物聯(lián)網(wǎng)第二版 劉云浩 第3章_無(wú)線傳感網(wǎng)

1、物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論Introduction to Internet of Things第3章 無(wú)線傳感網(wǎng)Small is beautiful. - Jack Ma2 第2章對(duì)常見(jiàn)的自動(dòng)識(shí)別方法和技術(shù)做了介紹，包括：光學(xué)符號(hào)識(shí)別技術(shù)、語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)、生物計(jì)量識(shí)別技術(shù)、IC卡技術(shù)、條形碼技術(shù)和RFID射頻技術(shù) 第2章重點(diǎn)講述了RFID技術(shù)，包括RFID歷史和現(xiàn)狀、RFID技術(shù)剖析和RFID在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。3 3.1 發(fā)展歷史 3.2 硬件平臺(tái) 3.3 操作系統(tǒng) 3.4 組網(wǎng)技術(shù) 3.5 典型應(yīng)用4 定義 我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB7665-2005）對(duì)傳感器的定義是：“能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信

2、號(hào)的器件或裝置”。 傳統(tǒng)傳感器的局限性 網(wǎng)絡(luò)化、智能化的程度十分有限，缺少有效的數(shù)據(jù)處理與信息共享能力 現(xiàn)代傳感器 特點(diǎn)：微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化 典型代表：無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)5 無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的組成：電池、傳感器、微處理器、無(wú)線通信芯片；相比于傳統(tǒng)傳感器，無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)不僅包括傳感器部件（左上圖），還集成了微型處理器和無(wú)線通信芯片等，能夠?qū)Ω兄畔⑦M(jìn)行分析處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸。6 無(wú)線傳感器的“三化”發(fā)展方向7微型化網(wǎng)絡(luò)化智能化 3.1 發(fā)展歷史 3.2 硬件平臺(tái) 3.3 操作系統(tǒng) 3.4 組網(wǎng)技術(shù) 3.5 典型應(yīng)用89加州伯克萊分校SmartDust項(xiàng)目微型化傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)無(wú)線傳感器的研究始于20世紀(jì)90年代

3、加州洛杉磯分校LWIN項(xiàng)目低功耗無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)1996年，LWIM團(tuán)隊(duì)將多種傳感器、控制和通信芯片集成在一個(gè)設(shè)備上，開(kāi)發(fā)了LWIM節(jié)點(diǎn)1998年，LWIM團(tuán)隊(duì)和Rockwell科學(xué)中心合作開(kāi)發(fā)了WINS節(jié)點(diǎn)1999年，該校發(fā)布了WeC節(jié)點(diǎn) 之后，該校又發(fā)布了一系列節(jié)點(diǎn)，包括Mica、Mica2、Mica2Dot，MicaZ 加州大學(xué)伯克利分校2002年 美國(guó)大鴨島（Great Duck Island） 32個(gè)MICA節(jié)點(diǎn) 數(shù)據(jù)采集內(nèi)容：溫度、濕度、光照和大氣壓力 監(jiān)測(cè)目的：持續(xù)監(jiān)測(cè)海燕在繁殖季節(jié)的習(xí)性，收集相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)供動(dòng)物學(xué)家分析。10 前哈佛大學(xué)計(jì)算機(jī)系教授，現(xiàn)任谷歌研究中心資深研究員的Ma

4、tt Welsh認(rèn)為，最早的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)是美國(guó)軍方于1967年在越南戰(zhàn)爭(zhēng)期間部署的“雪屋”系統(tǒng)（IGLOO WHITE）11 計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展通常遵循摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數(shù)量，約每隔18個(gè)月增加一倍，性能也將提升一倍。 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)并沒(méi)有像摩爾定律預(yù)測(cè)的速度發(fā)展！12時(shí)間硬件能力摩爾定律預(yù)測(cè)的曲線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)展曲線2004 功耗的制約：無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)一般被部署在野外，不能通過(guò)有線供電。其硬件設(shè)計(jì)必須以節(jié)能為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。 價(jià)格的制約：無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)一般需要大量組網(wǎng)，以完成特定的功能。其硬件設(shè)計(jì)必須以廉價(jià)為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。 體積的制約：無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)一般需要容易攜帶，易于部署。

