[信息与通信]物联网工程导论--感知技术概论.ppt

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1、物联网工程导论物联网工程导论感知技术概论感知技术概论授课人：栗华授课人：栗华山东大学信息科学与工程学院山东大学信息科学与工程学院1/31提提纲纲（一）、物联网的（一）、物联网的“感、知、行感、知、行”（二）、（二）、RFID技术概述技术概述（三）、传感器及传感网技术概述（三）、传感器及传感网技术概述（四）、无线定位技术概述（四）、无线定位技术概述2/31物联网的定义物联网物联网 即：即：“TheTheInternetInternetof Things of Things-IOTIOT”。由该名称可见，物联网就是。由该名称可见，物联网就是“物物物相连的互联网物相连的互联网”。3/31有两层含义：

2、有两层含义：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。4/31“无所不连无所不连”的物联网的物联网5/31物联网的三要素物联网的三要素“感感”、“知知”、“行行”是物联网的三要素。是物联网的三要素。“感感”，是传感器通过对信息的采集和传输;“知知”，就是要通过处理计算，产生真正的价值。“行行”就是行动，根据采集的信息作出合适的反应。6/31物联网三个重要特征物联网三个重要特征1、全面感知，、全面感知，利用RFID，传感器，二维码等随

3、时随地获取物体的信息2、可靠传递、可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去3、智能处理，、智能处理，利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制7/31物联网物联网三层结构三层结构物联网物联网有三大层，底层是感知层，中间是网络层，上层是应用层。8/31感知层感知层是物联网的皮肤和5官识别物体,采集信息。感知层包括条码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等,主要是识别物体,采集信息,与人体结构中皮肤和5官的作用相似。9/3110/31网络层网络层是物联网的神经中枢和大脑信息

4、传递和处置。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络治理中心、信息中心和智能处置中心等。网络层将感知层获取的信息停止传递和处置,相似于人体结构中的神经中枢和大脑。11/31应用层应用层是物联网的“社会分工”与行业需求结合,完成普遍智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合,与行业需求结合,完成行业智能化,这相似于人的社会分工,最终构成人类社会。12/3113/31物联网的几大关键支撑技术：物联网的几大关键支撑技术：1、RFID：实现物体的标识2、传感器及传感网：、传感器及传感网：实现物理信息实时采集3、GPS与与GIS：实现物体的定位14/31提提纲纲（一）、物联网的（一）、物联网的“感、知

5、、行感、知、行”（二）、（二）、RFID技术概述技术概述（三）、传感器及传感网技术概述（三）、传感器及传感网技术概述（四）、无线定位技术概述（四）、无线定位技术概述15/31（二）（二）RFID技术技术1、RFID的基本概念的基本概念2、RFID的分类的分类3、RFID的技术优势的技术优势4、RFID的技术研究内容的技术研究内容16/31RFID概念RFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，从而实现物联网中物体身份的自动识别身份的自动识别。17/31RFI

6、D系统的组成系统的组成标签标签标签标签(Tag)(Tag)读卡器读卡器读卡器读卡器(Reader)(Reader)主机应用系统主机应用系统主机应用系统主机应用系统(HostHost)18/31最基本的RFID系统由三部分组成：标签标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码；读卡器读卡器(Reader)：读卡器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备；应应用系用系统统(Host)：实现特定应用。19/31（一）（一）RFID技术技术1、RFID的基本概念的基本概念2、RFID的分类的分类3、RFID的技术优势的技术优势4、RFID的技术研究内容的技术研究内容2

7、0/31RFID分类分类根据操作方式根据操作方式 主动方式主动方式有源标签有源标签 电池供电电池供电 标签具有自己的发射器，能够主标签具有自己的发射器，能够主动跟阅读器通信动跟阅读器通信 读写距离远可达读写距离远可达100100米以上米以上21/31RFID分类分类根据操作方式根据操作方式 被动方式被动方式无源标签无源标签 标签无源，由读写器电磁场供电标签无源，由读写器电磁场供电 标签没有发射器，采用被动反射标签没有发射器，采用被动反射方式跟读写器通信方式跟读写器通信 读写距离近读写距离近(10cm10(10cm10米米)22/31被动式被动式RFID的基本工作原理的基本工作原理23/31镜面

