第1章无线传感器网络概述.ppt

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1、短距离无线通信技术短距离无线通信技术第1章 无线传感器网络概述 什么是短距离无线通信网络？到目前为止，学术界和工程界对此并没有一个严格的定义。一般而言，短距离无线通信的主要特点为通信距离短，覆盖距离一般为10200m；另外，无线发射器的发射功率较低，发射功率一般小于100mW，工作频率多为免付费、免申请的全球通用的工业、科学、医学（Industrial、Scientific and Medical，ISM）频段。常用的ISM频段有27MHz、315MHz、433MHz、868MHz（欧洲）、902928MHz（美国）和2.4GHz。目前，在我国使用最多的还是27MHz、315MHz、433MH

2、z和2.4GHz。1.1 短距离无线网络概述短距离无线网络概述 第1章 无线传感器网络概述短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，它是指集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合性智能信息系统，并且其传输距离限制在一个较短的范围内（通常是几米以内）。通过各类集成化的微型传感器协作进行实时感知、采集和监测各类感兴趣的研究和应用信息。低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。首先，低成本是短距离无线通信的客观要求。因为各种通信终端的产销量都很大，要提高终端间的直通能力，没有足够低的成本是很难推广的。其次，低功耗是相对于其他无线通信技术而言的一个特点。这与其通信距离短的

3、特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的概率也小，发射功率普遍很低，通常在1mW量级。最后，对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线通信技术。终端之间对等通信，不需要网络设备进行中转，故空中接口设计和高层协议都相对较简单，无线资源管理通常采用竞争的方式（如载波侦听）。第1章 无线传感器网络概述1.1.2 常用短距离无线通信技术的介绍几种常见的无线通信技术几种常见的无线通信技术PANPAN：射频识别：射频识别：射频识别：射频识别(RFID)(RFID)、蓝牙、蓝牙、蓝牙、蓝牙(Bluetooth)(Bluetooth)、超宽带、超宽带、超宽带、超宽带(UWB)IrDA(

4、UWB)IrDA技术技术技术技术 1LANLAN：Wi-FiWi-Fi、ZigBee(802.15.4)ZigBee(802.15.4)、DECT(DECT(无绳电话无绳电话无绳电话无绳电话)2MANMAN：Wi-MAXWi-MAX（802.16x802.16x）3WANWAN：2G2G、3G3G、4G 4G 4融合构建一个全空间的无线网络融合构建一个全空间的无线网络融合构建一个全空间的无线网络融合构建一个全空间的无线网络 第1章 无线传感器网络概述红外线数据协会(Infrared Data Association，IrDA)是致力于建立红外线无线连接的非营利组织，是一种利用红外线进行点对点的

5、数据传输协议，通信距离一般在0到1m之间，传输速度最快可达到16Mbps,通信介质为波长900nm左右的近红外线。其传输具有小角度、短距离、直线数据传输、保密性强及传输速率较高等特点，适于传输大容量的文件和多媒体数据。并且无需申请频率的实用权，成本低廉。IrDA已被全球范围内的众多厂商采用，目前主流的软硬件平台均提供对它的支持。1IrDA技术IrDA的不足在于它是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，而且只适合2台设备之间的连接。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。红外线是不可见光线。所有高于绝对零度（-273.15）的物质都可以产生红

6、外线。2.蓝牙技术蓝牙技术蓝牙的来源蓝牙的来源蓝牙的来源蓝牙的来源英文：英文：Bluetooth代表一种短距离无线通信技术，代表一种短距离无线通信技术，蓝牙是一个开放性的无线通信标准，蓝牙是一个开放性的无线通信标准，设计者的初衷是用隐形的连接线代替线缆。其目标和宗旨是：设计者的初衷是用隐形的连接线代替线缆。其目标和宗旨是：保持联系，不靠电缆，拒绝插头，并以此重塑人们的生活方式。保持联系，不靠电缆，拒绝插头，并以此重塑人们的生活方式。“蓝牙蓝牙”（Bluetooth）一词是一位丹麦国王的名字）一词是一位丹麦国王的名字，因为国王喜欢吃蓝莓，牙龈每天都是蓝色的所以因为国王喜欢吃蓝莓，牙龈每天都是蓝色

