（中職）走進智能家居單元4 案例2教學課件

1、正版可修改PPT課件（中職）走進智能家居單元4 案例2教學課件走進智能家居學習單元4探索物聯(lián)網(wǎng)主要支撐技術(shù)案例2 物聯(lián)網(wǎng)速贏的關(guān)鍵無線傳感器網(wǎng)絡走進智能家居案例描述 傳統(tǒng)的傳感器正逐步實現(xiàn)微型化、智能化、信息化、網(wǎng)絡化，正經(jīng)歷著一個從傳統(tǒng)傳感器(Dumb Sensor)智能傳感器(Smart Sensor)嵌入式Web傳感器(Embedded Web Sensor)的內(nèi)涵不斷豐富的發(fā)展過程。 無線傳感器網(wǎng)絡是一種跨學科技術(shù)，就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡賦予了廣闊的應用前景。這

2、些潛在的應用領域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域。WSN將是全球未來四大技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一，將掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮。案例呈現(xiàn)活動5 無線傳感器網(wǎng)絡的安全問題活動6 無線傳感器網(wǎng)絡的應用典型案例活動1 無線傳感器網(wǎng)絡概述 無線傳感網(wǎng)絡(WSN，wireless sensor networks)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會三

3、元世界的連通。圖4-12 無線傳感網(wǎng)絡活動1 無線傳感器網(wǎng)絡概述1什么是無線傳感器？2你知道無線傳感網(wǎng)絡與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡有什么區(qū)別？大家說知識鏈接 1無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展 早在上世紀70年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡。 隨著相關(guān)學科的的不斷發(fā)展和進步，傳感器網(wǎng)絡同時還具有了獲取多種信息信號的綜合處理能力，并通過與傳感控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡，這是第二代傳感器網(wǎng)絡?；顒? 無線傳感器網(wǎng)絡概述知識鏈接2無線傳感器網(wǎng)絡的定義WSN是wireless sensor network的簡稱，即無線傳感

4、器網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素?；顒? 無線傳感器網(wǎng)絡概述大家做 通過百度搜索或查閱相關(guān)資料，完成表4-4，分析無線傳感器網(wǎng)絡經(jīng)歷的三個階段并簡要說明階段發(fā)展特點？ 階段無線傳感器網(wǎng)絡特點第一階段第二階段第三階段表4-4 無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)展階段及特點活動2 無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)和傳感網(wǎng)節(jié)點模型 無線傳感器網(wǎng)絡包括4類基本實體對象：目標、觀測節(jié)點傳感節(jié)點和感知視場，另外

5、，還需定義外部網(wǎng)絡、遠程任務管理單元和用戶來完成對整個系統(tǒng)的應用刻畫。大量傳感節(jié)點隨機部署，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡，協(xié)同形成對目標的感知視場。傳感節(jié)點檢測的目標信號經(jīng)本地簡單處理后通過鄰近傳感節(jié)點多跳傳輸?shù)接^測節(jié)點。用戶和遠程任務管理單元通過外部網(wǎng)絡，比如衛(wèi)星通信網(wǎng)絡或Internet，與觀測節(jié)點進行交互。觀測節(jié)點向網(wǎng)絡發(fā)布查詢請求和控制指令，接收傳感節(jié)點返回的目標信息。圖4-13 無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)知識鏈接 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的基本組成包括4個基本單元：傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、通信單元(由無線通信模塊組成)以及電源。此外，

6、可以選擇的其他功能單元包括：定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。圖4-14 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點活動2 無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)和傳感網(wǎng)節(jié)點模型大家做結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構(gòu)，通過百度搜索或查閱相關(guān)資料，了解無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的基本單元組成，并完成表4-5。表4-5 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點基本組成單元單元單元基本組成傳感單元處理單元通信單元其它功能單元化活動2 無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)和傳感網(wǎng)節(jié)點模型活動 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議 隨著應用和體系結(jié)構(gòu)的不同，無線傳感網(wǎng)絡的通信協(xié)議棧也不盡相同，典型的傳感節(jié)點協(xié)議模型既參考了現(xiàn)有通用網(wǎng)絡的TCP/IP和OSI模型的架構(gòu)，同時又包含了傳感網(wǎng)絡特有的電源管