8、反光实验镜面反光实验镜子正面镜子正面镜子正面镜子正面光亮光亮光亮光亮镜子反面镜子反面镜子反面镜子反面灰暗灰暗灰暗灰暗24/31镜面反光实验镜面反光实验光亮反射镜光亮反射镜光亮反射镜光亮反射镜25/31镜面反光实验镜面反光实验灰暗吸收镜灰暗吸收镜灰暗吸收镜灰暗吸收镜26/3127/31RFID分类分类根据操作方式根据操作方式 半被动方式半被动方式 电池为基本电路供电电池为基本电路供电 标签没有发射器，采用被动反射标签没有发射器，采用被动反射方式跟读写器通信方式跟读写器通信 中等读写距离中等读写距离(1050(1050米米)28/31RFID分类分类根据频率根据频率频率频率距离距离典型典型应用用L

9、F125khz几cm自动防盗HF13.56Mhz1m门禁UHF915Mhz9m供应链Microwave2.4Ghz10m以上高速收费29/3130/31各式各样的各式各样的RFID标签标签射频卡射频卡射频卡射频卡-被动式高频被动式高频被动式高频被动式高频玻璃管标签玻璃管标签玻璃管标签玻璃管标签-被动式低频被动式低频被动式低频被动式低频31/31钥匙扣标签钥匙扣标签钥匙扣标签钥匙扣标签-被动式高频或超被动式高频或超被动式高频或超被动式高频或超高频高频高频高频表内标签表内标签表内标签表内标签-被动式高频被动式高频被动式高频被动式高频低成本货物标签低成本货物标签低成本货物标签低成本货物标签-被动式高

10、频或被动式高频或被动式高频或被动式高频或低频低频低频低频32/31动物耳标动物耳标动物耳标动物耳标-被动式低频被动式低频被动式低频被动式低频主动式标签主动式标签主动式标签主动式标签腕带式标签腕带式标签腕带式标签腕带式标签33/31集装箱用防金属标签集装箱用防金属标签集装箱用防金属标签集装箱用防金属标签广深高铁用广深高铁用广深高铁用广深高铁用RFIDRFID火车票火车票火车票火车票RFIDRFID安检合格证安检合格证安检合格证安检合格证34/31高速公路高速公路高速公路高速公路ETCRFIDETCRFID收费系统收费系统收费系统收费系统（微波（微波（微波（微波5.8GHz5.8GHz有源系统）有

11、源系统）有源系统）有源系统）读写器读写器读写器读写器标签标签标签标签35/31（一）（一）RFID技术技术1、RFID的基本概念的基本概念2、RFID的分类的分类3、RFID的技术优势的技术优势4、RFID的技术研究内容的技术研究内容36/31RFID的特点的特点环境的污染对它不产生影响环境的污染对它不产生影响使用寿命长，没有机械的老化使用寿命长，没有机械的老化不需手动操作不需手动操作可以很容易地的整合到现有的系统中可以很容易地的整合到现有的系统中存储和改写信息的随意性存储和改写信息的随意性有较高的安全性，保护信息不被未经授权的修改有较高的安全性，保护信息不被未经授权的修改高速传送数据信息高速

12、传送数据信息一次可以读取多个标签信息一次可以读取多个标签信息可以实现对带有标签的人员或物品进行即时跟踪，精确定位可以实现对带有标签的人员或物品进行即时跟踪，精确定位37/31RFID与条与条码的比的比较比较项目比较项目传统条码传统条码ICIC卡卡RFIDRFID标签标签介质光电电磁波信息特性不可变可变可变重新编制重新做（慢）需接触（快）不需接触（快）表面污染信息难以读取，甚至遭到破坏不影响信息读取不影响信息读取读写距离几十厘米以内接触0100米读写数量一次一个一次一个一次多个读写速度大约2秒钟一个大约10秒钟一个卡1秒钟可以上百个标签标签形式单一比较单一多种多样38/31（一）（一）RFID技

