完成真正意義上的“物物相連”，并提供泛在化的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

卜面結(jié)合普遍認(rèn)知，簡單說明物聯(lián)網(wǎng)三個層次的主要內(nèi)容。

?感知層，也稱感知交互層，主要實現(xiàn)智能感知和交互功能，包括信息采集、捕獲、物體

識別，并對信息進行初步的融合等功能。其關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器、控制器、RFID,自組織網(wǎng)絡(luò)、

短距離無線通信、低功耗路由、數(shù)據(jù)融合等，它是物聯(lián)網(wǎng)的智能前端，也是神經(jīng)末梢；

?網(wǎng)絡(luò)層，也稱網(wǎng)絡(luò)傳輸層，主要實現(xiàn)信息的接入、傳輸和交換，包括接入層和核心層。

網(wǎng)絡(luò)層可依托公眾電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，也可以依托行業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)，或者同時依托公眾網(wǎng)和專用網(wǎng)，

如接入層依托公眾網(wǎng)、核心層依托專用網(wǎng)，或者接入層依托專用網(wǎng)、核心層依托公眾網(wǎng)。通過網(wǎng)

絡(luò)層的信息交換與傳輸，可以使物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)更大范圍的覆蓋和信息共享；

?應(yīng)用層，也稱應(yīng)用處理層，主要實現(xiàn)信息的處理與決策，通過中間件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層與物聯(lián)

網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)間的接口和功能調(diào)用，包括對業(yè)務(wù)的分析整合、共享、智能處理、管理等，具體體現(xiàn)

為一系列業(yè)務(wù)支撐平臺、管理平臺、信息處理平臺、智能計算平臺、中間件平臺等。應(yīng)用層則主

要包含各類應(yīng)用服務(wù)，如監(jiān)控服務(wù)、智能電網(wǎng)、工業(yè)監(jiān)控、綠色農(nóng)業(yè)、智能家居、環(huán)境監(jiān)控、公

共安全等。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層既包括局部區(qū)域的獨立應(yīng)用，又包括廣域范圍的統(tǒng)一應(yīng)用。部分以局部

區(qū)域的獨立應(yīng)用為主，如樓宇內(nèi)的控制系統(tǒng)、特定區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。部分則是廣域范圍的統(tǒng)

一應(yīng)用，如手機支付、全球性的RFID物流和供應(yīng)鏈系統(tǒng)等。

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第二章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

2.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)涵

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)是由多個節(jié)點組成的面向任務(wù)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，

由大量部署在作用區(qū)域內(nèi)的、具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)

境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過各類微型傳感器對目標(biāo)信息進行實時監(jiān)測，由嵌入式

計算元件對信息進行處理，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至遠(yuǎn)程用戶。這技術(shù)具有十分廣闊的應(yīng)用前

景，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災(zāi)、防恐反恐、危險區(qū)域遠(yuǎn)程控

制等許多領(lǐng)域都有重要的科研價值和實用價值。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點間距離很短，一般采用多跳(multi-hop)的無線通信方式進行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)可

以在獨立的環(huán)境下運行，也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到計算機網(wǎng)絡(luò)，使用戶可以遠(yuǎn)程訪問，如圖2-1為無線傳感

器網(wǎng)絡(luò)示意圖。

傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，

能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式

系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端，從

而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。

圖2-1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖

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2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點

1）大規(guī)模

為了獲取精確信息，在監(jiān)測區(qū)域通常部署大量傳感器節(jié)點，可能達到成千上萬，甚至更多。傳感器網(wǎng)

絡(luò)的大規(guī)模性包括兩方面的含義：一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始大森林采用傳

感器網(wǎng)絡(luò)進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在

面積較小的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性具有如下優(yōu)點：通過不同空間視角獲得的信息具有更大的信噪比；通過分布式

處理大量的采集信息能夠提高監(jiān)測的精確度，降低對單個節(jié)點傳感器的精度要求；大量冗余節(jié)點的存在，

使得系統(tǒng)具有很強的容錯性能；大量節(jié)點能夠增大覆蓋的監(jiān)測區(qū)域，減少洞穴或者盲區(qū)。

1）自組織

在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，傳感器節(jié)點的位置不能

預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點之間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道，如通過飛機播撒大量傳感器節(jié)點到面積廣闊的原

始森林中，或隨意放置到人不可到達或危險的區(qū)域。這樣就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動

