工信版（中职）走进智能家居单元4 案例2教学课件.ppt

YCF（中职）走进智能家居单元4案例2教学课件走进智能家居学习单元学习单元4探索物联网主要支撑技术探索物联网主要支撑技术案例案例2 物物联网速网速赢的关的关键无无线传感器网感器网络走进智能家居案例描述案例描述传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化，正经历着一个从传统传感器(DumbSensor)智能传感器(SmartSensor)嵌入式Web传感器(EmbeddedWebSensor)的内涵不断丰富的发展过程。无线传感器网络是一种跨学科技术，就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。WSN将是全球未来四大技术产业之一，将掀起新的产业浪潮。案例呈案例呈现活动活动5 无线传感器网络的安全问题无线传感器网络的安全问题活动活动6 无线传感器网络的应用典型案例无线传感器网络的应用典型案例活动1无线传感器网络概述无线传感网络(WSN，wirelesssensornetworks)综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。图4-12无线传感网络活动1无线传感器网络概述1什么是无线传感器？2你知道无线传感网络与传统的无线网络有什么区别？大家说知识链接1无线传感器网络的发展早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。活动1无线传感器网络概述知识链接2无线传感器网络的定义WSN是wirelesssensornetwork的简称，即无线传感器网络。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。活动1无线传感器网络概述大家做通过百度搜索或查阅相关资料，完成表4-4，分析无线传感器网络经历的三个阶段并简要说明阶段发展特点？阶段无线传感器网络特点第一阶段第二阶段第三阶段表4-4无线传感器网络发展阶段及特点活动2无线传感器网络的体系结构和传感网节点模型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。大量传感节点随机部署，通过自组织方式构成网络，协同形成对目标的感知视场。传感节点检测的目标信号经本地简单处理后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。用户和远程任务管理单元通过外部网络，比如卫星通信网络或Internet，与观测节点进行交互。观测节点向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。图4-13无线传感器网络体系结构知识链接传感器网络节点的基本组成包括4个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。图4-14无线传感器网络节点活动2无线传感器网络的体系结构和传感网节点模型大家做结合无线传感器网络节点结构，通过百度搜索或查阅相关资料，了解无线传感器网络节点的基本单元组成，并完成表4-5。表4-5无线传感器网络节点基本组成单元单元单元基本组成传感单元处理单元通信单元其它功能单元化活动2无线传感器网络的体系结构和传感网节点模型活动无线传感器网络协议随着应用和体系结构的不同，无线传感网络的通信协议栈也不尽相同，典型的传感节点协议模型既参考了现有通用网络的TCP/IP和OSI模型的架构，同时又包含了传感网络特有的电源管理、移动管理及任务管理。应用层为不同的应用提供了一个相对统一的高层接口；如果需要，传输层可为传感网络保持数据流或保证与Internet连接；网络层主要关心数据的路由；数据链路层协调无线媒质的访问，尽量减少相邻节点广播时的冲突；物理层为系统提供一个简单、稳定的调制、传输和接收系统。除此而外，电源、移动和任务管理负责传感节点能量、移动和任务分配的监测，帮助传感节点协调感测任务，尽量减少整个系统的功耗。图4-15无线传感器网络通信协议栈活动无线传感器网络协议知识链接 WSN协议栈多采用五层协议：应用层、传输层、网层、数据链路层、物理层。与以太网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还应包括能量管理器、拓扑管理器和任务管理器。这些管理器使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。各层协议和管理器的功能如下：（1）物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术，传输介质可以是无线、红外或者光介质。无线传感器网络主要使用无线传输。（2）数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制，数据链路层保证了无线传感器网络内点到点和点到多点的连接。活动无线传感器网络协议知识链接（3）网络层主要负责路由生成与路由选择。（4）传输层负责数据流的传输控制，是保证通信服务质量的重要部分。（5）应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件；（6）电源管理器管理传感器节点如何使用能源，在各个协议层都需要考虑节省能量；（7）移动管理器检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置；（8）任务管理器在一个给定的区域内平衡和调度监测任务。活动3无线传感器网络协议大家做与互联网协议框架类似，无线传感器网络的协议框架也包含了五层，试填写各层功能在表4-6中。