13、术技术1、RFID的基本概念的基本概念2、RFID的分类的分类3、RFID的技术优势的技术优势4、RFID的技术研究内容的技术研究内容39/31RFID技技术术的研究内容的研究内容1、RFID读写器的研制（包含天线设计）读写器的研制（包含天线设计）2、RFID标签的设计与制造（包含天线设计）标签的设计与制造（包含天线设计）3、RFID芯片设计芯片设计4、RFID标签防碰撞算法标签防碰撞算法5、RFID定位技术研究定位技术研究6、RFID中间件的研究中间件的研究7、RFID安全技术研究安全技术研究40/31提提纲纲（一）、物联网的（一）、物联网的“感、知、行感、知、行”（二）、（二）、RFID技

14、术概述技术概述（三）、传感器及传感网技术概述（三）、传感器及传感网技术概述（四）、无线定位技术概述（四）、无线定位技术概述41/31（三）传感器及传感网技术（三）传感器及传感网技术1、传感器概述、传感器概述2、传感网概述、传感网概述42/31传感器的组成传感器的组成1.2传感器的作用传感器的作用（2）（3）传感器的分类传感器的分类（4）什么是传感器什么是传感器？（1）1、传感器概述、传感器概述43/31什么是传感器？什么是传感器？人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理）外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。

15、，作出相应的动作。而用计算机控制的自动化装置来代替人的而用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（人的五官部分（“电五官电五官”）。）。44/3145/31传感器是人们用于获取自然领域中感兴趣信息的主要途径与手段。46/31传感器的组成传感器的组成1.2传感器的作用传感器的作用（2）（3）传感器的分类传感器的分类（4）什么是传感器什么是传感器？（1）1、传感器概述、传感器概述47/31传感器的作用传感器的作用为处理的方便，传感器一般能够将自然界这

16、些人们感兴趣的信息转换成与之成对应关系电信号。传感器实际上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。传感器的作用传感器的作用48/31传感器可狭义的定义为：“将外界的输入信号变换为电信号的一类元件。”如下图所示：传感器来自外界的信号来自外界的信号电信号电信号传感器的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等49/31传感器的组成传感器的组成1.2传感器的作用传感器的作用（2）（3）传感器的分类传感器的分类（4）什么是传感器什么是传感器？（1）1、传感器概述、传感器概述50/31传感器的组成传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件、转敏感元件、转换元件、转换电路换

17、电路三部分组成：电路电路被测量被测量 敏感元件敏感元件转化元件转化元件转换电路转换电路51/31敏感元件（敏感元件（Sensitiveelement）：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件（转换元件（Transductionelement）：）：以敏感元件的输出为输入，把输入转换成电路参数。转换电路（转换电路（Transductioncircuit）：）：将转换电路参数接入转换电路，便可转换成适当的电量输出。电路电路被测量被测量 敏感元件敏感元件转化元件转化元件转换电路转换电路52/31有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时直接输

18、出电量。如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。有些传感器，转换元件不止一个，要经过若干次转换。有些传感器，不仅有转换元件，还具有数字化和一定的智能接口，这就是智能传感器53/31传感器的组成传感器的组成1.2传感器的作用传感器的作用（2）（3）传感器的分类传感器的分类（4）什么是传感器什么是传感器？（1）1、传感器概述、传感器概述54/31传感器的分类传感器的分类传感器种类繁多，目前常用的分类有两种：u以被测量来分以被测量来分u以传感器的原理来分以传感器的原理来分传感器的分类及要求传感器的分类及要求55/31被测量类别被测量类别被被测测量量热工量热工量温度、热量、比热；压