5、其硬件設(shè)計(jì)必須以微型化為重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。 13低成本與微型化 低成本的節(jié)點(diǎn)才能被大規(guī)模部署，微型化的節(jié)點(diǎn)才能使部署更加容易 節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)也需要滿足微型化的需求 。例如TelosB節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存大小只有4KB，程序存儲(chǔ)的空間只有10KB。因此，節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)必須節(jié)約計(jì)算資源，避免超出節(jié)點(diǎn)的硬件能力 14低功耗 在硬件設(shè)計(jì)上采用低功耗芯片 例如TelosB節(jié)點(diǎn)使用的微處理器，在正常工作狀態(tài)下功率為3mW，而一般的計(jì)算機(jī)的功率為200到300W 軟件節(jié)能策略來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能 軟件節(jié)能策略的核心就是盡量使節(jié)點(diǎn)在不需要工作的時(shí)候進(jìn)入低功耗模式，僅在需要工作的時(shí)候進(jìn)入正常狀態(tài) 15靈活性與擴(kuò)展性 傳感器節(jié)點(diǎn)被用于各

6、種不同的應(yīng)用中，因此節(jié)點(diǎn)硬件和軟件的設(shè)計(jì)必須具有靈活性和擴(kuò)展性 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)需滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)接口，例如節(jié)點(diǎn)和傳感板的接口統(tǒng)一有利于給節(jié)點(diǎn)安裝上不同功能的傳感器 軟件的設(shè)計(jì)必須是可剪裁的，能夠根據(jù)不同應(yīng)用的需求，安裝不同功能的軟件模塊 16魯棒性 魯棒性是實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間部署的重要保障 對(duì)于普通的計(jì)算機(jī)，一旦系統(tǒng)崩潰了，人們可以采用重啟的方法恢復(fù)系統(tǒng)，而傳感器節(jié)點(diǎn)則不行 ，就整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言，可以適當(dāng)增加冗余性，增加整體系統(tǒng)的魯棒性 17 3.1 發(fā)展歷史 3.2 硬件平臺(tái) 3.3 操作系統(tǒng) 3.4 組網(wǎng)技術(shù) 3.5 典型應(yīng)用18傳感器 有許多傳感器可供節(jié)點(diǎn)平臺(tái)使用，使用哪種傳感器往往由具體的

7、應(yīng)用需求以及傳感器本身的特點(diǎn)決定 需要根據(jù)處理器與傳感器的交互方式：通過(guò)模擬信號(hào)和通過(guò)數(shù)字信號(hào)，選擇是否需要外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器和額外的校準(zhǔn)技術(shù)。1920微處理器 微處理器是無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)中負(fù)責(zé)計(jì)算的核心 ，目前的微處理器芯片同時(shí)也集成了內(nèi)存、閃存、模數(shù)轉(zhuǎn)化器、數(shù)字IO等 ，這種深度集成的特征使得它們非常適合在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用。 影響節(jié)點(diǎn)工作整體性能的微處理器關(guān)鍵性能包括功耗特性，喚醒時(shí)間（在睡眠/工作狀態(tài)間快速切換），供電電壓（長(zhǎng)時(shí)間工作），運(yùn)算速度和內(nèi)存大小2122通信芯片 通信芯片是無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)中重要的組成部分 ，在一個(gè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗中，通信芯片通常消耗能量最多 ，在目前常用的Tel

8、osB節(jié)點(diǎn)上，CPU在工作狀態(tài)電流僅500uA，而通信芯片在工作狀態(tài)電流近20mA。 低功耗的通信芯片在發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)時(shí)消耗的能量差別不大 ，這意味著只要通信芯片開(kāi)著，都在消耗差不多的能量23通信芯片（續(xù)） 通信芯片的傳輸距離是選擇傳感節(jié)點(diǎn)的重要指標(biāo)。發(fā)射功率越大，接受靈敏度越高，信號(hào)傳輸距離越遠(yuǎn)。 常用通信芯片： CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz；采用串口通信模式時(shí)速率只能達(dá)到19.2Kbps CC2420：工作頻率2.4GHz，是一款完全符合IEEE 802.15.4協(xié)議規(guī)范的芯片 ；傳輸率250Kbps2425供能裝置 采用電池供電，使得節(jié)點(diǎn)容易部署。但