進行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)使用過程中，部分傳感器節(jié)點由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點為了彌

補失效節(jié)點、增加監(jiān)測精度而補充到網(wǎng)絡(luò)中，這樣在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)就動態(tài)地增加或減少，從而

使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之動態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。

2）動態(tài)性

傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因為下列因素而改變：①環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點故障或失

效；②環(huán)境條件變化可能造成無線通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時通；③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對象

和觀察者這三要素都可能具有移動性；④新節(jié)點的加入。這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要能夠適應(yīng)這種變化，

具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性。

3）可靠性

WSN特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，遭受日曬、風(fēng)

吹、雨淋，甚至遭到人或動物的破壞。傳感器節(jié)點往往采用隨機部署，如通過飛機撒播或發(fā)射炮彈到指定

區(qū)域進行部署。這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境條件。

由于監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的限制以及傳感器節(jié)點數(shù)目巨大，不可能人工“照顧”每個傳感器節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)的維護

十分困難甚至不可維護。傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信保密性和安全性也十分重要，要防止監(jiān)測數(shù)據(jù)被盜取和獲取偽

造的監(jiān)測信息。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有魯棒性和容錯性。

4）以數(shù)據(jù)為中心

互聯(lián)網(wǎng)是先有計算機終端系統(tǒng)，然后再互聯(lián)成為網(wǎng)絡(luò)，終端系統(tǒng)可以脫離網(wǎng)絡(luò)獨立存在。在互聯(lián)網(wǎng)中，

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)中惟一的IP地址標(biāo)識，資源定位和信息傳輸依賴于終端、路由器、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的

IP地址。如果想訪問互聯(lián)網(wǎng)中的資源，首先要知道存放資源的服務(wù)器IP地址?？梢哉f現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)是一

個以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)是任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點沒有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點采

用節(jié)點編號標(biāo)識，節(jié)點編號是否需要全網(wǎng)惟一取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計。由于傳感器節(jié)點隨機部署，構(gòu)

成的傳感器網(wǎng)絡(luò)與節(jié)點編號之間的關(guān)系是完全動態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點編號與節(jié)點位置沒有必然聯(lián)系。用戶使

用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢事件時，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個確定編號的節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)在

獲得指定事件的信息后匯報給用戶。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢或傳輸線索的思想更接近于自然語言交流的

習(xí)慣。所以通常說傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。

例如，在應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，跟蹤目標(biāo)可能出現(xiàn)在任何地方，對目標(biāo)感興趣的用戶只關(guān)

心目標(biāo)出現(xiàn)的位置和時間，并不關(guān)心哪個節(jié)點監(jiān)測到目標(biāo)。事實上，在目標(biāo)移動的過程中，必然是由不同

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的節(jié)點提供目標(biāo)的位置消息。

5)集成化

傳感器節(jié)點的功耗低，體積小，價格便宜，實現(xiàn)了集成化。其中，微機電系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展為無線

傳感器網(wǎng)絡(luò)接點實現(xiàn)上述功能提供了相應(yīng)的技術(shù)條件，在未來，類似“灰塵”的傳感器節(jié)點也將會被研發(fā)出

來。

6)具有密集的節(jié)點布置

在安置傳感器節(jié)點的監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，布置有數(shù)量龐大的傳感器節(jié)點。通過這種布置方式可以對空間抽樣

信息或者多維信息進行捕獲，通過相應(yīng)的分布式處理，即可實現(xiàn)高精度的目標(biāo)檢測和識別。另外，也可以

降低單個傳感器的精度要求。密集布設(shè)節(jié)點之后，將會存在大多的冗余節(jié)點，這一特性能夠提高系統(tǒng)的容

錯性能，對單個傳感器的要求得到了大大降低。最后，適當(dāng)將其中的某些節(jié)點進行休眠調(diào)整，還可以延長

網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。

7)協(xié)作方式執(zhí)行任務(wù)

這種方式通常包括協(xié)作式采集、處理、存儲以及傳輸信息。通過協(xié)作的方式，傳感器的節(jié)點可以共同

實現(xiàn)對對象的感知，得到完整的信息。這種方式可以有效克服處理和存儲能力不足的缺點，共同完成復(fù)雜

任務(wù)的執(zhí)行。在協(xié)作方式下，傳感器之間的節(jié)點實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，可以通過多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)，也可以通過多

節(jié)點協(xié)作發(fā)射的方式進行.