19、力、压差、真温度、热量、比热；压力、压差、真空度；流量、流速、风速空度；流量、流速、风速机械量机械量位移（线位移、角位移），尺寸、形位移（线位移、角位移），尺寸、形状；力、力矩、应力；重量、质量；状；力、力矩、应力；重量、质量；转速、线速度；振动幅度、频率、加转速、线速度；振动幅度、频率、加速度、噪声速度、噪声按被测量来分类按被测量来分类56/31被测量类别被测量类别被被测测量量物性和成分量物性和成分量气体化学成分、液体化学成分；酸气体化学成分、液体化学成分；酸碱度（碱度（PH值）、盐度、浓度、粘值）、盐度、浓度、粘度；密度、比重度；密度、比重状态量状态量颜色、透明度、磨损量、材料内部颜色、透

20、明度、磨损量、材料内部裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量裂缝或缺陷、气体泄漏、表面质量按被测量来分类按被测量来分类57/31电阻式光电式（红外式、光纤式）电感式谐振式电容式霍尔式（磁式）阻抗式（电涡流式）按传感器的原理来分类按传感器的原理来分类超声式磁电式同位素式热电式电化学式压电式微波式58/31传感器在计算机检测系统中的位置。59/31各式各样的传感器（家庭室内用）（家庭室内用）烟雾传感器烟雾传感器温度传感器温度传感器湿度传感器湿度传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器一氧化碳传感器一氧化碳传感器燃气传感器燃气传感器60/31各式各样的传感器（汽汽车车电电子子用用）61/31各式各样的传感器（工业

21、用）（工业用）称重传感器称重传感器料位传感器料位传感器震动传感器震动传感器油泵压力油泵压力传感器传感器张力传感器张力传感器电压传感器电压传感器电流传感器电流传感器流量传感器流量传感器62/31（三）传感器及传感网技术（三）传感器及传感网技术1、传感器概述、传感器概述2、传感网概述、传感网概述63/31 传感器接近感知对象传感器接近感知对象 传感器仅产生数据流传感器仅产生数据流 传感器无计算能力传感器无计算能力 传感器间无通信能力传感器间无通信能力 无法对大规模区域进行感知无法对大规模区域进行感知SensorsSensorsObjectObject信号分析信号分析信号分析信号分析传统的感知方法传

22、统的感知方法有线有线/无线连接无线连接64/31现代感知方法Sensing AreaSensing AreaObjectObjectUserUser端端端端 传感器网络覆盖传感器网络覆盖传感器网络覆盖传感器网络覆盖感知对象区域感知对象区域感知对象区域感知对象区域 每个传感器完成其临近感知对象的观测每个传感器完成其临近感知对象的观测每个传感器完成其临近感知对象的观测每个传感器完成其临近感知对象的观测 多传感器协同完成感知区域的大多传感器协同完成感知区域的大多传感器协同完成感知区域的大多传感器协同完成感知区域的大观测任务观测任务 使用多跳路由算法向用户报告使用多跳路由算法向用户报告使用多跳路由算法

23、向用户报告使用多跳路由算法向用户报告观测结果观测结果SinkSinkInternetInternet或或或或通信卫星通信卫星通信卫星通信卫星Sensor networkSensor networkUserUser端端端端65/31 传感器网络是大量的静止或移动的传感器网络是大量的静止或移动的传感器以传感器以自组织和多跳自组织和多跳的方式构成的无的方式构成的无线网络线网络,其目的是协作地感知、采集、其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息报告给用户。象的监测信息报告给用户。传感器网络的定义传感器网络的定义66/31传感器网络的结构

24、sensornode-传感器节点sink-汇聚点sensorfield-监测区域67/31传感器网络的实体传感器节点传感器节点功能：采集、处理、控制和通信等网络功能：兼顾节点和路由器特点：计算、存储、能量等资源受限Sink节点节点功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。特点：连续供电、功能强、数量少等68/31传感器节点传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制、数据处理、网络协议无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据能量供应模块：提供能量69/31传感器节点实物图传感器节点实物图70/31传

