物联网技术 传感器和无线传感器网络67页PPT

• 数据链路层（MAC层协议）
信号的传输要靠信道，因此信道也就成为了一种宝贵的资源。 怎样合理有效的分配信道，就是数据链路层中的MAC子层要解 决的问题了
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网络层（路由）
• 网络层（路由）
两个基本功能：确定最佳路径和通过网络传输信息 1 泛洪式路由 2 SPIN（SPIN是一组基于协商并且具有能量自适应功能的协 议） 3 LEACH（LEACH是一种分层网络协议，它以循环的方式随机选择簇首节
三、无线传感器网络关键技 术
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3.1 无线传感器网络MAC协议
• 所谓的MAC协议，就是通过一组规则和过程来更有效、有序和公平地使用共享介质。它实现两大基本功能 目标：在密集散布的传感器现场能够有助于建立起一个基本网络基础设施所需的数据通信链路；协调共享 介质的访问
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管理平台
• 管理平台对整个网络进行检测、管理，它通常为运行有网络管理软件的PC机或者手持终端设备
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4、2无线传感器网络硬件平台
• 目前传感器节点种类繁多，很多科研机构都开放自己的硬件平台，但是这些硬件平台之间主要区别在于所 采用的处理器、无线通信方式、传感器配置不同。下面具体介绍几家公司的硬件平台。
•
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图1 无线传感器网络体系结构图
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无线传感器通信协议系统结构
• 物理层技术 为数据流传输所需的物理连接的建立、维护和释放提供的机械的、电气的、功能和规程性的模块就叫做
物理层 在物理层面上，无线传感器网络遵从的主要是标准（Zigbee）
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数据链路层（MAC层协议）
• Intel 公司的intel mote2 • Chipcon 公司的cc2420ZDK • Ember公司的em250 Development kit • Freescale公司的 mc13191 • 中科院的minigains系列

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多跳路由
由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围 有限，通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成，没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者，也可以是转发者。
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安全性差
由于采用了无线信道、分布式控制等技术， 网络更容易受到被动窃听、主动入侵等攻 击。
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网络管理平台
拓扑控制：拓扑控制利用链路层、路由层完成拓扑生成，反过来又为 它们提供基础信息支持，优化MAC协议和路由协议，降低能耗。 服务质量管理：服务质量（QoS）管理在各个协议层设计队列管理、 优先级机制或者带宽预留等机制，并对特定应用的数据给予特别处理。 能量管理：每个协议层次中都要增加能量控制代码，并提供给操作系 统进行能量分配决策。 安全管理：传统安全机制无法使用。采用扩频通信、接入认证/鉴权、 数字水印和数据加密等技术。 移动管理：监测和控制节点的移动，维护到汇聚节点的路由，还可以 使传感器节点跟踪它的邻居。 网络管理：对无线传感器网络上的设备及传输系统进行有效监视、控 制、诊断和测试所采用的技术和方法。它要求协议各层嵌入各种信息 接口，并定时收集协议运行状态和流量信息，协调控制网络中各个协 议组件的运行。
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应用支撑平台
包括一系列基于监测任务的应用层软件， 通过应用服务接口和网络管理接口来为终 端用户提供各种具体应用的支持： 时间同步 定位 应用服务接口 网络管理接口
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无线传感器网络的研究进展
无线传感器网络的发展历程 无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络所面临的挑战
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频率 3 Hz～30 Hz 30 Hz～300 kHz 300 kHz～3 MHz 3 MHz～30 MHz 30 MHz～300 MHz 300 MHz～3000 MHz
3 GHz～30 GHz
30 GHz～300 GHz
传播方式 空间波 地波 地波或天波 天波 空间波
主要用途 对潜通信 调幅无线电广播 调频无线电广播
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WIFI是基于802.11标准的通信技术，工作在2.4G频段， 带宽比较大，802.11b标准的最高带宽达到11 Mb/s， 802.11n标准已经将传输速率提高到300 Mb/s。其主要特点 为速度快，可靠性高，方便与现在的有线以太网整合。 WIFI与蓝牙相比优势在于无线电波的覆盖范围广，但是无 线通信传输的质量不是很好，数据安全性相对于蓝牙差一 些，传输质量也有待于改善。
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2002年10月24日，因特尔公司发布了“给予微型传感 器网络的新型计算机发展规划”，计划宣称因特尔公司将 致力于微型传感器网络在医学、环境监测等方面的应用。
2003年，美国自然科学基金委员会制定无线传感器网 络研究计划，并在加州大学洛杉矶分校成立了无线传感器 网络研究中心，联合周边的康奈尔大学伯克利分校、南加 州大学等，开展“嵌入式智能传感器”的研究项目。
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脉冲调制：脉冲幅度(PAM)、脉冲相位(PWM)、脉 冲编码(PCM)。
复合调制：正交幅度调制(QAM)。 数字调制：包括通断键控(ASK)、频移键控(FSK)、 相移键控(PSK)。 调制/解调按照解调方式可分为： 检波法：适合调幅(AM)。 同步解调：适合大部分调制。
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4. 短距离无线通信技术 随着通信技术的发展，出现了许多短距离无线通信技 术，而它们往往带有自己的通信协议，不同的通信协议有 着不同的应用。目前最常见的短距离无线通信技术有 IrDA/红外、蓝牙、WIFI(802.11标准)和Zigbee技术。 IrDA/红外技术最早应用于红外探测仪。1800年， F·W·赫歇尔使用水银温度计发现红外辐射，这是最原始的 热敏型红外探测仪，从此掀起红外热潮。红外应用产品种 类繁多，有红外热像、红外通信、红外光谱仪、红外传感 器，且应用范围广泛，应用于工业、农业、军事、医疗与 人们生活息息相关的各方面。