9、由于電壓、環(huán)境等變化，電池容量并不能被完全利用。 可再生能量，如太陽(yáng)能?？稍偕茉创鎯?chǔ)能量有兩種方式：充電電池，自放電較少，電能利用會(huì)比較高，但充電的效率較低，且充電次數(shù)有限； 超電容，充電效率高，充電次數(shù)可達(dá)100萬(wàn)次，且不易受溫度，振動(dòng)等因素的影響。 26 3.1 發(fā)展歷史 3.2 硬件平臺(tái) 3.3 操作系統(tǒng) 3.4 組網(wǎng)技術(shù) 3.5 典型應(yīng)用27 節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)是微型化的。 節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是： 硬件平臺(tái)資源極其有限2829 TinyOS由加州伯克萊分校開(kāi)發(fā),是目前無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域使用最為廣泛的OS (http:/) TinyOS開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：nesC nesC語(yǔ)言

10、是專(zhuān)門(mén)為資源極其受限、硬件平臺(tái)多樣化的傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 使用nesC編寫(xiě)的應(yīng)用程序是基于組件的 組件之間的交互必須通過(guò)使用接口 用nesC編寫(xiě)的應(yīng)用程序一般有一個(gè)最頂層的配置文件 3031/ BlinkC.ncmodule BlinkC uses interface Timer as Timer; uses interface Leds; uses interface Boot; implementation event void Boot.booted() call Timer.startPeriodic( 250 ); event void Timer.fired() call Le

11、ds.led0On(); 左側(cè)代碼中：BlinkC就表示一個(gè)組件，它使用了三個(gè)接口：Timer，Leds，Boot。在其實(shí)現(xiàn)部分，它可以調(diào)用這些接口提供的服務(wù)，如Timer.startPeriodic啟動(dòng)一個(gè)以250ms周期觸發(fā)的時(shí)鐘，而Leds.led0Toggle使節(jié)點(diǎn)上第一個(gè)燈亮起。在上面的代碼中，注意的是，event關(guān)鍵字表示BlinkC組件處理的系統(tǒng)事件。32左側(cè)代碼顯示了一個(gè)典型的nesC配置文件。它必須指定當(dāng)前程序使用了哪些組件。例如該程序使用了MainC，BlinkC（即代碼1顯示的組件），LedsC和TimerC組件。BlinkC組件中使用的接口到底是由哪個(gè)組件提供的，例如，

12、BlinkC組件使用的Boot接口由MainC組件提供；BlinkC組件使用的Timer接口由TimerC組件提供；BlinkC組件使用的Leds接口由LedsC組件提供。/ BlinkCApp.ncconfiguration BlinkAppC implementation components MainC, BlinkC, LedsC; components new TimerMilliC() as TimerC; BlinkC - MainC.Boot; BlinkC.Timer - TimerC; BlinkC.Leds - LedsC; TinyOS任務(wù)調(diào)度 TinyOS核心使用了事

13、件驅(qū)動(dòng)的單線程任務(wù)調(diào)度機(jī)制，這和傳統(tǒng)OS的多線程調(diào)度機(jī)制截然不同 任何一個(gè)時(shí)刻，處理器只能執(zhí)行一個(gè)任務(wù)。因此，如果當(dāng)前正在執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，處理器必須等這個(gè)任務(wù)處理完畢，才能開(kāi)始處理另一個(gè)任務(wù) 在單個(gè)TinyOS任務(wù)中不能有IO等阻塞的調(diào)用 3334 3.1 發(fā)展歷史 3.2 硬件平臺(tái) 3.3 操作系統(tǒng) 3.4 組網(wǎng)技術(shù) 3.5 典型應(yīng)用35 傳輸成功每個(gè)包需要的總傳輸次數(shù)（ETX, Expected Transmission Count)Link throughput 1/Link ETX36Delivery Ratio100%50%33%Throughput100%50%33%Link ETX

14、123 假設(shè)鏈路有ACKs和重傳: P(TX success) = P(Data success) P(ACK success) Link ETX = 1 / P(TX success)= 1 / P(Data success) P(ACK success) 實(shí)際計(jì)算ETX: P(Data success) measured fwd delivery ratio rfwd P(ACK success) measured rev delivery ratio rrev Link ETX 1 / (rfwd rrev)37 擴(kuò)展到路徑的情形 Route ETX = Sum of link ETXs