25、感网的实质传感网是物联网的一个重要组成部分。而物联网又是互联网（Internet）的延伸。因此，传感网是一种特殊的计算机网络，联网的对象是传感器节点。物联网的网络的架构既有与互联网相似之处又有其特别之处。71/31计算机网络是如何工作的？中国山大中国山大美国微软美国微软？72/31复杂的事情还有很多，比如说盖座大楼、造一艘万吨巨轮，发送天宫一号卫星上天。我们该如何去实现？很简单，“分分工合作工合作”73/31uu应用程序层应用程序层应用程序层应用程序层应用程序层应用程序层uu会话层会话层会话层会话层会话层会话层uu表示层表示层表示层表示层表示层表示层uu传输层传输层传输层传输层传输层传输层uu

26、网络层网络层网络层网络层网络层网络层uu数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层uu物理层物理层物理层物理层计算机网络的协议层次计算机网络的协议层次（OSI模型）模型）应用层应用层会话层会话层表示层表示层传输层传输层网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层74/31计算机网络的协议层次计算机网络的协议层次物理层直接与物理信道相连，实现在物理信道上进行比特流传输的功能。规定了物理接口、传输介质等内容。RS232以太网光纤75/31计算机网络的协议层次计算机网络的协议层次数据链路层当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要通信协议来控制这些数据

27、的传输。数据链路层的重要作用就是通过一些数据链路层协议(即链路控制规程)，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。76/31计算机网络的协议层次计算机网络的协议层次l数据链路层的功能具体来讲，包括以下几个方面：数据链路层的功能具体来讲，包括以下几个方面：l（1）链链路路管管理理数数据据链链路路的的建建立立、维维持持和和释释放放就就叫叫做做链链路管理路管理。l（2）帧帧同同步步：数数据据传传送送单单位位为为“帧帧”，应应能能识识别别帧帧的的开始和结束。开始和结束。l（3）流量控制流量控制(flowcontrol)l（4）差错控制差错控制l（5）寻址寻址77/31计算机网络的协议层次计算机网络的

28、协议层次网络层数据链路层建立了“点到点”的传输而不是“端到端”的传输。网络层的作用就是自动将数据从发送端经过若干中间节点转发到最终的目的节点。主机主机B主机主机AS1S1S2S2S3S3S4S4S5S578/31计算机网络的协议层次计算机网络的协议层次网络层数据链路层建立了“点到点”的传输而不是“端到端”的传输。网络层的作用就是自动将数据从发送端经过若干中间节点转发到最终的目的节点。主机主机B主机主机AS1S1S2S2S3S3S4S4S5S579/31计算机网络的协议层次计算机网络的协议层次传输层实现通信网端到端的可靠传输，并完成自动流量控制。主机主机B主机主机AS1S1S2S2S3S3S4S

29、4S5S580/31计算机网络的协议层次计算机网络的协议层次传输层实现通信网端到端的可靠传输，并完成自动流量控制。主机主机B主机主机AS1S1S2S2S3S3S4S4S5S581/31计算机网络的协议层次计算机网络的协议层次表示层主要涉及被传输信息的内容和表示形式，如文字、图形、声音的表示。另外，数据压缩、数据加密等工作都是由表示层负责处理。82/31计算机网络的协议层次计算机网络的协议层次会话层所谓一次会话，就是两个用户进程之间为完成一次完整的通信而进行的过程，包括建立、维护和结束会话连接。在会话连接过程中，可以把用户之间的信息交换分成若干个逻辑工作段，即“活动”，活动的内容具有相对的独立性

30、和完整性。在每个活动中可以含有一个或多个“会话单元”。83/31计算机网络的协议层次计算机网络的协议层次应用层为网络用户或应用程序提供完成各种网络服务功能所需的各种应用协议。常用的网络服务包括文件服务、电子邮件（E-mail）服务、打印服务、集成通信服务、目录服务、网络管理服务、安全服务、多协议路由与路由互连服务、分布式数据库服务、虚拟终端服务等。84/31uu物理层物理层物理层物理层uu数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层数据链路层uu网络层网络层网络层网络层网络层网络层uu传输层传输层传输层传输层传输层传输层uu应用程序层应用程序层应用程序层应用程序层应用程序层应用程序层uu