7、的所以叫蓝牙叫蓝牙在在10世纪他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起世纪他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。来。用用“蓝蓝 牙牙”他他 的的 名名 字字 来来 命命 名名 这这 种种 短短 距距 离离 无无 线线 通通 信信的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。通过的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。通过这种技术，可以将电子装置彼此通过无线连接起来，省去了这种技术，可以将电子装置彼此通过无线连接起来，省去了传统的电线。传统的电线。发展历程 1、1994年，蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司。成立了一个专项科研小组，对移动电话及其附件的低能耗、低费用无线连接的可能性进行研究。2、199

8、8年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和Intel公司等五家著名厂商组建一个特殊兴趣小组SIG（Special Interest Group），在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。3、1999年11月，比尔盖茨专程到拉斯维加斯一间只有11名员工的小公司访问，只因这家公司已研制成功一种含蓝牙技术的胸卡，随后，微软便宣布加入SIG，同年摩托摩拉也加入。4、2006年10月，联想加入联盟。蓝牙技术的特点 1.成本低 蓝牙的最终目标是集成于单价为5美元的CMOS芯片。目前，蓝牙芯片价格降不下来，既有经济原因，也有技术原因。2、功耗低

9、、体积小3、近距离通信 蓝牙技术通信距离为10m，如果需要的话，还可以选用放大器使其扩展到100m。4.安全性 同其它无线信号一样，蓝牙信号很容易被截取，因此蓝牙协议提供了认证和加密功能，以保证链路级的安全。蓝牙系统认证与加密服务由物理层提供，采用流密码加密技术，适合于硬件实现，密钥由高层软件管理。如果用户有更高级别的保密要求，可以使用更高级、更有效的传输层和应用层安全机制。蓝牙系统组成 蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组成。1.天线单元 体积十分小巧、重量轻空中接口遵循FCC有关电平为0dB的ISM频段的标准。2.链路控制

10、（固件）单元 在目前蓝牙产品中，人们使用了3个IC分别作为连接控制器、基带处理器以及射频传输接收器，此外还使用了35个单独调谐元件。3.链路管理（软件）单元 链路管理（LM）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。4.软件（协议栈）单元 蓝牙的软件（协议栈）单元是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。它必须符合已经制定好的蓝牙规范。蓝牙技术的特点和优点在于：Bluetooth工作在全球开放的2.4GHzISM频段；使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳”到另一个信道；在有效范围内可越过障碍物进行连接，

11、没有特别的通信视角和方向要求；组网简单方便；低功耗、通信安全性好；数据传输带宽可达1Mbps；一台蓝牙设备可同时与其他7台蓝牙设备建立连接；支持语音传输。蓝牙的技术标准蓝牙的技术标准IEEE802.15工作频段和带宽工作频段和带宽2.4GHz，1Mb/s传输距离传输距离10m通道指标通道指标1个异步数据通道个异步数据通道(最高达最高达721kb/s)3个并发的同步话音通道个并发的同步话音通道(64kb/s)1个同时传送异步数据和同步话音的通道个同时传送异步数据和同步话音的通道蓝牙的典型应用有：语音数据接入是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备上，完成与广域网的联接。外围设备互连是指将

12、各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。个人局域网（PAN），主要用于个人网络与信息的共享与交换。音频蓝牙发送音频蓝牙发送蓝牙耳机蓝牙耳机3.WiFi无线通信技术无线通信技术什么是什么是什么是什么是WiFiWiFi？全称Wireless Fidelity，又称802.11b标准WiFi是由AP(无线访问节点）与无线网卡组成的无线网络。Wi-Fi第一个版本发表于1997年，其中定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2Mbit/s。两个设备之间的通信可以自由直接（ad hoc）的方式进行，也可

