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物联网第二版 刘云浩 第3章_无线传感网

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《无线传感器网络简明教程(第二版)》,教学幻灯片PPT课件__第4章

《无线传感器网络简明教程(第二版)》,教学幻灯片PPT课件__第4章

4.2.2 基于测距的定位技术
2、多边定位
假设已知信标锚点A1，A2，A3，A4，…的坐标依次分别为（x1，y1）， （x2，y2），（x3，y3），（x4，y4），…，即各锚点位臵为 。如果
待定位节点的坐标为（x, y），并且已知它至各锚点的测距数值为 ，
可得如下图，其中(x，y)为待求的未知坐标。
[ xi - di , yi - di ][ xi di , yi di ]
4.2.2 基于测距的定位技术
在所有位臵点 [ xi di , yi di ] 中取最小值、所有
[max( xi di ), max( yi di )][min( xi di ), min( yi di )]
4.1.1 传感器网络的时间同步机制
1、传感器网络时间同步的意义
时间同步机制是分布式 系统基础框架的一个关键机 制。
4.1.1 传感器网络的时间同步机制
在分布式系统中，时间同步涉及“物理时间”和 “逻辑时间”两个不同的概念。
“物理时间”用来表示人类社 会使用的绝对时间；
“逻辑时间”体现了事件发生 的顺序关系，是一个相对概念。
用矩阵和向量表达为形式Ax=b，其中：
2( y1 yn ) 2( x1 xn ) A ... ... 2( xn 1 xn ) 2( yn 1 yn )
2 2 2 x12 xn y12 yn dn d12 b ... x2 x2 y2 y2 d 2 d 2 n 1 n n n 1 n 1 n
⑥(602,23) 房间602
11 (601,24)
26
房间601
4.4 能量管理

物联网技术概论(PDF 40页)

物联网技术概论(PDF 40页)
物联网是有上亿个可以通过 无线连接报告其位置、身份和 历史的物体所构成的世界。
指出：物联网是情景感知计 算的支持技术。
中培教育 张文杰 wjzhg@
z 关于“物联网”最新技术的第一本书； z 反映了当前的研究趋势与工业化需求； z 兼顾了理论和实践问题； z 涵盖了案例分析、试验报告和实践； z 本书强调了概念和技术问题，适时、严肃的关注了EU和US以及
中培教育 张文杰 wjzhg@
2005年，国际电信联 盟（ITU）发布名为《Inter‐ net of Things》的技术报告， 定义物联网：通过在各种日 常物品中植入短距离收发器， 构成一种新的信息和通信技 术（ICTs），以使任何人可 以在任何时间、任何地点连 接到任何物体。
物联网的支撑技术：
中培教育 张文杰 wjzhg@
我的定义：通过各种传感器和智能执行 器，把各种感兴趣的人与物，通过各种网络 （泛在网）连接起来，以实现人与物的智能 化身份识别、定位、状态监控、跟踪、和管 理，进而提供某种泛在计算服务的一类网络 称作物联网。
《Internet of Things in 2020》（2008）
EPoSS在《Internet of Things in 2020》报告中 分析预测，未来物联网的发展将经历四个阶段： ¾ 2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领 域 ¾ 2010-2015年物体互联(M2M) ¾ 2015-2020年物体半智能化 ¾ 2020年之后物体全智能化
中培教育 张文杰 wjzhg@
物联网—技术、应用、标准和商业模式 （2010.7，第一版）
周洪波博士在他的书 中指出，不同技术背景的 专家，各自关于物联网的 理解不尽相同：RFID、 M2M、WSN、两化融合 （工业控制与工业自动化 等）、其他（如信息管理 系统、安防监控、智能家 居等）。

物联网工程导论教学大纲

物联网工程导论教学大纲

《物联网工程导论》教学大纲课程编码：课程性质：专业基础课课适用专业：物联网工程专业学分：2学分学时：32学时开设学期：第2学期一、教学目的本课程作为物联网工程专业的基础课，要求学生在了解当今信息化社会的发展的基础上，掌握物联网技术的发展和应用，了解物联网的关键技术，为以后学习物联网关键技术打下基础。

本课程的目的是使学生掌握物联网技术的定义和基本原理及应用，了解物联网技术的发展，了解物联网的关键技术和方法。

本课程的目标：1．了解物联网相关技术基本概念、定义和工程方法；2．掌握感知层、传输层、管理层等应用的典型关键技术；3．熟悉智能交通、智能家居、智能医疗和智能物流等综合应用项目实现方法。