能耗问题
总结词
无线传感器网络的能耗问题是制约其发展的 关键因素之一。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常由电池供 电，而电池寿命有限，因此如何降低能耗， 延长节点寿命是亟待解决的问题。此外，在 某些应用场景中，频繁更换电池或充电会给
维护带来困难和成本增加。
标准化问题
总结词
无线传感器网络的标准化问题涉及到不同厂商和应用 的互操作性问题。
开发工具包括硬件开发工具和软件 开发工具，硬件开发工具用于开发 传感器节点硬件电路板，软件开发 工具用于编写、调试和测试应用程 序代码。
03
无线传感器网络的通信协议
MAC协议
信道分配
MAC协议负责无线信道的分配，确保节点 间的通信不会发生冲突。
能量效率
MAC协议应考虑能量效率，避免过多的空 闲监听和数据重传。
动态环境适应性
路由协议应能适应网络拓扑的变化和 节点的动态加入/离开。
能量感知协议
能量管理
能量感知协议旨在有效地管理节点的能量，延长网络的生命周期。
节能技术
采用诸如功率控制、休眠机制等节能技术来降低能耗。
负载均衡
通过均衡节点的负载来降低能耗，避免某些节点过早耗尽能量。
能量预测
利用历史数据预测节点的剩余能量，优化路由和任务分配。
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无线传感器网络的挑战与展望
安全性问题
总结词
无线传感器网络面临多种安全威胁，如数据 窃取、恶意攻击、篡改等。
详细描述
由于无线传感器网络中的节点通常部署在无 人值守的环境中，因此容易受到攻击者的窃 听、干扰和恶意篡改。攻击者可能通过截获 节点间的通信数据，获取敏感信息，或者对 网络进行破坏，导致网络瘫痪或数据传输错 误。

1.传感器节点 （1）数据采集模块 （2）处理控制模块 （3）无线通信模块 （4）能量供应模块 2. 汇聚节点 3.管理节点
第2章 无线传感器网络体系结构
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2.2.2 无线传感器网络软件体系结构
第2章 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络中间件和平台软件体系结构主要分为四个层次：网络适配 层、基础软件层、应用开发层和应用业务适配层。其中，网络适配层和基础 软件层组成无线传感器网络节点嵌入式软件(部署在无线传感器网络节点中) 的体系结构，应用开发层和基础软件层组成无线传感器网络应用支撑结构 (支持应用业务的开发与实现)。
第2章 无线传感器网络体系结构
2.1 体系结构概述
无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节 点、传感节点和感知视场。另外，还需定义外部网络、远 程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如 图2-1所示。
目标
外部网络 （UAV、卫星通信
网、互联网等）
远程任务管理
用户
数据传输或 信令交换
分布式网络服务接口
分布式网格 管理接口
应用层 传输层 网络层 数据链路层
安
Qos
路由
全 机
制
信道接入
拓扑生成
无线电
.
红外线
能
源
管
理
网
络
管
拓
理
扑
管
理
光波
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无线传感网络结构
• 一、单跳网络
• 概念：为了向汇聚节点传送数据，各传感 器节点可以采用单跳方式将各自的数据直 接发送给汇聚节点，采用这种方式所形成 的网络结构 为单跳网络结构。
. 传感器节点
感知现场 1