7、理、移動管理及任務管理。應用層為不同的應用提供了一個相對統(tǒng)一的高層接口；如果需要，傳輸層可為傳感網(wǎng)絡保持數(shù)據(jù)流或保證與Internet連接；網(wǎng)絡層主要關(guān)心數(shù)據(jù)的路由；數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)調(diào)無線媒質(zhì)的訪問，盡量減少相鄰節(jié)點廣播時的沖突；物理層為系統(tǒng)提供一個簡單、穩(wěn)定的調(diào)制、傳輸和接收系統(tǒng)。除此而外，電源、移動和任務管理負責傳感節(jié)點能量、移動和任務分配的監(jiān)測，幫助傳感節(jié)點協(xié)調(diào)感測任務，盡量減少整個系統(tǒng)的功耗。圖4-15 無線傳感器網(wǎng)絡通信協(xié)議?；顒訜o線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議知識鏈接 WSN協(xié)議棧多采用五層協(xié)議：應用層、傳輸層、網(wǎng)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。與以太網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應。另外，協(xié)議棧還應包括能量管理器

8、、拓撲管理器和任務管理器。這些管理器使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享。各層協(xié)議和管理器的功能如下： （1）物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術(shù)，傳輸介質(zhì)可以是無線、紅外或者光介質(zhì)。無線傳感器網(wǎng)絡主要使用無線傳輸。 （2）數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯控制，數(shù)據(jù)鏈路層保證了無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)點到點和點到多點的連接?；顒訜o線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議知識鏈接 （3）網(wǎng)絡層主要負責路由生成與路由選擇。 （4）傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務質(zhì)量的重要部分。 （5）應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件； （6

9、）電源管理器管理傳感器節(jié)點如何使用能源，在各個協(xié)議層都需要考慮節(jié)省能量； （7）移動管理器檢測并注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚節(jié)點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠動態(tài)跟蹤其鄰居的位置； （8）任務管理器在一個給定的區(qū)域內(nèi)平衡和調(diào)度監(jiān)測任務?；顒? 無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議大家做 與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議框架類似，無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議框架也包含了五層，試填寫各層功能在表4-6中。表4-6 無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)議框架功能協(xié)議框架各層功能概述物理層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議路由層協(xié)議應用層協(xié)議活動4 無線傳感器網(wǎng)絡的中間件技術(shù) 中間件是介于操作系統(tǒng)(包括底層通信協(xié)議)和各種分布式應用程序之間的一個軟件層。其主要作用是建立分布式軟件

10、模塊之間互操作的機制，屏蔽底層分布式環(huán)境的復雜性和異構(gòu)性，為處于上層的應用軟件提供運行與開發(fā)環(huán)境。 活動4無線傳感器網(wǎng)絡的中間件技術(shù)知識鏈接 一個完整的無線傳感器網(wǎng)絡中間件軟件應當包含一個運行時環(huán)境以支持和協(xié)調(diào)多個應用。同時，還將提供一系列標準化系統(tǒng)服務，如數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)融合，應用目標自適應控制等，以延長無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期。無線傳感器網(wǎng)絡中間件軟件在其整個系統(tǒng)中的位置。從中可以看出，中間件軟件位于底層硬件平臺、操作系統(tǒng)與上層應用之間。為下層提供不同類型的適配接口，并提供面向上層應用的開發(fā)接口。表4-16 中間件軟件在無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的位置活動4無線傳感器網(wǎng)絡的中間件技術(shù)知識鏈接

11、圍繞無線傳感器網(wǎng)絡在信息交互、任務分解、節(jié)點協(xié)同、數(shù)據(jù)處理和異構(gòu)抽象等方面的設計目標HJ，目前提出了眾多不同的無線傳感器網(wǎng)絡中間件設計方法。主要可分為以下幾類： (1)基于虛擬機的無線傳感器網(wǎng)絡中間件。 (2)基于數(shù)據(jù)庫的無線傳感器網(wǎng)絡中間件。 (3)基于應用驅(qū)動的無線傳感器網(wǎng)絡中間件。 (4)面向消息的無線傳感器網(wǎng)絡中間件。 (5)基于移動代理的無線傳感器網(wǎng)絡中間件。大家做 根據(jù)以上分析，將現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡中間件進行如下對比后，填寫下表4-7?；顒? 無線傳感器網(wǎng)絡的中間件技術(shù)活動4 無線傳感器網(wǎng)絡的中間件技術(shù)中間件能耗QoS支持可擴展性可靠性可適應性TinyDB較低不支持不支持一般較好