二、重点难点1.重点：本课程的重点是掌握物联网技术的基础理论知识以及在工程应用中采取的典型技术方法。

2.难点：理解物联网时间同步、定位和信号处理的典型算法。

三、教学方法讲授、课堂互动、课堂指导、课后作业和辅导答疑。

四、教学内容第一章物联网概述教学要求：通过本章学习，要求了解物联网的起源和发展，理解物联网的相关概念；掌握物联网的理论基础，掌握物联网的体系结构和主要特点；了解物联网的核心技术和体系标准；了解物联网的应用前景。

教学内容：一、发展的社会背景二、物联网发展的技术背景三、物联网的定义与主要技术特征四、物联网的体系结构五、物联网的关键技术与产业发展第二章RFID与物联网应用教学要求：通过本章学习，掌握目前常用的自动识别技术，了解RFID的历史和现状；掌握RFID的工作原理，RFID系统的构成和工作过程；掌握RFID的技术特点和解决标签冲突的常用方案；理解RFID在物联网中的地位。

教学内容：一、自动识别技术的发展背景二、条形码简介三、磁卡与IC卡应用四、RFID五、RFID应用系统结构与组成六、RFID标签编码标准第三章传感器、智能传感器与无线传感网络技术教学要求：通过本章学习，要求了解传感器发展历史，掌握无线传感器网络的硬件平台，理解无线传感器网络典型操作系统，掌握常用无线组网技术，理解无线传感网的应用。

《物联网导论》课程大纲

《物联网导论》课程大纲

物联网导论一、课程基本情况二、课程内容简介本课程主要对物联网的体系结构、关键技术和典型应用进行系统性介绍，从物联网的感知层、网络层、应用层三层模型出发，分别阐述各层的主要功能和重点技术，使学生掌握扎实的物联网的基本概念和基础知识。