8)自組織方式

之所以采用這種工作方式，是由無線傳感器自身的特點決定的。由于事先無法確定無線傳感器節(jié)點的

位置，也不能明確它與周圍節(jié)點的位置關(guān)系，同時，有的節(jié)點在工作中有可能會因為能量不足而失去效用，

則另外的節(jié)點將會補充進來彌補這些失效的節(jié)點，還有一些節(jié)點被調(diào)整為休眠狀態(tài)，這些因素共同決定了

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)性。這種自組織工作方式主要包括：自組織通信，自調(diào)度網(wǎng)絡(luò)功能以及自管理網(wǎng)絡(luò)等。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點是資源受限，每個傳感器節(jié)點的能量，處理能力，存儲能力都是非常有限

的，而且由于對傳感器節(jié)點的成本要求，導(dǎo)致節(jié)點的可靠性也不是很高，這些都給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

帶來了很大的挑戰(zhàn)。目前關(guān)于WSN的研究主要集中在下面幾個方向：

?MAC(MediumAccessControl)協(xié)議

?時鐘同步

?定位技術(shù)

?拓?fù)淇刂婆c網(wǎng)絡(luò)的連通性(TopologyControl&Connectivity)

?路由協(xié)議(Routingprotocols)

?數(shù)據(jù)融合(DataAggregation)

?網(wǎng)絡(luò)安全

?QOS

WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計中需要考慮許多問題，是一個很具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，一般來說設(shè)計WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)

議需要關(guān)注下面一些要素：

?能量的效率問題

?網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和連通性問題

?網(wǎng)絡(luò)的自組織問題

?數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蕟栴}

?網(wǎng)絡(luò)安全問題

?故障冗余問題(這主要是針對無線傳感器節(jié)點的低可靠性來說的)

?網(wǎng)絡(luò)移動性問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的初期，很多人認(rèn)為它和AdHoc網(wǎng)絡(luò)沒有什么太大的區(qū)別，可以使用AdHoc網(wǎng)絡(luò)的

一些研究成果解決WSN的一些問題，但事實卻證明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)在的AdHoc網(wǎng)絡(luò)有很多不同：

?傳感器節(jié)點的處理能力，通信能力，存儲能力和所攜帶的能源都要比AdHoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

的低很多。

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?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點的移動性沒有AdHoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點那么強。

?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖冎饕怯捎诠?jié)點的失效，而AdHoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變主

要是由于節(jié)點的移動。

?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議要比AdHoc網(wǎng)絡(luò)的簡單，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中沒有IP地址的概

念。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的一些協(xié)議只能使用有限的存儲空間，對節(jié)點的處理能力也不能要求過

iHo

?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能主要是收集數(shù)據(jù)，收集到的數(shù)據(jù)可以都傳給一個最終節(jié)點（單

Sink模式），也可以傳給多個最終節(jié)點（多Sink結(jié)構(gòu)），而AdHoc網(wǎng)絡(luò)更多的是考慮點到點的通

信。

無線傳感器由于自身的特點和一些應(yīng)用的需求，其網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計是件很有挑戰(zhàn)性的工作，是一個

跨學(xué)科的研究領(lǐng)域，相關(guān)的一些技術(shù)難題還有待于我們的進一步研究和認(rèn)識。

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2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點EndDevice、匯聚節(jié)點Router和管理節(jié)點Coordinator。

大量傳感器節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測的

數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳后路由

到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點。用戶通過管理節(jié)點對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)

布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1）傳感器節(jié)點

處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，通過小容量電池供電。從網(wǎng)絡(luò)功能上看，每個傳感器節(jié)點

除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合，并與其他節(jié)

點協(xié)作完成一些特定任務(wù)。

2）匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，它是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)的

網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，同時向傳感器節(jié)點發(fā)布來自管理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并把WSN收集到的數(shù)

據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量供給和更多的、

Flash和SRAM中的所有信息傳輸?shù)接嬎銠C中，通過匯編軟件，可很方便地把獲取的信息轉(zhuǎn)換成匯編文件

格式，從而分析出傳感節(jié)點所存儲的程序代碼、路由協(xié)議及密鑰等機密信息，同時還可以修改程序代碼,

并加載到傳感節(jié)點中。

3）管理節(jié)點

管理節(jié)點用于動態(tài)地管理整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有者通過管理節(jié)點訪問無線傳感器網(wǎng)