13、以在基站（Base Station，BS）或者访问点（Access Point，AP）的协调下进行。802.11的三个标准网络协议介绍WiFi与蓝牙不同之处在于，蓝牙是用来让设备之间可以短距离彼此通信，而且通信的速度相对较慢。然而，WiFi主要是用来让电脑（包含PDA）与网络相连，而且通信距离达数百公尺，通信的速度也很快，有54Mbps以上。其一，无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右约合15米，而WiFi的半径则可达100米。其二，虽然由WiFi技术传输的无线通信质量不是很好，但传输速度非常快。其三，厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、

14、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。其四，无须布线。其五，健康安全，发射功率不可超过100毫瓦，小于手机的发射功率。优点WiFi无线通信技术无线通信技术应应 用用无线局域网无线局域网WLANInternetWiFi无线路由器无线路由器IPTV空调空调打印机打印机 条形码简称条码，是由一组黑（条）白（空）相间的、粗细不同的条状符号组成，隐含着数字信息、字母信息、标志信息、符号信息，主要用以表示商品的名称、产地、价格、种类等，是全世界能用的商代码的表示方法；4、条形码、条形码条形码的构成二维码的分类1.线性堆叠式二维码：以成串的数据行显示。2.矩阵式二

15、维码：二维空间的形态编码二维码的特点：（1）高密度编码，信息容量大：可容纳多达1850个大写字母或2710个数字或1108个字节或500多个汉字，比普通条码信息容量约高几十倍。（2）编码范围广：二维码可以把图片、声音、文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编码，并用条码表示。（3）容错能力强，具有纠错功能：二维码因穿孔、污损等引起局部损坏时，甚至损坏面积达50%时，仍可以正确得到识读。（4）译码可靠性高：比普通条码译码错误率百万分之二要低得多，误码率不超过千万分之一。（5）可引入加密措施：保密性、防伪性好。（6）成本低，易制作，持久耐用。（7）条码符号形状、尺寸大小比例可变。（8）二维码可以使

16、用激光或CCD摄像设备识读，十分方便。一维码与二维码的区别二维条形码二维条形码1、可直接显示英文、中文、数字、符号图型、声音等；2、贮存数据量大，可存放1K字符，可用扫描仪直接读取内容，无需另接数据库；3、保密性高（可加密），4、安全级别最高时，损污50%仍可读取完整信息。一维条形码特点：一维条形码特点：1、可直接显示内容为英文、数字、简单符号；2、贮存数据不多，主要依靠计算机中的关联数据库：3、保密性能不高；4、损污后可读性差。RFID技术 RFID是射频识别（Radio Frequency Identification）的英文缩写，是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，它利用射频信

17、号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别。RFID发展历程1、二战时，美军用于战争识别自家与盟军的飞机。2、1940-1950年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。3、1950-1960年，探索阶段，处于实验室研究4、1960-1980年，开始一些实际的应用尝试。5、1980-1990年，进入商业应用阶段。6、1990至今，RFID：阅读器+标签。利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现的无需接触信息传递，已达到识别目标的技术。标签：有源标签，无源标签，半无源标签。标签：只读型、读写型、一次可写型。RFID(Radio

18、 Frequency Identification)RFID应答器（射频卡或标签）应答器（射频卡或标签）射频卡射频卡 RFID阅读器（读写器或基站）阅读器（读写器或基站）电感耦合方式电感耦合方式RFID的工作原理的工作原理RIFD工作方式工作方式电感耦合电感耦合 阅读器阅读器应答器应答器电感耦合方式的电路结构电感耦合方式的电路结构信息信息RFID技术的工作原理：电子标签进入读写器产生的磁场后，读写器发出射频信号 凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签）读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。R

19、IFD工作方式工作方式负载调制负载调制 负载调制的原理示意图负载调制的原理示意图1、阅读器为有源工作，应答器无源工作；2、L1、C1；L2、C2 均工作在射频源VS的谐振频率；3、应答器L2的磁场变化产生电压整流后供应答器使用；4、应答器向阅读器的数据传输采用内部的二进制数据编码信号控制开关S，使得负载电阻R2被接通或者断开，通过耦合使L1产生变化的电压，经调制、解码即可；5、阅读器向应答器的数据传输，是通过数字调制的方式实现的，多采用ASK（幅频监控）的方式；RFID的应用第二代身份证的应用第二代身份证不停车收费系统不停车收费系统火车车号识别火车车号识别集装箱识别集装箱识别5、UWB（超宽带

