物聯(lián)網第二版劉云浩第3章-無線傳感網

物聯(lián)網第二版劉云浩第3章_無線傳感網第一頁，共49頁。Smallisbeautiful.-JackMa2第二頁，共49頁。第2章對常見的自動識別方法和技術做了介紹，包括：光學符號識別技術、語音識別技術、生物計量識別技術、IC卡技術、條形碼技術和RFID射頻技術第2章重點講述了RFID技術，包括RFID歷史和現(xiàn)狀、RFID技術剖析和RFID在物聯(lián)網中的應用。內容回顧3第三頁，共49頁。3.1發(fā)展歷史3.2硬件平臺3.3操作系統(tǒng)＊3.4組網技術3.5典型應用本章內容4第四頁，共49頁。定義我國國家標準（GB7665-2005）對傳感器的定義是：“能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置”。傳統(tǒng)傳感器的局限性網絡化、智能化的程度十分有限，缺少有效的數(shù)據處理與信息共享能力現(xiàn)代傳感器特點：微型化、智能化和網絡化典型代表：無線傳感節(jié)點概述5第五頁，共49頁。無線傳感節(jié)點的組成：電池、傳感器、微處理器、無線通信芯片；相比于傳統(tǒng)傳感器，無線傳感節(jié)點不僅包括傳感器部件（左上圖），還集成了微型處理器和無線通信芯片等，能夠對感知信息進行分析處理和網絡傳輸。概述6第六頁，共49頁。無線傳感器的“三化”發(fā)展方向概述7第七頁，共49頁。3.1發(fā)展歷史3.2硬件平臺3.3操作系統(tǒng)＊3.4組網技術3.5典型應用本章內容8第八頁，共49頁。傳感器技術發(fā)展史：

兩條主線加州伯克萊分校SmartDust項目微型化傳感器節(jié)點對無線傳感器的研究始于20世紀90年代加州洛杉磯分校LWIN項目低功耗無線傳感節(jié)點1996年，LWIM團隊將多種傳感器、控制和通信芯片集成在一個設備上，開發(fā)了LWIM節(jié)點1998年，LWIM團隊和Rockwell科學中心合作開發(fā)了WINS節(jié)點1999年，該校發(fā)布了WeC節(jié)點之后，該校又發(fā)布了一系列節(jié)點，包括Mica、Mica2、Mica2Dot，MicaZ

9第九頁，共49頁。加州大學伯克利分校2002年美國大鴨島（GreatDuckIsland）32個MICA節(jié)點數(shù)據采集內容：溫度、濕度、光照和大氣壓力監(jiān)測目的：持續(xù)監(jiān)測海燕在繁殖季節(jié)的習性，收集相關環(huán)境數(shù)據供動物學家分析。傳感器技術發(fā)展史: “智能塵埃”的具體實現(xiàn)10第十頁，共49頁。前哈佛大學計算機系教授，現(xiàn)任谷歌研究中心資深研究員的MattWelsh認為，最早的無線傳感器網絡原型系統(tǒng)是美國軍方于1967年在越南戰(zhàn)爭期間部署的“雪屋”系統(tǒng)（IGLOOWHITE）傳感器技術發(fā)展史：

更早的無線傳感網11第十一頁，共49頁。計算機硬件的發(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個月增加一倍，性能也將提升一倍。無線傳感器節(jié)點并沒有像摩爾定律預測的速度發(fā)展！傳感器技術發(fā)展史：

緩慢提升的性能時間硬件能力摩爾定律

預測的曲線傳感器節(jié)點發(fā)展曲線200412第十二頁，共49頁。功耗的制約：無線傳感節(jié)點一般被部署在野外，不能通過有線供電。其硬件設計必須以節(jié)能為重要設計目標。價格的制約：無線傳感節(jié)點一般需要大量組網，以完成特定的功能。其硬件設計必須以廉價為重要設計目標。體積的制約：無線傳感節(jié)點一般需要容易攜帶，易于部署。其硬件設計必須以微型化為重要設計目標。制約傳感器性能提升的因素？13第十三頁，共49頁。低成本與微型化低成本的節(jié)點才能被大規(guī)模部署，微型化的節(jié)點才能使部署更加容易

節(jié)點的軟件設計也需要滿足微型化的需求。例如TelosB節(jié)點的內存大小只有4KB，程序存儲的空間只有10KB。因此，節(jié)點程序的設計必須節(jié)約計算資源，避免超出節(jié)點的硬件能力大規(guī)模長時間部署傳感器的設計要求14第十四頁，共49頁。低功耗在硬件設計上采用低功耗芯片例如TelosB節(jié)點使用的微處理器，在正常工作狀態(tài)下功率為3mW，而一般的計算機的功率為200到300W軟件節(jié)能策略來實現(xiàn)節(jié)能軟件節(jié)能策略的核心就是盡量使節(jié)點在不需要工作的時候進入低功耗模式，僅在需要工作的時候進入正常狀態(tài)大規(guī)模長時間部署傳感器的設計要求15第十五頁，共49頁。靈活性與擴展性傳感器節(jié)點被用于各種不同的應用中，因此節(jié)點硬件和軟件的設計必須具有靈活性和擴展性