31、任务管理平台任务管理平台任务管理平台任务管理平台uu移动管理平台移动管理平台移动管理平台移动管理平台uu电源管理平台电源管理平台电源管理平台电源管理平台传感网的协议层次传感网的协议层次85/31各层协议功能如下各层协议功能如下物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术。（简单低能耗）数据链路层负责数据成帧，帧检测和媒体访问以及差错控制。（MAC协议）网络层主要负责路由生成与路由选择。（面向应用的路由协议、安全路由协议）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。（令人惊奇的是，目前关于WSN传输层方面的研究非常少）应用层包括一系列基于检测任务的应用层软件86/31三个管理平台功

32、能如下三个管理平台功能如下能量管理能量管理平台管理传感器节点如何使用能量，在各个协议层都需要考虑节省能量。移动管理移动管理平台检测并注册传感其节点的移动，维护到汇集节点的路由，使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置。任务管理任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度检测任务。87/31传感器网络的特点大规模网络：地理区域大；部署密集提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区自组织网络：不确定性；拓扑结构变化资源受限：计算、存储、通讯、能量动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性应用相关：没有统一的通信协议平台以数据为中心88/31作战环境侦查作战环

33、境侦查传感网的应用传感网的应用89/31战场监测与指挥战场监测与指挥90/31大地监测91/31环境监测环境监测92/3193/3194/31 Sensor attached to Sensor attached to every vehicle.every vehicle.Capable of Capable of detecting their detecting their location,vehicle location,vehicle sizes,speeds and;sizes,speeds and;road conditions road conditions Alternat

34、e routes,Alternate routes,estimate trip estimate trip timestimes Traffic Control95/31Biological Systems96/31传感器网络的研究方向网络体系结构的研究：自组织路由协议，基于能量感知技术的路由协议。将MAC与路由相结合进行跨层设计可以有效节省能量，延长网络的寿命。传感器网络的能量管理、低功耗设计、时间同步和节点定位方面也可以结合实际，跨层优化设计。时间同步技术的研究：在高密度网络中，需要大范围时间同步。时间同步可以减少事件碰撞、能量浪费和统一更新。现有的时间同步方案致力于同步网络中的局部节点时

35、钟以及较少的能量负担。接下来的研究可以更多地关注最小化长时间的不确定性误差，提高精度。97/31传感器网络的研究方向定位技术的研究：根据节点信号强度、波达方向等信息确定节点位置。数据融合技术的研究：大多数无线WSN应用都是由大量传感器节点构成的，共同完成信息收集、目标监视和感知环境的任务。在信息采集过程中，各个节点直接传输数据到汇聚节点的方法显然是不合适的。通过数据融合技术，将多份数据或信息进行处理，能够组合出更高效、更符合用户需求的数据。98/31传感器网络的研究方向安全技术的研究：在有限的计算资源和能量资源范围内，研究各种轻量级的网络安全技术，满足传感器节点的实际需要。安全协议需要能监视、

36、检测，同时应对入侵者的攻击。现有的许多安全协议多数是针对网络层和数据链路层的。然而恶意攻击可能出现在任何层中，不同层的安全检测是一个值得研究的问题。跨层的安全检测是网络安全研究中的又一具有挑战性的课题。分布式数据处理技术的研究应用技术的研究99/31提提纲纲（一）、物联网的（一）、物联网的“感、知、行感、知、行”（二）、（二）、RFID技术概述技术概述（三）、传感器及传感网技术概述（三）、传感器及传感网技术概述（四）、无线定位技术概述（四）、无线定位技术概述100/31无线定位技术概述无线定位技术概述从物联网的体系架构当中可以看出，人们使用RFID、传感器，从物理世界当中获取各种各样的信息，这

37、些信息又通过网络最后传到用户或者服务器端，为用户提供各种各样的服务，所有采集的信息必须和传感器的具体位置信息相关联，否则这个信息就没有任何意义，可以说传感器的定位技术是物联网一个重要的基础。从物联网的三个目标来看，要实现任何时间、任何事物、任何地点之间的连接其中必须有定位技术的支持，而且在任何地方的连接里面本身就包含着物体之间的位置信息位置信息位置信息位置信息。101/31（四）（四）无线定位技术概述无线定位技术概述1、卫星定位、卫星定位2、移动基站定位、移动基站定位3、WiFi定位定位4、WSN定位定位5、RFID定位定位6、UWB定位定位102/311、卫星定位系统最早的卫星定位系统是美国