15、38Route ETX12235Throughput100%50%50%33%20% Collection Tree Protocol 初始化階段: 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播自己到匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑的ETX。 每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到廣播包之后，依據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的路徑ETX，動(dòng)態(tài)選擇父節(jié)點(diǎn)，使得自己到匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑ETX盡量小。 經(jīng)過(guò)不斷更新，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠選擇到一條到匯聚節(jié)點(diǎn)ETX之和最小的路徑。 CTP在TinyOS中實(shí)現(xiàn)的考慮 鏈路質(zhì)量：綜合了來(lái)自多方面的信息。CTP不僅通過(guò)主動(dòng)交換控制包來(lái)估計(jì)鏈路質(zhì)量，而且通過(guò)被動(dòng)偵聽(tīng)數(shù)據(jù)包來(lái)動(dòng)態(tài)更新鏈路質(zhì)量； 同時(shí)CTP協(xié)議不僅考慮了鏈路層信息，而且考慮了網(wǎng)絡(luò)層隊(duì)

16、列是否溢出的信息，以此來(lái)避免擁塞的節(jié)點(diǎn)。 在控制包發(fā)送方面，使用了Trickle算法來(lái)自適應(yīng)的控制發(fā)包的頻率。3940數(shù)據(jù)收集協(xié)議數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議 Trickle Timer 在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的時(shí)候，Trickle算法二進(jìn)制增長(zhǎng)發(fā)包間隔，以減少發(fā)送包的數(shù)量。 在發(fā)生環(huán)路或其他異常情況時(shí)，Trickle算法縮短發(fā)包間隔至最小，使網(wǎng)絡(luò)能及時(shí)恢復(fù)到正常狀態(tài)。 優(yōu)點(diǎn)： 網(wǎng)絡(luò)不變化，發(fā)送包數(shù)量很少 網(wǎng)絡(luò)一旦變化，迅速更新整個(gè)網(wǎng)絡(luò)41 Drip Drip為每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)分配一個(gè)版本號(hào)，版本號(hào)越高的數(shù)據(jù)為越新的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性的廣播關(guān)于一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的版本信息。 當(dāng)一個(gè)Drip節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)自己的數(shù)據(jù)需要更新時(shí)，則向鄰

17、居借點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求包。 Drip節(jié)點(diǎn)在收到請(qǐng)求包后即廣播關(guān)于被請(qǐng)求數(shù)據(jù)項(xiàng)的包。 數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議與洪泛協(xié)議的本質(zhì)區(qū)別 數(shù)據(jù)分發(fā)協(xié)議維護(hù)了每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的版本信息，保證該數(shù)據(jù)的最新版本能夠可靠地?cái)U(kuò)散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。42 路由協(xié)議是數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ) 研究方向 自組織、低功耗路由 基于鏈路和節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)的路由 自適應(yīng)的穩(wěn)定路由 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)43 3.1 發(fā)展歷史 3.2 硬件平臺(tái) 3.3 操作系統(tǒng) 3.4 組網(wǎng)技術(shù) 3.5 典型應(yīng)用44 VigilNet是由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)研制的用于軍事監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)由XSM，Mica2和Mica2Dot節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，其規(guī)模最大達(dá)200個(gè)節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)通過(guò)電池供電，鋪設(shè)在道路旁邊，

18、用于檢測(cè)與收集移動(dòng)目標(biāo)的情況。 應(yīng)用特點(diǎn) 節(jié)點(diǎn)自主成網(wǎng)、多跳傳輸 節(jié)點(diǎn)通過(guò)電池供電，通過(guò)軟件節(jié)能機(jī)制延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期 節(jié)點(diǎn)智能感知、協(xié)同工作，向上提供預(yù)警的功能 45 20042007年，香港科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)以煤礦安全生產(chǎn)和緊急救援為應(yīng)用目標(biāo)，提出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)煤礦監(jiān)控系統(tǒng)。 應(yīng)用特點(diǎn) 事故預(yù)警 緊急救援與導(dǎo)航 客觀的安全評(píng)估與建議 傳感器網(wǎng)絡(luò)本身具有魯棒性 克服地下信號(hào)傳播困難，采取多跳傳輸 網(wǎng)絡(luò)自愈，克服煤礦事故對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洚a(chǎn)生的影響46WSN PrototypeEnergy EfficiencyReliable RoutingReliable RoutingMulti-Sink DeploymentMulti-Sink DeploymentGeocastingGeocastingData AggregationData AggregationCompression Event Compression Event DetectionDetectionLocation Sensing ID Assignment 傳感器的另一個(gè)重要應(yīng)用是醫(yī)療監(jiān)控 ，哈佛大學(xué)研究組改進(jìn)了傳統(tǒng)傳感器，使得其外形更小，適合穿戴在身上