20、技术）超宽带技术）什么是超宽带？什么是超宽带？什么是超宽带？什么是超宽带？“UWB”（ultra wideband)是超宽带无线技术的缩写。始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术，主要用于军用雷达、定位和通信系统中。利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。实质是以占空比很低的冲击脉冲进行直接调制的。UWB主要特点：主要特点：（1）抗干扰性能强（2）带宽极宽（3）消耗电能小（4）保密性好（5）发送功率非常小 UWBUWB发展历程发展历程1960s1960sUWB最初的定义源自于60年代兴起的军用脉冲通信技术，又被称为脉冲无线电（Impulse Radio）技术。19721972一种高灵敏的短

21、脉冲接收设备被研制成功，进一步加速了UWB技术的研究和发展。19981998美国国防部（DARPA）才正式启用超宽带（UWB）这一术语,该项技术采用上升沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信。20022002UWB技术首次获得了美国FCC的批准而用于民用通信，发布全球第一个民用UWB设备使用频谱规范，使UWB技术的研发骤然加速。20062006年年年年国际电信联盟（ITU）在确定了各国频谱分配原则后，第一次核准UWB全球性监管标准建议。UWB技术标准技术标准IEEE 802.15.4a传输速率传输速率1Gbit/s传输距离传输距离1020m工作频段工作频段3.1GHz和和10.6GHz之间之间UW

22、B的应用的应用 由于UWB技术已经可以提供相当于计算机总线的传输速率，这样个人终端就可以从互联网或局域网上即时下载大量的数据，因此将大部分数据存放在网络服务器的存储空间中，而不是保存在个人终端中。携带具有UWB功能的小巧终端，在任何地点都可以接入当地的UWB网络.。无线UWB接口取代现有USB接口的线缆连接，将成为UWB技术最有前途的应用。6、无线传感器网络简介 无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点构成，集成了传感器技术、通信技术与计算机技术。传感器技术传感器技术计算机技术计算机技术通通 信信 技技 术术感感 官官大大 脑脑神神 经经无线传感器网络无线传感器网络无线传感器网络的起源

23、与发展历程1、WSNs的研究起源于20世纪70年代，在军事领域的应用.2、20世纪90年代，麻省理工学院、加州大学、Intel实验室等国家知名高校科研机构加入研究。1999年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具影响的21项技术之一。3、1998年3月，IEEE 802.15 工作组成立，PHY与MAC的标准化研究。4、国内，2002-2003年，清华大学、中科院等国内知名研究机构引进介绍国外的发展情况。5、2003年美国技术评论杂志评出深远影响人类未来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一。6、2006年我国发布国家中长期科学与技术发展规划纲要。ZigBee技术ZigBee名词的来源 这一名

24、称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee技术 的发展历程2000年 IEEE TG4组制定规范IEEE 802.15.4.2001年,zigbee Alliance成立.2004年,zigbee V1.0诞生.它是zigbee的第一个规范.但由于推出仓促,存在一些错误.2006年,推出zigbee 2006,比较完善.2007年底,zigbee PRO推出zigbee的底层技术基于 IEEE 802.15.4.物理层和MAC层直接引用了IEEE 802.1

25、5.4第1章 无线传感器网络概述ZigBee技术特点主要包括：数据传输速率低。功耗低。低成本。网络容量大。有效范围小。工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz(250kbit/s)、868MHz（欧洲 20kbit/s）915MHz（美国40kbit/s），均为免执照频段。第1章 无线传感器网络概述1.3.1 传感器网络的特点1大规模网络2自组织网络3多跳路由4.动态性网络5以数据为中心的网络6兼容性应用的网络1.3 无线传感器网络的特征无线传感器网络的特征 第1章 无线传感器网络概述1.3.2 传感器节点的限制1电源能量有限2通信能力有限3计算和存储能力有限第1章 无线传感器网络概述1.4