38、的子午仪系统（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小（5-6颗），运行高度较低（平均1000KM），从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均1.5h），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。103/311、卫星定位、卫星定位1.1GPS卫星定位系统卫星定位系统全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力

39、的新一代卫星导航与定位系统。它的全称为“导航卫星授时和测距全球定位系统”(NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem)，简称为GPS。104/31GPS系统的组成GPS由三个独立的部分组成：空间部分(Space)：共24颗卫星，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。地面支撑系统(Control)：1个主控站，3个注入站，5个监测站。用户设备部分(User)：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。105/31106/31GPS空间卫星星座空间卫星星座GPS空间部分使用了24颗卫星

40、组成的星座，卫星高度约20200公里。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，各个轨道平面之间相距60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的角距差为90度。这使得地球上任何地方至少同时可以看到四颗卫星。107/31123456GPS卫星星座的构成全球3D分布轨道高度：20,200公里绕地一周：11小时58分卫星数：21+3颗/6轨道轨道傾角：55坐标系統：WGS84108/31卫星不间断地发送自身的星历参数(位置)和时间信息GPS(接收机用户)接收到这些信息后(四颗以上的卫星)可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，经过计算求出接收机的三维位置（经度、纬度、高度），三维方向航向以及运动速度和时间信息。X

41、0X0、Y0 Y0、Z0 Z0 测点点位坐测点点位坐测点点位坐测点点位坐标标标标X Xi i、Y Yi i、Z Zi i 卫星星历卫星星历卫星星历卫星星历（坐标）（坐标）（坐标）（坐标）R Ri i 观测所得伪距观测所得伪距观测所得伪距观测所得伪距 C C*(*(t0t0-ti ti)GPS定位原理定位原理109/31110/31GPS地面支撑系统地面支撑系统111/31主控站功能协调和管理地面监控站系统推算编制星历、卫星钟差和大气层参数修正，传输数据到注入站提供GPS的时间基准调整卫星轨道，启用备用卫星位置：科罗拉多位置：科罗拉多(ColoradoSprings)112/31地面监控站功能在

42、主控站直接控制下的数据自动采集中心。双频GPS接收机高精度原子钟计算机环境数据传感器位置：位置：HAWAII夏威夷夏威夷KWAJALEIN卡瓦加兰卡瓦加兰ASCENSIONISLAND阿松森群岛阿松森群岛DIEGOGARCIA迭戈加西亚迭戈加西亚COLORADOSPRINGS克罗拉多克罗拉多接收机接收机原子钟原子钟Modem数据处理机数据处理机气象传感器气象传感器113/31注入站在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。位置：迭哥加西亚位置：迭哥加西亚(DiegoGarcia)、阿松森岛、阿松森岛(Asc

43、encion)、卡瓦加兰卡瓦加兰(Kwajalein)主要设备：二台直径为主要设备：二台直径为3.6m的天线、一台的天线、一台C波段发射机和一波段发射机和一台计算机。台计算机。114/31用户设备构成：GPS接收机硬件、数据处理软件、微处理机、终端设备GPS接收硬件：主机、天线和电源主要任务：接收GPS卫星信号，以获得必要的定位信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作。GPS导航仪导航仪GPS终端终端115/31GPS定位的功能1跟踪定位2轨迹回放3超速报警4里程统计5车辆远程控制6车辆调度116/31GPS定位的特点GPS系统具有以下主要特点：高精度、全天候、全球覆盖，高效率、多功能、操作简