三、课程教学大纲第1章绪论1.1 物联网的发展历程1.1.1 国外物联网的发展1.1.2 国内物联网的发展1.2 物联网的定义1.3 物联网的主要特点与相关概念辨析1.3.1 物联网的主要特点1.3.2 物联网的其他特点1.3.3 物联网相关概念辨析1.4 物联网的演进路径1.4.1 电信网和传感网的区别1.4.2 电信网和传感网的联系1.5 物联网的标准1.5.1 国际物联网标准的发展1.5.2 国内物联网标准的发展1.6 物联网的市场分析及应用前景1.6.1.物联网市场的技术驱动1.6.2 物联网的应用前景第2章物联网体系架构2.1 物联网的参考体系架构2.1.1物联网的参考体系架构概述2.1.2 物联网的参考体系结构需求2.1.3 物联网的体系架构研究现状2.1.4 物联网的网络架构2.2 物联网的形态结构2.2.1 开放式物联网的形态结构2.2.2 闭环式物联网的形态结构2.2.3 融合式物联网的形态结构2.3 物联网的技术体系2.4 物联网的知识体系2.5 物联网的产业体系2.6 物联网的资源体系2.7 物联网的参考体系架构发展趋势第3章自动识别技术3.1 自动识别技术概述3.1.1 自动识别技术的基本概念3.1.2 自动识别技术的种类3.2 条形码技术3.2.1 条形码概述3.2.2 条形码的分类和编码方法3.2.3条形码的生产方法3.2.4 条形码识读原理与技术3.2.5 二维码3.2.6 条形码技术的应用3.3 射频识别技术3.3.1 射频识别技术概述3.3.2 射频识别系统的组成3.3.3 射频识别系统的主要技术3.3.4 射频识别系统的分类3.3.5 射频识别技术标准3.3.6 EPC规范3.3.7射频识别的应用3.4 机器视觉识别技术3.4.1 机器视觉识别概述3.4.2 机器视觉系统的典型结构3.4.3 机器视觉识别技术的应用3.5 生物识别技术3.5.1 生物识别技术概述3.5.2 指纹识别3.5.3 声纹识别3.5.4 人脸识别3.5.5 手掌静脉识别3.5.6 生物识别技术的应用第4章传感器智能设备及智能终端4.1 传感器设备4.1.1 概述4.1.2 传感器的特性和分类4.1.3代表性传感器原理4.1.4传感器产业发展与现状4.2智能终端4.2.1智能终端的定义4.2.2智能终端特点4.2.3智能传感器成为智能终端重要组成4.2.4智能终端的应用4.2.5智能终端发展现状与趋势4.2.6智能终端产业发展情况第5章无线传感器网络5.1 无线传感器网络的发展5.2 无线传感器网络的体系结构5.2.1 无线传感器网络结构5.2.2 无线传感器网络设备技术架构5.3 低速无线网络规范概述5.3.1 无线传感器网络标准协议5.3.2 无线传感器网络协议架构5.4 IEEE802.15.4技术5.4.1 IEEE802.15系列标准5.4.2 IEEE 802.15.4协议蔟5.4.3 IEEE 802.15.4协议栈结构5.4.4 IEEE 802.15.4物理层协议5.4.5 IEEE 802.15.4的MAC协议5.5 ZigBee技术5.5.1 ZigBee 技术的发展5.5.2 ZigBee 协议体系5.5.3 ZigBee 网络的构成5.6 6LoWPAN技术5.6.1 6LoWPAN技术的发展5.6.2 6LoWPAN 标准协议栈架构5.6.3 6LoWPAN 网络拓扑和路由协议5.6.4 6LoWPAN 网络层帧格式5.6.5 IPv6 邻居发现协议5.7 蓝牙及蓝牙4.x技术5.7.1 蓝牙技术概述5.7.2 蓝牙4.x技术5.8 体域网技术5.8.1 体域网技术的背景5.8.2 体域网的架构5.8.3 无线体域网的节点设计5.8.4 体域网面临的挑战5.9 面向视频通信的无线传感网技术5.9.1 面向视频通信的无线传感网简介5.9.2 面向视频通信的无线传感网关键技术的研究5.9.3 面向视频通信的无线传感网技术面临的挑战第6章因特网6.1 因特网概述6.1.1 因特网发展历史6.1.2 互联网发展趋势6.1.3 因特网与物联网6.2 因特网的组成结构6.2.1 通信子网6.2.2 资源子网6.3因特网的协议及体系结构6.3.1 网络协议6.3.2 网络的体系结构6.3.3 OSI基本参考模型6.4 TCP/IP 协议6.4.1 TCP/IP 协议的分层结构6.4.2 TCP/IP协议集6.4.3 TCP/IP的数据链路层6.4.4 TCP/IP网络层6.4.5 TCP/IP 的传输层6.4.6 TCP/IP的会话层至应用层第7章宽带无线接入网7.1 宽带无线接入网概述7.2 无线局域网7.2.1 IEEE 802.11X 系列无线局域网标准7.2.2 无线局域网的构建7.3 无线城域网7.3.1 IEEE 802.16 系列无线城域网标准7.3.2 IEEE 802.16 协议体系结构7.3.3 WiMAX 组网实例第8章移动通信网8.1 移动通信网发展史8.2 3G通信8.3 4G：LTE通信技术8.3.1 LTE通信技术概述8.3.2 LTE通信技术特性8.3.3 LTE 的网络结构8.3.4 系统架构8.3.5 LTE语音通话8.4 5G：下一代移动网络8.4.1 5G概念8.4.2 5G核心架构8.4.3 5G 关键技术8.4 移动互联网8.4.1 移动互联网概述8.4.2 移动互联网的目标8.4.3 移动互联网的基础协议8.4.4 移动互联网的扩展协议第9章物联网数据融合与管理9.1 数据融合概述9.1.1 数据融合的发展9.1.2 数据融合的定义9.1.3 数据融合的应用9.2 数据融合的基本原理9.2.1 数据融合的体系结构9.2.2 数据融合技术的理论方法9.2.3 数据融合模型介绍9.3 物联网中的数据融合技术9.3.1 物联网数据融合的作用9.3.2 传感网数据融合的基本原理9.3.3 基于信息抽象层次的数据融合模型9.3.4 多传感器算法9.4 物联网数据管理技术9.4.1 物联网数据管理系统的特点9.4.2 传感网数据管理系统结构第10章云计算10.1 云计算概述10.2 云计算系统及其关键技术10.2.1 云计算体系结构10.2.2 云计算关键技术10.2.3 云计算技术层次10.3 典型云计算原理10.3.1 Google文件系统GFS10.3.2 分布式数据处理MapReduce10.3.3 分布式锁服务Chubby10.3.4 分布式结构化数据表Bigtable10.3.5 分布式存储系统Megastore10.4 云计算与物联网结合方式第11章物联网中间件11.1 物联网中间件简介11.1.1 什么是物联网中间件11.1.2 中间件在物联网中的作用11.1.3 物联网中间件现状与发展趋势11.2 物联网中间件系统总体架构11.3 物联网中间件设计方法11.4 物联网典型中间件11.4.1 传感网网关中间件11.4.2 传感网节点中间件11.4.3 传感网安全中间件第12章物联网安全技术12.1 物联网的安全概述12.1.1 物联网安全特征12.1.2 物联网安全威胁分析12.1.3 物联网安全体系结构12.2 物联网的安全关键技术12.2.1 密钥管理机制12.2.2 数据处理与隐私性12.2.3 安全路由12.2.4 认证与访问控制12.2.5 恶意代码防御12.2.6 入侵检测与容侵容错技术12.2.7 基于IPv6物联网的安全技术12.3 物联网的安全管理第13章物联网的测试技术13.1 物联网的测试技术概述13.1.1 需求分析13.1.2 测试标准13.1.3 传感网网络测试的特点13.1.4 传感网测试架构13.2 物联网安全测试13.2.1 安全测试系统概述13.2.2 系统的搭建与测试报告第14章物联网应用案例—智能电网14.1智能电网概述14.1.1智能电网背景14.1.2智能电网的定义14.1.3常用术语14.2智能电网体系架构14.3智能电网典型案例：核心网络14.3.1基于智能电网的配电自动化14.3.2基于物联网的输电线路在线监测系统14.3.3基于云计算的智能电网信息平台14.4智能电网典型案例：智能电表（邻居区域网络）14.5智能电网典型案例：家庭网络14.5.1用电信息采集系统14.5.2智能电网家庭综合能源管理系统第15章物联网应用案例—智能工业15.1 工业物联网概述15.1.1 工业物联网的发展历程15.1.2 工业物联网面临的挑战与机遇15.2 工业物联网体系架构15.3 工业物联网标准和关键技术15.3.1 工业无线技术15.3.2 工业无线标准情况15.3.3 工业以太网技术15.4 工业物联网的发展趋势15.5 智能制造15.5.1 工业4.015.5.2 工业4.0的关键特征15.5.3 新的商业机会和模式15.5.4 工业4.0 愿景15.6 工业物联网应用15.6.1 制造业供应链管理的应用15.6.2 环保监测及能源管理方面的应用15.6.3 工业安全生产管理方面的应用15.6.4 生产过程工艺优化方面的应用四、课程知识单元与知识点五、课程内容的重点和深广度要求课程内容的重点是讲述物联网的体系架构、物联网感知层技术、物联网网络层关键技术、物联网应用案例等内容，培养学生理论联系实际，掌握物联网最新发展状况和技术特征。