26、 无线传感器网络的关键技术无线传感器网络的关键技术 1网络拓扑控制2网络协议3网络安全4时间同步5定位技术6数据融合7数据管理8无线通信技术9嵌入式操作系统10应用层技术第1章 无线传感器网络概述1.5 1.5 无线传感器网络的应用无线传感器网络的应用1军事应用（1）智能微尘(smartdust)（2）战场环境侦察与监视系统（3）传感器组网系统2智能家居3环境监测4建筑物质量监控5医疗护理6其他方面应用第1章 无线传感器网络概述1.6 无线传感器网络仿真平台无线传感器网络仿真平台目前，比较典型的仿真平台或基于现有平台的无线传感器网络模型，包括NS-2，OPNET，GloMoSim，TOSSIM

27、，PowerTOSSIM等。1.6.1 NS-2仿真平台（1）NS-2是著名的用于网络研究的离散事件仿真工具，主要致力于OSI模型的仿真，且其源码开放，适合二次开发。一些研究小组对NS-2进行了扩展，使它能支持无线传感器网络的仿真，包括传感器模型、电池模型、小型的协议栈、混合仿真的支持和场景工具等。但由于NS-2对数据包级进行非常详细的仿真，接近于运行时的数据包数量，使得其无法进行大规模网络的仿真。第1章 无线传感器网络概述1.6.2OPNET仿真平台OPNET是成熟的商业化通信网络仿真平台，库中提供了很多的模型，包括TCP/IP、802.11、3G等。且已有一些研究人员在OPNET上实现对T

28、inyOS的NesC程序的仿真2。但要实现无线传感器网络的仿真，还需要添加能量模型。1.6.3 GloMoSim仿真平台GloMoSim是一个可扩展的用于无线和有线网络的仿真系统，它采用ParseC进行设计开发，提供了对并行离散时间仿真的支持3。但目前，其仅支持传感器网络中的物理信道特征和数据链路协议的时延等特性的仿真。第1章 无线传感器网络概述1.6.4 TOSSIM的系统结构及仿真方法TOSSIM是用于对采用TinyOS的Motes进行bit级的仿真的工具。它将TinyOS环境下的NesC代码直接编译为可在PC环境下运行的可执行文件，提供了不用将程序下载的真实的Mote节点上就可以对程序进

29、行测试的一个平台。其唯一的缺点是没有提供能量模型，无法对能耗有效性进行评价。1.6.5 PowerTOSSIMPowerTOSSIM是对TOSSIM的扩展，采用实测的MICA2节点的能耗模型对节点的各种操作所消耗的能量进行跟踪，从而实现无线传感器网络的能耗性能评价。PowerTOSSIM的缺点是所有节点的程序代码必须相同，而且无法实现网络级的抽象算法的仿真。第1章 无线传感器网络概述1.7 无线传感器网络开发平台无线传感器网络开发平台目前市场上的无线传感器的开发平台较多，有代表性的包括Chipcon公司的CC2430/CC2431/CC2480A1，Jennic公司JN5121/JN5139/

30、JN5148，Freescale公司的MC13191/MC13192/MC13201/MC13202以及Ember公司的EM250/EM260/EM351/EM357 ZigBee系列开发芯片。Chipcon:CC2430/CC2431平台Jennic:JN5121/JN5139平台Freescale:MC13191/MC13192平台Ember:EM250/EM260平台Crossbow:OEM2110CA平台第1章 无线传感器网络概述1.8 小结小结无线传感器网络综合了现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科，是新兴的交叉研究领域，是当前信息领域一个研究的热点。本章首先简述了短距离无线网络以及无线传感器网络的发展历程，总结了无线传感器网络的发展历史和研究现状，分析了无线传感器网络的地位和作用，对当前国内外的最新研究现状进行了概述，指出了无线传感器网络技术发展所面对的挑战以及无线传感器网络的发展趋势。