物联网导论第3章 无线传感网ppt课件.pptx
第3章 无线传感网,作 者：刘云浩 著出 版 社：科学出版社,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,本章内容,2/40,传感器技术发展史：两条主线,加州伯克利分校SmartDust项目：微型化传感器节点,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,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WINS节点,1999年，该校发布了WeC节点,之后，该校又发布了一系列节点，包括Mica、Mica2、Mica2Dot，MicaZ,Mica2Dot,Mica2,中科大-Mica2仿制品,3/40,2002年，Mica应用美国大鸭岛加州大学伯克利分校32个节点采集内容：温度、湿度、光照和大气压力监测目的：持续监测海燕在繁殖季节的习性，收集相关环境数据供动物学家分析。,传感器技术发展史:“智能尘埃”的具体实现,4/40,5/40,淘宝出售的传感器节点,摩尔定律：约每隔18个月，集成电路上可容纳的晶体管数量增加一倍，性能提升一倍。但是，无线传感器节点性能提升十分缓慢，没有像摩尔定律的速度发展！为什么没跟上？,传感器技术发展史：缓慢提升的性能,6/40,三个制约因素成本组网节点数量大，必须廉价。体积布置范围大，无法回收，必须微型化。功耗一次性寿命，携带电源有限，必须节能。,制约传感器性能提升的因素？,7/40,1、低成本低成本的节点才能被大规模部署。2、微型化不仅硬件，节点的软件也要满足微型化的需求。例：TelosB节点的内存大小只有4KB，程序存储的空间只有10KB。必须节约计算资源，避免超出节点的硬件能力。,传感器的设计要求,8/40,3、低功耗硬件，低功耗处理器和射频芯片例：TelosB节点微处理器功率3mW。一般计算机功率200到300W，英特尔i5为35W。计算：2节2500mah的5号电池，电压=3V，功耗3mW的传感器节点，能用多久？软件，节能协议 在不工作时，处理器进入低功耗模式，在工作时进入正常状态。,传感器的设计要求,2500mah/1ma=2500h,9/40,4、灵活性与扩展性硬件统一接口，节点能安装不同功能，不同厂商的传感器。软件可裁剪：根据不同需求，安装不同功能的软件模块。自组织协议：支持动态添加新节点。可扩展：自动联网，下载更新程序。,传感器的设计要求,10/40,5、鲁棒性长时间部署的重要保障。普通的计算机一旦系统崩溃，可以人工重启恢复系统。传感器节点无人工干预，没有人去重启、维修。适当增加冗余性，增加整体系统的鲁棒性。自动诊断和网络管理功能。,传感器的设计要求,11/40,3.1 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,本章内容,12/40,无线传感节点组成电池、传感器、微处理器、无线通信芯片；,硬件平台,13/40,传感器定义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。传统传感器局限性缺少有效的数据处理与共享能力。现代传感器传感器网络能够对感知信息进行分析处理和网络传输。,硬件平台,14/40,1，传感器多种类型传感器可供选择。,硬件平台,15/40,常用传感器特性,16/40,2，微处理器集成度高，集成了ROM、RAM、AD/DA、IO等。关键性能功耗特性（越低越好）唤醒时间（快速切换状态睡眠/工作）供电电压（低电压）运算速度（要求不高）内存大小（要求不高）,硬件平台,17/40,常用微处理器特性,18/40,3，通信芯片节点总能耗中，通信芯片通常耗能最多例：TelosB节点CPU芯片-工作状态电流500uA通信芯片-工作状态电流20mA发送状态和接收状态能耗差别不大。发射功率越大，传输距离越远。睡眠状态能耗很低。,硬件平台,TelosB,19/40,3，通信芯片（续）常用通信芯片CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz，传输速率19.2Kbps。CC2420：工作频率2.4GHz，符合IEEE 802.15.4协议规范，传输速率250Kbps。,硬件平台,20/40,12.48元,21.2元,常用通信芯片特性,4，供能装置一次性电池部署方便，由于电压、环境变化，电池容量并不能被完全利用。可再生能量充电电池：自放电较少，电能利用率较高，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。太阳能/无线充电：未来研究热点,硬件平台,超电容,22/40,3.1 发展历史3.2 硬件平台3.3 操作系统（了解）3.4 组网技术3.5 典型应用,本章内容,23/40,区别于传统嵌入式系统由于微型化，硬件资源（内存空间，能量）极其有限,传感器节点操作系统VS其他操作系统,24/40,节点操作系统发展史,为什么都是大学？没有企业。,行业初期，不赚钱国家投资基础研究。,25/40,TinyOS系统加州伯克莱分校开发，是目前无线传感网络研究领域使用最为广泛的OS(http:/)开发语言nesC专门为资源极其受限、硬件平台多样化的传感节点开发。,TinyOS,26/40,其他常用微型OS对比,27/40,3.1 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,本章内容,28/40,路由协议功能描述了网络拓扑结构，创建了路由表执行路由选择和数据包转发功能简言之：决定了数据包走那条路。,29/40,路由协议,指标：期望传输次数(ETX Expected Transmission Count)成功传输每个包，期望的平均传输次数最短的路径，成功率未必最高带宽利用率 1/链路ETX,低成功率环境选路指标,传输成功率（经验值）,100%,50%,33%,带宽利用率,100%,50%,33%,链路ETX,1,2,3,环境不同,30/40,路径ETX=链路 ETX,组网技术选路指标的计算（续）,路径ETX,1,2,2,4,3,1、ETX指标相同，路径未必一样长。2、短的路径，ETX指标未必最好。,比较,比较,31/40,分布式收集树协议（CTP）1，每个节点广播自己到汇聚节点的路径的ETX。2，每个节点收到广播包之后，依据邻居节点广播的路径ETX，动态选择父节点，使得自己到汇聚节点的路径ETX尽量小。3，经过不断更新，网络中的每个节点都能够选择到一条到汇聚节点ETX之和最小的路径。,组网技术 3.4.2路由协议（CTP）,数据收集协议,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（了解）,本章内容,33/40,监控移动目标美国弗吉尼亚大学，铺设在道路旁边，采集移动目标。,军事领域,34/40,军事领域,定位狙击手 2005年，美国，枪声定位系统,(a)检测区域俯瞰图(b)模型图(A为狙击手位置，B为节点位置),35/40,煤矿安全监控系统20042007年，香港科技大学，煤矿安全生产。技术特点事故预警，紧急救援与导航多跳传输，克服地下信号传播困难,煤矿安全,36/40,医疗监控 传感器：体温、呼吸、血压等可穿戴设备：手环，服装等技术特点佩戴方便，不影响生活24小时连续地采集数据医生远程监控,医疗监控,37/40,农业领域,农业领域 监视农作物灌溉、土壤空气变更、畜禽环境、地表检测等,38/40,环境监测,环境监测生物、气象、地理、洪水、火灾、空间、海洋,39/40,智能建筑,监控建筑物状态，及时维修保养：摩天大楼、跨海大桥、地下隧道、海底管线等。,基于WSN的桥梁结构监测系统示意图,40/40,无线传感器网络，已经研究10多年了，为什么至今没有得到大规模实际应用？,41/40,思考题,