《物联网感知识别与控制技术》教学大纲

《物联网感知识别与控制技术》教学大纲

《物联网感知、识别与控制技术》教学大纲（学分3 理论学时32，实验学时24）一、课程说明本课程要求学生掌握物联网相关系统设计的基本概念，并重点掌握传感器技术、RFID技术及在物联网中涉及到的信息识别检测、数据处理、人机交互、数字通信、外设驱动、系统防干扰与低功耗的部分的设计方法，以及物联网系统开发与应用技术等相关内容，以便使学生们能够比较全面地了解和掌握物联网领域相关知识和应用技术，为今后投身IT类相关领域的工作打下坚实的基础。

二、教学内容、基本要求与学时分配序号教学内容教学要求学时教学方式1物联网简介1．物联网结构及相关知识。

2．物联网的关键技术1.了解本课程研究的对象、内容2.了解物联网的关键技术2 讲授2感知与识别技术1．传感器及应用技术。

2．自动识别技术3. RFID应用实例1．理解传感器及应用技术2．理解自动识别技术3．掌握RFID技术的组成、分类方法、基本工作原理7 讲授3数据获取与处理1．信号检测与采集2．信息数据的处理3. 多传感器信息融合1．了解信息的处理技术2．理解信号的检测技术4 讲授4人机交互系统1．键盘接口技术。

2．显示器接口技术3. 触摸屏接口技术1．理解键盘接口技术2．理解显示器应用技术3. 了解触摸屏应用技术4 讲授5物联网通信技术1．标准串行通信接口。

2．无线通信技术3. 无线传感器网络4. 卫星定位技术1．理解标准串行通信接口2．理解无线通信技术3. 掌握无线传感器网络技术4. 了解卫星定位技术6 讲授6外设驱动与控制技术1. 模拟信号输出通道2. 开关量输出与驱动1. 掌握模拟喜欢输出通道2. 理解开关量输出与驱动3 讲授7系统稳定性与低功耗技术1. 系统抗干扰技术2. 系统低功耗设计技术1. 理解系统抗干扰技术2 了解系统低功耗设计技术3 讲授8设计应用实例1. 感知与检测系统的设计2. 智能家居系统1. 理解感知与检测系统的设计2. 理解智能家居系统的设计与实现3 讲授三、其它教学环节实验环节+上机编程：（24学时）（1）无线节点模块应用实验。