12、CougarMateMilanAgillaDisWare表4-7 幾種典型的無線傳感器網(wǎng)絡中間件比較圖4-17 無線傳感器的網(wǎng)絡安全問題活動5 無線傳感器網(wǎng)絡的安全問題 隨著應用和體系結(jié)構(gòu)的不同，無線傳感網(wǎng)絡的通信協(xié)議棧也不盡相同，典型的傳感節(jié)點協(xié)議模型既參考了現(xiàn)有通用網(wǎng)絡的TCP/IP和OSI模型的架構(gòu)，同時又包含了傳感網(wǎng)絡特有的電源管理、移動管理及任務管理。應用層為不同的應用提供了一個相對統(tǒng)一的高層接口；如果需要，傳輸層可為傳感網(wǎng)絡保持數(shù)據(jù)流或保證與Internet連接；網(wǎng)絡層主要關(guān)心數(shù)據(jù)的路由；數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)調(diào)無線媒質(zhì)的訪問，盡量減少相鄰節(jié)點廣播時的沖突；物理層為系統(tǒng)提供一個簡單、穩(wěn)定的調(diào)

13、制、傳輸和接收系統(tǒng)。知識鏈接1物理層的攻擊與防御(1)擁塞攻擊(2)物理篡改2鏈路層的攻擊與防御(1)碰撞攻擊(2)耗盡攻擊(3)非公平競爭3網(wǎng)絡層的攻擊與防御4傳感器網(wǎng)絡路由層面臨的安全威脅5針對路由層各種威脅的解決方案6、應用層各種威脅的解決方案活動5 無線傳感器網(wǎng)絡的安全問題大家做活動4 無線傳感器網(wǎng)絡的中間件技術(shù) 根據(jù)所學將你所了解的無線傳感器網(wǎng)絡各協(xié)議層安全問題的解決方案，填寫表4-7。表4-7 無線傳感器網(wǎng)絡物聯(lián)網(wǎng)各協(xié)議層安全問題的解決方案活動5 無線傳感器網(wǎng)絡的安全問題知識鏈接 1、軍事領域 由于無線傳感器網(wǎng)絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵

14、察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途?；顒?無線傳感器網(wǎng)絡的應用典型案例圖4-18 美國軍方成功測試槍聲定位系統(tǒng)知識鏈接2、環(huán)境科學 實例：2005年，澳洲的科學家利用無線傳感器網(wǎng)絡來探測北澳大利亞蟾蜍的分布情況。由于蟾蜍的叫聲響亮而獨特，因此利用聲音作為檢測特征非常有效(如圖4-19)?？蒲腥藛T將采集到的信號在節(jié)點上就地處理，然后將處理后的少量結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)回給控制中心。通過處理，就可以大致了解蟾蜍的分布、棲息情況?；顒?無線傳感器網(wǎng)絡的應用典型案例圖4-19 聲音檢測北澳大利亞蟾蜍的分布情況知識鏈接3、農(nóng)業(yè)領域 實例：DigitalSun公司發(fā)展的自動灑水系統(tǒng)S.Sens

15、eWirelessSensor目前受到國際上多家媒體的報道。它使用無線傳感器感應土壤的水分，并在必要時與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開/關(guān)閉，從而達到自動、節(jié)水灌溉的目的?；顒?無線傳感器網(wǎng)絡的應用典型案例圖4-20 DigitalSun公司自動灑水系統(tǒng)的原理模型知識鏈接4、工業(yè)領域及其他領域 實例：醫(yī)療領域，研究人員開發(fā)出基于多個加速度傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，用于進行人體行為模式監(jiān)測，如坐、站、躺、行走、跌倒、爬行等（如圖4-21）。該系統(tǒng)使用多個傳感器節(jié)點，安裝在人體幾個特征部位。系統(tǒng)實時地把人體因行動而產(chǎn)生的三維加速度信息進行提取、融合、分類，進而由監(jiān)控界面顯示受檢測人的行為模式?；顒?無線傳感器網(wǎng)絡的應用典型案例圖4-21 基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的人體行為監(jiān)測系統(tǒng)大家做活動4 無線傳感器網(wǎng)絡的中間件技術(shù)活動6無線傳感器網(wǎng)絡的應用典型案例 根據(jù)上面的敘述查閱相關(guān)資料豐富各領域無線傳感器網(wǎng)絡的應用案例，填寫表4-8。表4-8 無線傳感器網(wǎng)絡各領域的應用拓展提升 1職場模擬 WSN經(jīng)歷了從智能傳感器，無線智能傳感器到無線傳感器三個發(fā)展階段，智能傳感器將計算能力嵌入傳感器中，使傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集和信息處理能力無線傳感網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點，匯聚節(jié)點，現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集處理決策部