无线传感器网络与物联网通信技术
3.4 定位技术 利用到达时间（TOA）/到达时间差（TDOA）的测量
往返传播时间测量方式中，发送节点和接收节点对所属时钟域没有严格要求，通过 计算往返时间、扣除处理时延的方法估计节点间的距离，即
d (t3 t2 ) (t1 t0 ) v (t3 t0 ) (t2 t1) v
3.4 定位技术 定位性能指标
③ 能耗指标。无线传感器网络面临节点的能耗控制问题，一般来说，要求 定位算法具有较低的计算复杂度和较高的能耗效率。
④ 容错指标。无线传感器网络运行过程中可能会出现节点故障或无效的情 况，造成节点通信链路失去网络连接，因此，定位技术需要能够适应这种网络 的不确定性，在受到影响的情况下仍然能提供必要的定位服务。
3.4 定位技术 利用信号强度指示（RSSI）的测量
利用RSSI的测距是在已知发送节点的信号发送功率的条件下，接收节点根据接收到的信号 功率来计算的传播损耗，利用相应的信号传播衰减模型将功率损耗情况转化为距离参数。
根据无线传播过程中的自由空间信道模型（见2.2.3节），接收信号的功率与相隔距离的平 方成反比。那么，理论上，通过测量接收信号的功率，就能够反算出接收节点和发送节点之间 的距离。进一步，为更好地适用于应用场景，融合理论和经验统计，无线信号传播衰减的数学 模型可描述为
无线传感器网络与物联网通信技术
3.4 定位技术 定位基本术语
⑤ 到达时间（Time Of Arrival，TOA）。表征信号 从一个节点传播到另一个节 点所需要经历的时间。
⑦ 到达角度（Angle Of Arrival，AOA）。表征节点 接收到的信号相对于该节点 自身轴线的角度。
无线传感器网络与物联网通信技术
无线传感器网络与物联网通信技术

理、传输或存储。
02
传感器的敏感元件能够感知 被测量的物理量，并将其转
化为电信号或数据输出。
03
传感器的测量范围和精度是 衡量其性能的重要指标。
传感器的种类与用途
01
按照测量原理分类
可分为电阻式、电容式、电感 式、磁感式、光电式等传感器
。
02
按照输出信号分类
可分为模拟输出和数字输出两 种传感器。
03
06
物联网与传感器在工业自 动化中的应用
工业自动化的概念与构成
01
02
工业自动化是一种将自动化技术应用于工业生产过程的方法，旨在提 高生产效率、降低生产成本、提高产品质量。
工业自动化通常包括自动化设备、传感器、控制系统、数据处理等组 成部分。
物联网与传感器在工业自动化中的应用场景
物联网与传感器在工业自动化中的应用 场景非常广泛，例如
物联网架构
物联网（IoT）是指通过互联网对物品进行远程信息传输和智能化管理的网络，其架构主 要由感知层、网络层和应用层组成。
传感器的作用
在感知层中，传感器发挥着重要的作用，它们能够感知和捕捉环境中的各种信息，如温度 、湿度、压力、光照、声音等，并将这些信息转换为电信号或数字信号，传输到网络层和 应用层。
降低生产成本：通过物联网技术实 现远程监控和维护，可以减少人力 成本和维修成本，降低生产成本。
物联网与传感器在工业自动化中面 临的挑战包括
安全性和隐私保护：物联网设备的 连通性使得网络安全和隐私保护成 为重要问题。
技术标准和互操作性：不同的设备 和系统之间的技术标准和互操作性 需要统一和协调。
THANKS
物联网将传感器、控制器、机器 、人员和物品等通过新的方式联 在一起，实现信息化、远程管理

【物联网培训课程】传感 器技术和网络传输课件
物联网的介绍
了解物联网的定义、概念和发展背景，以及它对我们日常生活和工作的影响。
传感器技术的基本原理
1 感知环境
传感器如何感知和测量物理 和化学现象。
2 信号转换
传感器如何将感知到的物理 量转换为数字信号。
3 数据处理
传感器如何对所获得的数据进行处理，包括校准和降噪。
2
蓝牙
短距离无线技术，适用于低功耗设备和ห้องสมุดไป่ตู้感器网络。
3
NFC
近场通信技术，方便快速地进行设备间的数据交换。
物联网安全和隐私问题
1 数据加密
2 身份验证
保护传输和存储的数据， 防止被未经授权的访问 者获取。
确保只有授权用户或设 备可以访问和控制物联 网系统。
3 隐私保护
采取措施保护用户的个 人隐私信息，如匿名化 和数据脱敏。
物联网的商业应用和前景
智慧城市
利用物联网技术改善城市管理 和市民生活质量。
工业自动化
提高生产效率和安全性，降低 成本。
远程健康监测
通过传感器和互联网，实现远 程医疗和健康管理。
结语和总结
总结物联网的基本概念和技术，强调其重要性和应用前景，鼓励听众进一步深入研究和应用。
不同类型的传感器及其应用
温度传感器
测量环境温度，广 泛应用于智能家居 和自动化系统。
压力传感器
测量液体或气体压 力，被用于工业控 制和医疗设备。
湿度传感器
测量空气中的湿度， 在温室和气象领域 有广泛应用。
光照传感器
测量光线的强度， 可用于照明控制和 环境监测。
物联网的网络传输技术
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Wi-Fi