《物联网技术》教学前言

《物联网技术》教学前言
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《物联网技术》（第2版）
刘化君 刘传清 编著
教学内容（续）
内容安排即涵盖物联网基本概念、理论与技术，也引 入了较深入的研究成果及新技术，包括智能设备设计、 移动互联网、软件定义网络（SDN）、基于大数据的 智能决策与控制等。在体例上对每一个知识单元按基 本认知、基本技术、应用设计及示例递进展开。
教学内容共分8章。
第4章讨论智能设备设计，包括嵌入式操作系统、中间件 技术。
第5、6章介绍无线通信网及承载网技术，并引入了软件定 义网络（SDN）技术。
第7章基于物联网数据特点，介绍数据融合、云计算、海 量数据存储、数据挖掘与智能决策。
第8章讨论物联网规划、设计与构建。
2019年9月25日星期三
第2章以自动识别为主题，介绍条形码、磁卡（条）、 IC卡和射频识别的概念和工作原理，并给出基于射频识 别技术应用系统的开发案例。
第3章介绍传感器及无线传感网。
2019年9月25日星期三
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《物联网技术》（第2版）
刘化君 刘传清 编著
教学内容（续）
本课程进行内容以“技术”为主线，讨论物联网的实现。
2019年9月25日星期三
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《物联网技术》（第2版）
刘化君 刘传清 编著
开设《物联网技术》课程的目的意义
2019年9月25日星期三
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《物联网技术》（第2版）
刘化君 刘传清 编著
教学内容
本课程教学内容以“技术”为主线，讨论物联网的实现。
教学内容共分8章。
第1章讨论物联网的概念、体系结构、技术体系和硬件、 软件系统组成，以及物联网的应用与发展。
2019年9月25日星期三
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《物联网导论》第3章

3.3 典型应用 3.4 设计需求
3.5 硬件平台 3.6 操作系统 3.7 无线传感器网络
传感器发展(fāzhǎn)的两条主线是什么？制约因素又有哪些？
共七十二页
3.2传感器技术(jìshù)发展史：两条主线
对无线
传感器
的研究 始于20世
纪90年 代
加州洛杉矶分校LWIN项目
低功耗无线传感节点
加州伯克莱分校SmartDust项目
充电次数可达100万次，且不易(bù yì)受温度，振动等因素的
影响。
设计需求回顾
•低成本与微型化
•低功耗
•灵活性与扩展性
•鲁棒性
无线传感器组成
•传感器 •微处理器
•无线通信芯片(xīn
piàn) •电池
共七十二页
3.5 硬件平台
传感器
有许多传感器可供节点(jié diǎn)平台使用，使用哪种传感器往往由具 体的应用需求以及传感器本身的特点决定
•软件(ruǎn jiàn)节能策略来实现节能
软件节能策略的核心就是尽量使节点在不需要工作的时候进入低功耗模
式，仅在需要工作的时候进入正常状态
共七十二页
大规模长时间部署传感器的设计(shèjì)需求
灵活性与扩展性
•传感器节点被用于各种(ɡè zhǒnɡ)不同的应用中，因此节点硬件和软件的设计必须具有 灵活性和扩展性
共七十二页
生物 传感器 (shēngwù)
共七十二页
桥梁健康 监测系统 (jiànkāng)
共七十二页
土壤 温湿度传感器 (tǔrǎng)
共七十二页
红外传感器
共七十二页
压力(yālì)传感器
共七十二页
风向 传感器 (fēngxiàng)