絡(luò)的資源。

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第三章IEEE802.15.4和ZigBee簡介

3.1IEEE802.15.4協(xié)議

在IEEE802.15工作組內(nèi)有四個任務(wù)組(TaskGroup,TG),分別制定適合不同應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)

在傳輸速率、功耗和支持的服務(wù)等方面存在差異，其中TG4負(fù)責(zé)針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(low-rate

wirelesspersonalareanetwork,LR-WPAN)制定標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速

率傳輸、低成本作為重點，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間的低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。其規(guī)定的

特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處，因此，許多研究機構(gòu)將IEEE802.15.4當(dāng)作事實上的無線傳感器

網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)。

LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)是一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它使得在低電能和低吞吐量的應(yīng)用環(huán)境

中使用無線連接成為可能。與WLAN相比，LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)只需很少的基礎(chǔ)設(shè)施，甚至不需要基礎(chǔ)設(shè)施。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)制定了物理層和MAC子層協(xié)議。

在IEEE802.15.4中定義了兩種器件：全功能器件(Full-FunctionDevice,FFD)和簡化功能器件

(Reduced-functionDevice,RFD),對于FFD,要求它支持所有的49個基本參數(shù)，而對簡化功能器件，在

最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù)。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，

而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應(yīng)用。但無論如何，一個IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)

中必定存在一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(PANCoordinator),是網(wǎng)絡(luò)的主控制器，它負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)成員管理、

分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。

根據(jù)應(yīng)用的需要LR-WPAN可以工作于如圖3-1所示的兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在星型網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備均與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器完成簡單的關(guān)聯(lián)操作以及接收和發(fā)送等，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器還可以與其

他網(wǎng)絡(luò)進行通信以完成諸如路山之類的功能。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以采用64位地址直接進行通信，也可以通

過關(guān)聯(lián)操作由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器分配16位地址。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以采用穩(wěn)壓直流供電或電池供電，但是網(wǎng)絡(luò)中的

其它設(shè)備一般采用電池供電。星型網(wǎng)絡(luò)一般適合應(yīng)用于家居自動化、個人計算機的外圍設(shè)備、玩具以及個

人健康護理等。

縮減功能次備

圖3-1LR-WPAN支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

點到點網(wǎng)絡(luò)中也存在一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，但與星型網(wǎng)絡(luò)不同的是，網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備可以和在信號輻射

范圍之內(nèi)的所有其它設(shè)備通信，這就使得點到點網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢孕纬筛鼮閺?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)形式如Mesh網(wǎng)絡(luò)等，

因此它更適合應(yīng)用于工業(yè)控制及監(jiān)測、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、貨物存儲及跟蹤、智能農(nóng)業(yè)及安全相關(guān)方面。點

到點網(wǎng)絡(luò)也支持adhoc模式，具有自組網(wǎng)和自我修復(fù)網(wǎng)絡(luò)的功能，它還可以與網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備以多跳的

方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的路由，不過實現(xiàn)這些功能是網(wǎng)絡(luò)層的職責(zé)所在而不在IEEE802.15.4的討論范圍之內(nèi)，本

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書將在隨后的ZigBee部分對其進行探討。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和MAC子層，符合開放系統(tǒng)互連模型(OSI),物理層包括射頻收發(fā)

器和底層控制模塊，MAC子層為高層提供了訪問物理信道的服務(wù)接口。圖3-2表明了層與層之間的關(guān)系。

圖3-2IEEE802.15.4協(xié)議棧架構(gòu)

在MAC子層之上的高層包括網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，對于不同的高層協(xié)議，也可以通過邏輯鏈路控制子層

(LogicalLinkControl,LLC)以及特定服務(wù)聚合子層(ServiceSpecificConvergenceSublayer.SSCS)來

訪問MAC子層。

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3.2ZigBee協(xié)議

ZigBee名稱來源于蜂群在尋找食物源時所使用的通信方式，即蜜蜂通過跳ZigZag形狀的八字舞來分

享新發(fā)現(xiàn)的花朵的位置、距離和方向等信息，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)。在

工業(yè)監(jiān)測、自動化控制等領(lǐng)域，傳統(tǒng)藍牙技術(shù)存在包括使用復(fù)雜、功耗高、傳輸距離近、組網(wǎng)規(guī)模小等局