節(jié)點的硬件設計需滿足一定的標準接口，例如節(jié)點和傳感板的接口統(tǒng)一有利于給節(jié)點安裝上不同功能的傳感器軟件的設計必須是可剪裁的，能夠根據不同應用的需求，安裝不同功能的軟件模塊大規(guī)模長時間部署傳感器的設計要求16第十六頁，共49頁。魯棒性魯棒性是實現(xiàn)傳感器網絡長時間部署的重要保障對于普通的計算機，一旦系統(tǒng)崩潰了，人們可以采用重啟的方法恢復系統(tǒng)，而傳感器節(jié)點則不行，就整個網絡而言，可以適當增加冗余性，增加整體系統(tǒng)的魯棒性大規(guī)模長時間部署傳感器的設計要求17第十七頁，共49頁。3.1發(fā)展歷史3.2硬件平臺3.3操作系統(tǒng)＊3.4組網技術3.5典型應用本章內容18第十八頁，共49頁。傳感器有許多傳感器可供節(jié)點平臺使用，使用哪種傳感器往往由具體的應用需求以及傳感器本身的特點決定需要根據處理器與傳感器的交互方式：通過模擬信號和通過數(shù)字信號，選擇是否需要外部模數(shù)轉換器和額外的校準技術。硬件平臺19第十九頁，共49頁。常用傳感器及其關鍵特性20第二十頁，共49頁。微處理器微處理器是無線傳感節(jié)點中負責計算的核心，目前的微處理器芯片同時也集成了內存、閃存、模數(shù)轉化器、數(shù)字IO等，這種深度集成的特征使得它們非常適合在無線傳感器網絡中使用。影響節(jié)點工作整體性能的微處理器關鍵性能包括功耗特性，喚醒時間（在睡眠/工作狀態(tài)間快速切換），供電電壓（長時間工作），運算速度和內存大小硬件平臺21第二十一頁，共49頁。常用微處理器及其關鍵特性22第二十二頁，共49頁。通信芯片通信芯片是無線傳感節(jié)點中重要的組成部分，在一個無線傳感節(jié)點的能量消耗中，通信芯片通常消耗能量最多，在目前常用的TelosB節(jié)點上，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)時消耗的能量差別不大，這意味著只要通信芯片開著，都在消耗差不多的能量硬件平臺23第二十三頁，共49頁。通信芯片（續(xù)）通信芯片的傳輸距離是選擇傳感節(jié)點的重要指標。發(fā)射功率越大，接受靈敏度越高，信號傳輸距離越遠。常用通信芯片：CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz；采用串口通信模式時速率只能達到19.2KbpsCC2420：工作頻率2.4GHz，是一款完全符合IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范的芯片；傳輸率250Kbps硬件平臺24第二十四頁，共49頁。常用通信芯片及其關鍵特性25第二十五頁，共49頁。供能裝置采用電池供電，使得節(jié)點容易部署。但由于電壓、環(huán)境等變化，電池容量并不能被完全利用?？稍偕芰?，如太陽能?？稍偕茉创鎯δ芰坑袃煞N方式：充電電池，自放電較少，電能利用會比較高，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100萬次，且不易受溫度，振動等因素的影響。硬件平臺26第二十六頁，共49頁。3.1發(fā)展歷史3.2硬件平臺3.3操作系統(tǒng)＊3.4組網技術3.5典型應用本章內容27第二十七頁，共49頁。節(jié)點操作系統(tǒng)是微型化的。節(jié)點操作系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的主要特點是：硬件平臺資源極其有限節(jié)點操作系統(tǒng)

VS其他操作系統(tǒng)28第二十八頁，共49頁。節(jié)點操作系統(tǒng)發(fā)展史29第二十九頁，共49頁。TinyOS由加州伯克萊分校開發(fā),是目前無線傳感網絡研究領域使用最為廣泛的OS()TinyOS開發(fā)語言：nesCnesC語言是專門為資源極其受限、硬件平臺多樣化的傳感節(jié)點設計的開發(fā)語言使用nesC編寫的應用程序是基于組件的組件之間的交互必須通過使用接口用nesC編寫的應用程序一般有一個最頂層的配置文件TinyOS30第三十頁，共49頁。TinyOS代碼舉例//BlinkC.ncmoduleBlinkC{usesinterfaceTimer<TMilli>asTimer;usesinterfaceLeds;usesinterfaceBoot;}implementation{eventvoidBoot.booted(){

callTimer.startPeriodic(250);}eventvoidTimer.fired(){

callLeds.led0On();