表4-6无线传感器网络的协议框架功能协议框架各层功能概述物理层协议数据链路层协议路由层协议应用层协议活动4无线传感器网络的中间件技术中间件是介于操作系统(包括底层通信协议)和各种分布式应用程序之间的一个软件层。其主要作用是建立分布式软件模块之间互操作的机制，屏蔽底层分布式环境的复杂性和异构性，为处于上层的应用软件提供运行与开发环境。活动4无线传感器网络的中间件技术知识链接一个完整的无线传感器网络中间件软件应当包含一个运行时环境以支持和协调多个应用。同时，还将提供一系列标准化系统服务，如数据管理、数据融合，应用目标自适应控制等，以延长无线传感器网络的生命周期。无线传感器网络中间件软件在其整个系统中的位置。从中可以看出，中间件软件位于底层硬件平台、操作系统与上层应用之间。为下层提供不同类型的适配接口，并提供面向上层应用的开发接口。表4-16中间件软件在无线传感器网络系统结构中的位置活动4无线传感器网络的中间件技术知识链接围绕无线传感器网络在信息交互、任务分解、节点协同、数据处理和异构抽象等方面的设计目标HJ，目前提出了众多不同的无线传感器网络中间件设计方法。主要可分为以下几类：(1)基于虚拟机的无线传感器网络中间件。(2)基于数据库的无线传感器网络中间件。(3)基于应用驱动的无线传感器网络中间件。(4)面向消息的无线传感器网络中间件。(5)基于移动代理的无线传感器网络中间件。大家做根据以上分析，将现有的无线传感器网络中间件进行如下对比后，填写下表4-7。活动4无线传感器网络的中间件技术活动4无线传感器网络的中间件技术中间件能耗QoS支持可扩展性可靠性可适应性TinyDB较低不支持不支持一般较好CougarMateMilanAgillaDisWare表4-7几种典型的无线传感器网络中间件比较图4-17无线传感器的网络安全问题活动5无线传感器网络的安全问题随着应用和体系结构的不同，无线传感网络的通信协议栈也不尽相同，典型的传感节点协议模型既参考了现有通用网络的TCP/IP和OSI模型的架构，同时又包含了传感网络特有的电源管理、移动管理及任务管理。应用层为不同的应用提供了一个相对统一的高层接口；如果需要，传输层可为传感网络保持数据流或保证与Internet连接；网络层主要关心数据的路由；数据链路层协调无线媒质的访问，尽量减少相邻节点广播时的冲突；物理层为系统提供一个简单、稳定的调制、传输和接收系统。知识链接1物理层的攻击与防御(1)拥塞攻击(2)物理篡改2链路层的攻击与防御(1)碰撞攻击(2)耗尽攻击(3)非公平竞争3网络层的攻击与防御4传感器网络路由层面临的安全威胁5针对路由层各种威胁的解决方案6、应用层各种威胁的解决方案活动5无线传感器网络的安全问题大家做活动4无线传感器网络的中间件技术 根据所学将你所了解的无线传感器网络各协议层安全问题的解决方案，填写表4-7。表4-7无线传感器网络物联网各协议层安全问题的解决方案活动5无线传感器网络的安全问题知识链接1、军事领域由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。活动6无线传感器网络的应用典型案例图4-18美国军方成功测试枪声定位系统知识链接2、环境科学实例：2005年，澳洲的科学家利用无线传感器网络来探测北澳大利亚蟾蜍的分布情况。由于蟾蜍的叫声响亮而独特，因此利用声音作为检测特征非常有效(如图4-19)。科研人员将采集到的信号在节点上就地处理，然后将处理后的少量结果数据发回给控制中心。通过处理，就可以大致了解蟾蜍的分布、栖息情况。活动6无线传感器网络的应用典型案例图4-19声音检测北澳大利亚蟾蜍的分布情况知识链接3、农业领域实例：DigitalSun公司发展的自动洒水系统S.SenseWirelessSensor目前受到国际上多家媒体的报道。它使用无线传感器感应土壤的水分，并在必要时与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开/关闭，从而达到自动、节水灌溉的目的。活动6无线传感器网络的应用典型案例图4-20DigitalSun公司自动洒水系统的原理模型知识链接4、工业领域及其他领域实例：医疗领域，研究人员开发出基于多个加速度传感器的无线传感器网络系统，用于进行人体行为模式监测，如坐、站、躺、行走、跌倒、爬行等（如图4-21）。该系统使用多个传感器节点，安装在人体几个特征部位。系统实时地把人体因行动而产生的三维加速度信息进行提取、融合、分类，进而由监控界面显示受检测人的行为模式。活动6无线传感器网络的应用典型案例图4-21基于无线传感器网络技术的人体行为监测系统大家做活动4无线传感器网络的中间件技术活动6无线传感器网络的应用典型案例 根据上面的叙述查阅相关资料丰富各领域无线传感器网络的应用案例，填写表4-8。表4-8无线传感器网络各领域的应用拓展提升拓展提升 1职场模拟 WSN经历了从智能传感器，无线智能传感器到无线传感器三个发展阶段，智能传感器将计算能力嵌入传感器中，使传感器节点具有数据采集和信息处理能力无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策部分及分散用户接收装置组成，那么这些节点间是如何通过自组织方式构成网络的呢？2畅想无限 “无线传感器网络及智能信息处理”被列为“信息产业”的7个主题之一，利用无线传感器网络对智能家居进行组网，将无线传感器网络具备的优点弥补传统智能家居中存在的诸多问题，将会使得智能家居系统实现真正的“智能”，同时也使得无线传感器网络的应用范围进一步扩大。请充分运用你的智慧，发挥你的想象，尽情畅想吧！考核考核评价价 根据下列考核评价表，结合前面所学内容，对本阶段学习做出客观评价，简单总结学习的收获及存在的问题。谢谢！谢谢！