限性。ZigBee的應(yīng)用目標(biāo)是無線控制和監(jiān)控應(yīng)用，如：工業(yè)遠(yuǎn)程控制、家庭自動控制等，這類應(yīng)用一般不

要求高的數(shù)據(jù)傳輸效率，但須具有低功耗、低成本、實時性和使用方便等特點。

ZigBee技術(shù)建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，ZigBee聯(lián)盟對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee

協(xié)議棧架構(gòu)基于OSI七層模型，但只定義了與其應(yīng)用息息相關(guān)的幾個層，如圖3-3所示。IEEE802.15.4標(biāo)

準(zhǔn)定義了物理層和MAC子層，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)在這個基礎(chǔ)之上擴展了網(wǎng)絡(luò)層(networklayer,NWK)和應(yīng)用

層框架，其中包括應(yīng)用支持子層(applicationsupportsub-layer,APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZigBeedeviceobject,

ZDO)以及設(shè)備商自定義的應(yīng)用組件。

應(yīng)用.....甬盧.......

應(yīng)用接口

網(wǎng)絡(luò)層IZigBee聯(lián)盟

數(shù)據(jù)鏈路層.................

......................—-----------------IEEE802.15.4

圖3-3ZigBee協(xié)議棧模型

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)確定了三種設(shè)備：ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。每個網(wǎng)絡(luò)都必須包

括一臺ZigBee協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器的主要功能是為建立和啟動網(wǎng)絡(luò)這一過程設(shè)置參數(shù)，其中包括選擇一個射

頻信道、唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符以及一系列操作參數(shù)。ZigBee路由器作為遠(yuǎn)程設(shè)備之間的中繼器來進行通信,

能夠用來拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍。ZigBee終端設(shè)備不參與路由選擇。

ZigBee所制定的網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拇罱ê途S護，以及設(shè)備尋址、路由等，屬于通用的網(wǎng)絡(luò)層

功能范疇，應(yīng)用層負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、安全與鑒權(quán)等。

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第四章IOT-SYX-005綜合實驗箱

4.1實驗箱介紹

IOT-SYX-005實驗箱由五個CC2530節(jié)點，一個多媒體網(wǎng)關(guān)，一個RFID節(jié)點組成實驗

箱。內(nèi)置有一部支持WIFI的以太網(wǎng)路山器，實驗箱啟動后，所有節(jié)點都會接入這個網(wǎng)絡(luò),

PC可以通過有線或者WIFI連接實驗箱，控制完成各種實驗。CC2530之間可以使用Zigbee

完成信息交互。

卜圖為實驗箱內(nèi)面板照片與模塊介紹：

編號器件編號器件

1。六軸加速度傳感器.，8.—二?號n節(jié)1占八、、?、

2。二號節(jié)點。9WI-FI天線。

3.一號節(jié)點。10“電源節(jié)點開關(guān)“

4.液晶屏幕,1K唯一網(wǎng)絡(luò)編號。

5.多媒體網(wǎng)關(guān)“四號節(jié)點”

6.RFID讀卡器“13^拓展節(jié)點

7a讀卡區(qū)域“14.Mini2530.

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編號器件編號器件

1”CC253O小板”6.ZIGBEE天線”

2。下載線“7.超聲測距模塊。

3.蜂鳴器。&LED燈。

4.光照傳感器.9.六軸加速度傳感器接口。

溫濕度傳感器。10。五向按鍵，

編號器件編號器件

1。CC2530芯片.，6.語音模塊.，

2.步進電機。7。話筒接口2

3~直流電機與測速碼盤。&耳機接口“

4.光電測速傳感器，9P按鈕~

5~電機驅(qū)動電路板，10+復(fù)位按鍵“

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4.2實驗箱軟件安裝

1）實驗箱運行環(huán)境安裝

依次打開光盤資料內(nèi)'開發(fā)調(diào)試工具\Zigbee節(jié)點-開發(fā)調(diào)試工具文件目錄，對'

SYX_SHOW.zip進行解壓，解壓后運行dotNetFx40_Full_x86_x64.exe,點擊“下一步”，執(zhí)