《物联网技术概论》物联网感知技术

知，以及智能反馈、决策的过程。
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三、物联网感知技术
3.3 信息处理技术——关键技术
物联网感知互动层中的信息处理关键技术包括数据预处理技术、特征提取技术、
模式识别技术、决策融合技术。下面进行详细介绍。
24
三、物联网感知技术
3.3 信息处理技术——关键技术
物联网感知互动层中的信息处理关键技术包括数据预处理技术、特征提取技术、
应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成
电量输出
电阻应变片最大特点是使用简便、测量精度高、
体积小和动态响应好，在测量各种物理量如压力、
转矩、位移和加速度等的传感器中被广泛采用。
缺点是电阻值会随温度变化而变化，易产生误差。
电阻应变式传感器
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三、物联网感知技术
3.1 传感器技术——物理传感器
下面对一些生活中常用的传感器进行详细介绍
期间，输出输入特性曲线不重合的程度。
漂移：传感器的漂移是指在外界的干扰下，输出量发生与输入量无关的、不需要的
变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移或灵敏度漂移又可以分为时间
漂移和温度漂移。时间漂移是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；
温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的漂移。
由阅读器，天线和标签三大组件组成。
阅读器：阅读器可设计成固定式或手持式。固定式阅读器一端通过标准网口、
RS232串口或USB接口同主机相连，另一端通过天线与RFID标签通信。手持式阅读
器则把天线以及智能终端设备等集成在一起。
天线：天线用于在标签和阅读器之间传递射频信号，与阅读器相连。
标签：RFID标签是由耦合元件、芯片及微型天线组成的，每个标签内部存有唯一

物联网技术导论--第03章


300kHz～ 3 000kHz
1km～0.1km
HF（高频）
3MHz～ 30MHz
100m～10m
IEEE频谱
VHF（甚高频） UHF（超高频） SHF（特高频） EHF（极高频）
30MHz～300MHz 300MHz～ 3 000MHz
3GHz～30GHz
30GHz～300GHz
亚毫米波
P波段 L波段 S波段 C波段 X波段
物联网技术导论(第二版)
近距离无线通信技术
无线通信系统概述 射频通信 微波通信 近距离无线通信技术概览 近场通信（NFC） 本章小结
《物联网技术导论(第二版)》
2
无线通信系统概述
无线通信（Wireless Communication）是利用电磁波信号可 以在空间传播的特性进行信息交换的一种通信方式。 无线通信包括固定体之间的无线通信和移动通信两大部分。 由于人类社会活动具有的显著的移动性，因而移动通信在 无线通信中占主导地位。 移动通信（Mobile Communication）就是移动体之间的通 信，或移动体与固定体之间的通信。
按使用的频段，现代无线与移动通信又可分为：中长波通 信（小于1MHz）、短波通信（1~30MHz）、超短波通信（ 30MHz~1GHz）、微波通信（1GHz到几十吉赫兹）、毫米 波通信（几十吉赫兹）、红外光通信、红外光通信、大气 激光通信等
《物联网技术导论(第二版)》
5
无线通信系统概述
按用途不同，现代无线与移动通信系统可以分为：陆地公 众蜂窝移动通信系统、宽带无线接入系统、无线局域网、 无线个域网、无绳电话、集群通信、卫星移动通信等。
10cm～1cm 1cm～0.1cm 1mm～0.1mm 130cm～30cm 30cm～15cm 15cm～7.5cm 7.5cm～3.75cm 3.75cm～2.4cm 2.4cm～1.67cm 1.67cm～1.13cm 1.13cm～0.75cm

物联网导论(第3章传感器技术)