44、便、应用广泛等。定位精度高：民用的正负20米，军用的、正负5米。全天候：目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。117/311、卫星定位、卫星定位1.2北斗卫星定位系统北斗卫星定位系统北斗卫星导航系统是是北斗卫星导航系统是是中国中国自行研制开发的区域性自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与有源三维卫星定位与通信系统通信系统（CNSS），是除美），是除美国的国的全球定位系统全球定位系统（GPS）、俄罗斯的）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的之后第三个成熟的卫星导航系统卫星导航系统。北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的北斗卫星导航系

45、统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，其建设与发展则遵循开放定位、导航和授时服务，其建设与发展则遵循开放性、自主性、兼容性、渐进性这性、自主性、兼容性、渐进性这4项原则。项原则。118/311、卫星定位、卫星定位1.2北斗卫星定位系统北斗卫星定位系统我国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由我国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属于第二代系统）。开放服务是在服务区（属于第二代系统）。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服

46、务，定位精度免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为为10米，授时精度为米，授时精度为50纳秒，测速精度纳秒，测速精度0.2米米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和位、测速、授时和通信服务通信服务以及系统完好性以及系统完好性信息。信息。119/311、卫星定位、卫星定位1.2北斗卫星定位系统北斗卫星定位系统根据系统建设总体规划，根据系统建设总体规划，2012年左右，年左右，“北斗北斗”系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及以及短报文通信短报文通信短报文通信短报文通信服务能力；服务能力

47、；2020年左右，建成覆盖年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。全球的北斗卫星导航系统。2011年年7月月27日日5时时44分，我国在西昌卫星发射中分，我国在西昌卫星发射中心用心用“长征三号甲长征三号甲”运载火箭，成功将第九颗北斗运载火箭，成功将第九颗北斗卫星送入预定转移轨道。卫星送入预定转移轨道。120/311、卫星定位、卫星定位北斗卫星定位系统的战略意义北斗卫星定位系统的战略意义现代战争拼的是高科技，而战争的爆发谁都不能预计，但做到防患于未然才是中国面对未来之根本。武器再精致，但武器的灵魂脱离不了对方的控制，那才是最可怕的，未战就先输了一半。中国拥有了“北斗”导航卫星系统-尖端武器的灵魂

48、，拥有了独立的国防军事系统。因此，北斗卫星定位系统具有重要的国家战略意义。121/311、卫星定位、卫星定位1.3地理信息系统（地理信息系统（GIS）地理信息系统（GeographicInformationSystem,简称GIS）是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以提供管理、决策等所需信息的技术系统。从技术和应用的角度，GIS是解决空间问题的工具、方法和技术；从学科的角度，GIS是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科，具有独立的学科体系；从功能上，GIS具有空间数据的获取、存

49、储、显示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能；122/311、卫星定位、卫星定位1.3地理信息系统（地理信息系统（GIS）总之，GIS是一个基于数据库管理系统（DBMS）的分析和管理空间对象的信息系统，以地理空间数据为操作对象是地理信息系统与其它信息系统的根本区别。123/311、卫星定位、卫星定位地理信息系统（地理信息系统（GIS）应用领域：）应用领域：城市规划和管理在大规模城市基础设施建设中如何保证绿地的比例和合理分布、如何保证学校、公共设施、运动场所、服务设施等能够有最大的服务面(城市资源配置问题)等；基础设施管理城市的地上地下基础设施(电信、自来水、道路交通、天然气管线、排污设施、电力

50、设施等)广泛分布于城市的各个角落、且这些设施明显具有地理参照特征的。它们的管理、统计、汇总都可以借助GIS完成，而且可以大大提高工作效率。124/311、卫星定位、卫星定位地理信息系统（地理信息系统（GIS）应用领域：）应用领域：网络分析建立交通网络、地下管线网络等的计算机模型，研究交通流量、进行交通规则、处理地下管线突发事件(爆管、断路)等应急处理。警务和医疗救护的路径优选、车辆导航等也是GIS网络分析应用的实例。可视化应用以数字地形模型为基础，建立城市、区域、或大型建筑工程、著名风景名胜区的三维可视化模型，实现多角度浏览，可广泛应用于宣传、城市和区域规划、大型工程管理和仿真、旅游等领域。1