行默認(rèn)安裝即可完成實驗箱運行環(huán)境的安裝。

net4.0安裝過程

2）實驗箱軟件安裝

安裝SYX-SHOW實驗箱演示軟件,只需運行SYX_SHOW.zip解壓目錄下的setup.exe,

點擊“下一步”，執(zhí)行默認(rèn)安裝即可。

安裝程序?qū)⒁龑?dǎo)您完成在您的計算機上安裝SYX_SHDW_V1.0所需的步驟。

取消（上一步8）下一步00>

SYX-SHOW軟件安裝過程

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4.3實驗箱演示軟件介紹

實驗箱演示軟件分為網(wǎng)關(guān)版與PC版，網(wǎng)關(guān)版實現(xiàn)實驗箱基本實驗功能，PC版實現(xiàn)實

驗箱全部實驗功能。下面主要講解PC版實驗箱軟件。

檢查實驗箱硬件配置是否正確，并為實驗箱上電。

根據(jù)實驗箱無線SSID標(biāo)號（在實驗箱紅色開關(guān)下方的標(biāo)簽），將筆記本加入指定無線

網(wǎng)絡(luò)。例如1號實驗箱，則加入名稱為SYX6001的無線網(wǎng)絡(luò)，如下圖所示。

圖實驗箱無線SSID標(biāo)號

下面以第二篇“基本傳感實驗”中的實驗2.1的超聲測距實驗為例進行說明，介紹實驗

界面的基本布局、主要功能以及操作、編程等，以對IOT-SYX-005型實驗箱的使用有一個

初步的認(rèn)識。

1）將實驗箱加電，雙擊桌面上的SYX_SHOW_VLO.EXE,進入實驗界面。如下圖所示。

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圖SYX-SHOW軟件啟動界面

2）選擇實驗內(nèi)容，點擊“第二篇基本傳感實驗”后，出現(xiàn)下圖所示界面。

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四

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一超聲測距

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實驗3險

三維物體跟蹤

=_

圖實驗主界面

3）開始實驗

可以看到，在實驗界面中已經(jīng)顯示出了目前的超聲測距距離，用手遮擋超聲波模塊，此

時實驗界面中將圖形化顯示出當(dāng)前超聲波測量出的距離值。動態(tài)調(diào)整手與超聲波模塊之間的

距離，界面上也將有相應(yīng)的顯示。

“開始實驗”頁分為實驗區(qū)和注釋區(qū)，實驗區(qū)內(nèi)主要顯示當(dāng)前傳感器的可視化數(shù)據(jù)或者

無線通信節(jié)點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。注釋區(qū)內(nèi)提示學(xué)生做實驗的注意事項，與實驗指導(dǎo)書配套，輔助

學(xué)生順利進行實驗。

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圖超聲測距開始實驗界面

4)“源碼解析”頁，將在節(jié)點上運行的關(guān)鍵代碼顯示在編輯框內(nèi)，支持行號顯示，支

持語法高亮。

圖超聲測距源碼解析界面

5)點擊IARSYSTEMS按鈕，就可以打開該實驗的源代碼工程文件。

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圖超聲測距源碼工程界面

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4.4實驗箱傳感和控制實驗

1)超聲波測距實驗

?實驗?zāi)康?/p>

1.掌握CC2530的定時/計數(shù)器、中斷等功能的正確使用。

2.掌握對HC-SR04超聲波測距模塊的正確使用。

?實驗設(shè)備

綜合實驗箱第1號智能節(jié)點。

?實驗原理

超聲波測距的原理是根據(jù)發(fā)射波和反射波接收的時間差來計算出發(fā)射點到障礙物的實

際距離。超聲波測距公式表示為：L=CxT,式中L為測量的距離，C為超聲波在空氣中的傳

播速度；T為測量距離傳播的時間差(為發(fā)射到接收到發(fā)射波的時間差數(shù)值的一半)。

使用HC-SR04超聲波測距模塊進行距離測量的過程如圖8-1所示：

(1)輸出觸發(fā)測距脈沖，脈沖高電平最少持續(xù)10us的時間。

(2)HC-SR04模塊自動發(fā)送8個40KHz的方波，自動檢測是否有發(fā)射波。

(3)當(dāng)HC-SR04模塊檢測到發(fā)射波后，其Echo輸出一個高電平脈沖，且高電平持續(xù)的

時間與距離成正比。

lOuSBOTTL

觸發(fā)信號___________________

隨環(huán)發(fā)出8個40KHZ脈沖

模塊內(nèi)部

發(fā)出估號

輸