2 传感器的物理定律
• 守恒定律：主要有能量、动量、电荷量等守恒定律。 • 场定律：运动场、电磁场的感应定律等。其相可作用与物
体在空间的位置及分布状态有关。 如，电容式传感器； 利用电磁感应定律研制的自感、互感、电涡流式传感器。 • 物质定律：它是表示各种物质本身内在性质的定律，如欧 姆定律。通常以这种物质所固有的物理常数给予描述。例 如，压阻、热阻、磁阻、光阻、湿阻等。 • 统计法则 ：它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理 法则。这些法则，常常与传感器的工作状态有关，是分析 某些传感器的理论基础。
广泛，如各种观察、瞄准装置、红外探测装置等。
2 传感器的发展趋势
• 发现新效应，开发新材料、新功能 • 多功能集成化与微型化： • 微型传感器的特征是体积微小、重量很轻，
体积、重量仅为传统传感器的几十分之一 甚至几百分之—，其敏感元件的尺寸一般 为微米级。 • 数字化、智能化与网络化 • 研究生物感官，开发仿生传感器
• 重复性误差反映的是校淮数据的离散程度、属随 机误差，因此应根据标准偏差计算。即
• 为各校准点正行程与反行程输出值的标准偏差 中的最大的值；a为置信系数
（4）灵敏度
• 灵敏度是传感器输出量增量与被测输入量 增量之比。线性传感器的灵敏度就是拟合 直线的斜率,即
（5）其他
• 分辨率：分辨率是传感器在规定测量范围内所能检测出的 被测输入量的最小变化量。有时用该值对满量程输入值的 百分比来表示。
3.1 传感器基础
3.1.1 传感器基本概念
• 1 传感器基本概念 • 传感器狭义定义：能把外界非电信息转换成电信号输出的
器件或装置。
• 传感器广义定义：凡是利用一定的物质（物理、化学、生 物等）法则、定理、定律、效应等进行能量转换与信息转 换，并输出与输入严格—一对应的器件或装置均。
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传感器技术发展史： 更早的无线传感网
• 前哈佛大学计算机系教授， 现任谷歌研究中心资深研 究员的Matt Welsh认为， 最早的无线传感器网络原 型系统是美国军方于1967 年在越南战争期间部署的 “雪屋”系统（IGLOO WHITE）
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传感器技术发展史： 缓慢提升的性能
• 计算机硬件的发展通常遵循摩尔定律：集成电路上可容 纳的晶体管数量，约每隔18个月增加一倍，性能也将提 升一倍。 • 无线传感器节点并没有像摩尔定律预测的速度发展！
电池
被测量 敏感元件 转换元件 基本电路
电量
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概述
• 无线传感器的“三化”发展方向
微型化
25° C
1+1=2
微处理器 电池 无线通信
传感器
智能化
网络化
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本章内容
• 3.1 发展历史
• 3.2 硬件平台 • 3.3 操作系统＊ • 3.4 组网技术 • 3.5 典型应用
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传感器技术发展史： 两条主线
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大规模长时间部署传感器的 设计要求
灵活性与扩展性 • 传感器节点被用于各种不同的应用中，因此节点硬件和 软件的设计必须具有灵活性和扩展性 • 节点的硬件设计需满足一定的标准接口，例如节点和传 感板的接口统一有利于给节点安装上不同功能的传感器 • 软件的设计必须是可剪裁的，能够根据不同应用的需求， 安装不同功能的软件模块
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// BlinkCApp.nc configuration BlinkAppC {} implementation { components MainC, BlinkC, LedsC; components new TimerMilliC() as TimerC; BlinkC -> MainC.Boot; BlinkC.Timer -> TimerC; BlinkC.Leds -> LedsC; }
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本章内容
• 3.1 发展历史 • 3.2 硬件平台 • 3.3 操作系统＊ • 3.4 组网技术 • 3.5 典型应用
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概述
• 定义
• 我国国家标准（GB7665-2005）对传感器的定义是：“能感受 被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。
• 传统传感器的局限性
• 网络化、智能化的程度十分有限，缺少有效的数据处理与信息 共享能力
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常用通信芯片及其关键特性
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硬件平台
供能装置 • 采用电池供电，使得节点容易部署。但由于电压、环境 等变化，电池容量并不能被完全利用。 • 可再生能量，如太阳能。可再生能源存储能量有两种方 式：充电电池，自放电较少，电能利用会比较高，但充 电的效率较低，且充电次数有限； 超电容，充电效率高， 充电次数可达100万次，且不易受温度，振动等因素的 影响。
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硬件平台
通信芯片（续） • 通信芯片的传输距离是选择传感节点的重要指标。发射 功率越大，接受灵敏度越高，信号传输距离越远。 • 常用通信芯片：
• CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz；采用串 口通信模式时速率只能达到19.2Kbps • CC2420：工作频率2.4GHz，是一款完全符合IEEE 802.15.4协 议规范的芯片 ；传输率250Kbps
1996年，LWIM团队将多种传感 器、控制和通信芯片集成在一个 设备上，开发了LWIM节点 1998年，LWIM团队和 Rockwell科学中心合作开发了
对无线 传感器 的研究 始于20 世纪90 年代
加州洛杉矶分校LWIN项目
低功耗无线传感节点
WINS节点
加州伯克莱分校SmartDust项 目
1999年，该校发布了WeC节
• 实际计算ETX:
• P(Data success) measured fwd delivery ratio rfwd • P(ACK success) measured rev delivery ratio rrev • Link ETX 1 / (rfwd rrev)