根据基带信号类型不同，可将调制分为模拟调制和数字调制。 模拟调制可分为幅度调制（Amplitude Modulation，AM）、频率调制 （Frequency Modulation，FM）和相位调制（Phase Modulation，PM）。 数字调制可分为幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控 （Frequency Shift Keying，FSK）和相移键控（Phase Shift Keying，PSK）。
基带窄脉冲形式利用宽度在纳秒、亚纳秒级的基带窄脉冲序列进行通信。一般通过 脉冲位置调制（Pulse Position Modulation，PPM）、脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation， PAM）等调制方式携带信息。窄脉冲可以采用多种波形，如 高斯波形、升余弦波形等。因为脉冲宽度很窄，占空比较小，所以具有很好的多径信道 分辨能力。因为不需要调制载波，所以收发系统结构简单，成本较低且功耗也很低。基 于以上特点，目前采用基带窄脉冲的UWB技术已广泛应用于雷达探测、透视、成像等 领域。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.2 物理层
扩频技术
与常规的窄带通信方式相比，DSSS具有较好的通信性能优势，主要体现在以下3 个方面。
① 抗干扰能力强。输入信息在频谱扩展后形成宽带信号传输，再在接收端通过解扩 恢复成窄带信号，由于干扰信号与扩频码不相关，在进行扩频处理后，通过窄带滤波器 使得干扰信号进入有用频带内的干扰功率得以降低，从而具有更好的抗干扰、抗噪声、 抗多径干扰能力。
无线传感器网络与物联网通信技术
2.2 物理层 调制技术
为了满足无线传感器组网最大化数据传输速率和最小化符号率的指标 要求，多进制（M-ary）调制机制应用于无线传感器网络。与二进制数字 调制不同的是，M-ary调制利用多进制数字基带信号调制载波信号的幅度、 频率或相位，可形成相应的多进制幅度调制、多进制频率调制和多进制相 位调制。其中，多进制幅度调制可看成开关键控（On-Off Keying，OOK） 方式的推广，可获得较高的传输速率，但抗噪声能力和抗衰落能力较差， 一般适合恒参或接近恒参的信道；多进制频率调制可看成二进制频率键控 方式的推广，其需要占据较宽的频带，信道频率利用率不高，一般适合调 制速率较低的应用场所；多进制相位调制利用载波的多种不同相位或相位 差来表示数字信息。

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蓝牙的四种连接状态
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纠错方式 对于蓝牙的基带控制共有三种纠错方式：1/3速 率前向纠错码；2/3速率前向纠错码；对数据的 自动重复申请ARQ。
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蓝牙安全
蓝牙安全问题是由蓝牙技术的移动性和开放性引 来的，尽管蓝牙调频技术本身有一定的安全系数， 但链路层和应用层的安全管理依旧十分重要。链 路层中的安全措施是为每一个用户提供一个个人 标识码（PIN），蓝牙系统将其翻译成128位的 链路密钥并进行但单双向认证，蓝牙安全机制提 供了大量的认证方案。认证完毕后，链路使用不 同长度的密码将其加密，加密方案机动灵活到允 许协商密码的长度。蓝牙系统有能力为连入微微 网中的各蓝牙设备选择较小的最大容许加密长度。
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无线传感器网络体系架构
1 无线传感器网络系统架构
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无线传感器的节点构成
3 无线传感器网络的通信协议
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无线传感器网络系统架构
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无线传感器的节点构成
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无线传感器网络的通信协议
针对用户对网络的需求以及自身特点，无线传感器网络的 通信协议是一种二维结构，如图所示，纵向为传感器网络 的管理协议以及横向为分层的通信协议层。网络管理协议 存在于各个通信协议之中，管理协议包括了拓扑的控制、 能量的管理、服务质量管理、安全/移动管理、网络管理、 时间同步和定位等。管理协议承担的传感节点的管理责任， 另外，还负责用户对传感器网络运行的任务。与传统的 Internet 网络中的TCP/IP 协议比较，网络通信协议由下 向上被分为以下五层：物理、数据链路、网络、传输和应 用。
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蓝牙技术简介 技术特点：1.蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，工作 频段无须申请许可。2.使用1Mbit/s速率以达到最大 限制带宽。3.使用快速调频（1600跳/s）技术抗干 扰。4.在干扰下，使用短数据帧尽可能增大容量。5. 快速确认机制能在链路情况良好时实现较低的编码开 销。6.采用CVSD话音编码，可在高误码率下使用。 7.灵活帧方式支持广泛的应用领域。8.宽松链路配置 支持低价单芯片集成。9.严格设计的空中接口使功耗 最小。10.发射功率自适应，低干扰。