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组网技术－ 选路指标的计算（续）
Delivery Ratio Link ETX Throughput
100%
50% 33%
1
2
100%
50% 33%
363Biblioteka 组网技术－ 选路指标的计算
• 假设链路有ACKs和重传:
• P(TX success) = P(Data success) P(ACK success) • Link ETX = 1 / P(TX success) = 1 / [ P(Data success) P(ACK success) ]
硬 件 能 力
摩尔定律 预测的曲线 传感器节点 发展曲线
2004
时间
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制约传感器性能提升的因素？
• 功耗的制约：无线传感节点一般被部署在野外，不能通 过有线供电。其硬件设计必须以节能为重要设计目标。 • 价格的制约：无线传感节点一般需要大量组网，以完成 特定的功能。其硬件设计必须以廉价为重要设计目标。 • 体积的制约：无线传感节点一般需要容易携带，易于部 署。其硬件设计必须以微型化为重要设计目标。
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大规模长时间部署传感器的 设计要求
低功耗 • 在硬件设计上采用低功耗芯片
• 例如TelosB节点使用的微处理器，在正常工作状态下功率为 3mW，而一般的计算机的功率为200到300W
• 软件节能策略来实现节能
• 软件节能策略的核心就是尽量使节点在不需要工作的时候进入 低功耗模式，仅在需要工作的时候进入正常状态
• 扩展到路径的情形 Route ETX = Sum of link ETXs
Route ETX 1 2 Throughput 100% 50%
2
3 5
50%
33% 20%
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组网技术－ 数据收集协议（CTP）
• Collection Tree Protocol
TinyOS（续）
• TinyOS任务调度
• TinyOS核心使用了事件驱动的单线程任务调度机制，这和传统 OS的多线程调度机制截然不同 • 任何一个时刻，处理器只能执行一个任务。因此，如果当前正 在执行一个任务，处理器必须等这个任务处理完毕，才能开始 处理另一个任务 • 在单个TinyOS任务中不能有IO等阻塞的调用
• nesC语言是专门为资源极其受限、硬件平台多样化的传感节点 设计的开发语言 • 使用nesC编写的应用程序是基于组件的 • 组件之间的交互必须通过使用接口 • 用nesC编写的应用程序一般有一个最顶层的配置文件
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TinyOS代码举例
左侧代码中： BlinkC就表示一个组件，它使用了 三个接口：Timer，Leds，Boot。 在其实现部分，它可以调用这些接 口提供的服务，如 Timer.startPeriodic启动一个以 250ms周期触发的时钟，而 Leds.led0Toggle使节点上第一个灯 亮起。
第3章 无线传感网
Small is beautiful. - Jack Ma
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内容回顾
• 第2章对常见的自动识别方法和技术做了介绍，包括： 光学符号识别技术、语音识别技术、生物计量识别技术、 IC卡技术、条形码技术和RFID射频技术 • 第2章重点讲述了RFID技术，包括RFID历史和现状、 RFID技术剖析和RFID在物联网中的应用。
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其他常用微型OS对比
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本章内容
• 3.1 发展历史
• 3.2 硬件平台
• 3.3 操作系统＊
• 3.4 组网技术
• 3.5 典型应用
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组网技术－选路指标
• 传输成功每个包需要的总传输次数（ETX, Expected Transmission Count)
Link throughput 1/Link ETX
• 3.3 操作系统＊ • 3.4 组网技术 • 3.5 典型应用
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硬件平台
传感器 • 有许多传感器可供节点平台使用，使用哪种传感器往往 由具体的应用需求以及传感器本身的特点决定 • 需要根据处理器与传感器的交互方式：通过模拟信号和 通过数字信号，选择是否需要外部模数转换器和额外的 校准技术。
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大规模长时间部署传感器的 设计要求
鲁棒性 • 鲁棒性是实现传感器网络长时间部署的重要保障 • 对于普通的计算机，一旦系统崩溃了，人们可以采用重 启的方法恢复系统，而传感器节点则不行 ，就整个网络 而言，可以适当增加冗余性，增加整体系统的鲁棒性
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本章内容
• 3.1 发展历史
• 3.2 硬件平台
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大规模长时间部署传感器的 设计要求
低成本与微型化 • 低成本的节点才能被大规模部署，微型化的节点才能使 部署更加容易 • 节点的软件设计也需要满足微型化的需求 。例如TelosB 节点的内存大小只有4KB，程序存储的空间只有10KB。 因此，节点程序的设计必须节约计算资源，避免超出节 点的硬件能力
• 现代传感器
• 特点：微型化、智能化和网络化 • 典型代表：无线传感节点
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概述
• 无线传感节点的组成：电池、传感器、微处理器、无线 通信芯片；相比于传统传感器，无线传感节点不仅包括 传感器部件（左上图），还集成了微型处理器和无线通 信芯片等，能够对感知信息进行分析处理和网络传输。
传感器
微处理器
无线通信芯片
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本章内容
• 3.1 发展历史
• 3.2 硬件平台
• 3.3 操作系统＊
• 3.4 组网技术 • 3.5 典型应用
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节点操作系统 VS其他操作系统
• 节点操作系统是微型化的。 • 节点操作系统区别于传统操作系统的主要特点是：