}}左側代碼中：BlinkC就表示一個組件，它使用了三個接口：Timer，Leds，Boot。在其實現(xiàn)部分，它可以調用這些接口提供的服務，如Timer.startPeriodic啟動一個以250ms周期觸發(fā)的時鐘，而Leds.led0Toggle使節(jié)點上第一個燈亮起。在上面的代碼中，注意的是，event關鍵字表示BlinkC組件處理的系統(tǒng)事件。31第三十一頁，共49頁。TinyOS代碼舉例左側代碼顯示了一個典型的nesC配置文件。它必須指定當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組件提供的，例如，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.ncconfigurationBlinkAppC{}implementation{componentsMainC,BlinkC,LedsC;componentsnewTimerMilliC()asTimerC;BlinkC->MainC.Boot;BlinkC.Timer->TimerC;BlinkC.Leds->LedsC;}32第三十二頁，共49頁。TinyOS任務調度TinyOS核心使用了事件驅動的單線程任務調度機制，這和傳統(tǒng)OS的多線程調度機制截然不同任何一個時刻，處理器只能執(zhí)行一個任務。因此，如果當前正在執(zhí)行一個任務，處理器必須等這個任務處理完畢，才能開始處理另一個任務在單個TinyOS任務中不能有IO等阻塞的調用TinyOS（續(xù)）33第三十三頁，共49頁。其他常用微型OS對比34第三十四頁，共49頁。3.1發(fā)展歷史3.2硬件平臺3.3操作系統(tǒng)＊3.4組網技術3.5典型應用本章內容35第三十五頁，共49頁。傳輸成功每個包需要的總傳輸次數(shù)（ETX,ExpectedTransmissionCount)Linkthroughput1/LinkETX組網技術－選路指標DeliveryRatio100%50%33%Throughput100%50%33%LinkETX12336第三十六頁，共49頁。假設鏈路有ACKs和重傳:P(TXsuccess)=P(Datasuccess)P(ACKsuccess)LinkETX=1/P(TXsuccess)

=1/[P(Datasuccess)P(ACKsuccess)]實際計算ETX:P(Datasuccess)measuredfwddeliveryratiorfwdP(ACKsuccess)measuredrevdeliveryratiorrevLinkETX1/(rfwdrrev)組網技術－

選路指標的計算37第三十七頁，共49頁。擴展到路徑的情形RouteETX=SumoflinkETXs組網技術－

選路指標的計算（續(xù)）RouteETX12235Throughput100%50%50%33%20%38第三十八頁，共49頁。CollectionTreeProtocol初始化階段:網絡中每個節(jié)點廣播自己到匯聚節(jié)點的路徑的ETX。每個節(jié)點收到廣播包之后，依據鄰居節(jié)點廣播的路徑ETX，動態(tài)選擇父節(jié)點，使得自己到匯聚節(jié)點的路徑ETX盡量小。經過不斷更新，網絡中的每個節(jié)點都能夠選擇到一條到匯聚節(jié)點ETX之和最小的路徑。CTP在TinyOS中實現(xiàn)的考慮鏈路質量：綜合了來自多方面的信息。CTP不僅通過主動交換控制包來估計鏈路質量，而且通過被動偵聽數(shù)據包來動態(tài)更新鏈路質量；同時CTP協(xié)議不僅考慮了鏈路層信息，而且考慮了網絡層隊列是否溢出的信息，以此來避免擁塞的節(jié)點。在控制包發(fā)送方面，使用了Trickle算法來自適應的控制發(fā)包的頻率。組網技術－

數(shù)據收集協(xié)議（CTP）39第三十九頁，共49頁。組網技術－

數(shù)據收集協(xié)議（CTP）數(shù)據收集協(xié)議數(shù)據分發(fā)協(xié)議40第四十頁，共49頁。TrickleTimer在網絡穩(wěn)定的時候，Trickle算法二進制增長發(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，Trickle算法縮短發(fā)包間隔至最小，使網絡能及時恢復到正常狀態(tài)。優(yōu)點：網絡不變化，發(fā)送包數(shù)量很少網絡一旦變化，迅速更新整個網絡組網技術－數(shù)據收集協(xié)議的信息傳播方式41第四十一頁，共49頁。DripDrip為每一個數(shù)據項分配一個版本號，版本號越高的數(shù)據為越新的數(shù)據。網絡中每個節(jié)點周期性的廣播關于一個數(shù)據項的版本信息。當一個Drip節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己的數(shù)據需要更新時，則向鄰居借點發(fā)送請求包。Drip節(jié)點在收到請求包后即廣播關于被請求數(shù)據項的包。數(shù)據分發(fā)協(xié)議與洪泛協(xié)議的本質區(qū)別數(shù)據分發(fā)協(xié)議維護了每一個數(shù)據項的版本信息，保證該數(shù)據的最新版本能夠可靠地擴散到整個網絡。組網技術－

數(shù)據分發(fā)協(xié)議42第四十二頁，共49頁。路由協(xié)議是數(shù)據傳輸?shù)幕A研究方向自組織、低功耗路由基于鏈路和節(jié)點特點的路由自適應的穩(wěn)定路由異構網絡互聯(lián)組網技術－

路由協(xié)議的新挑戰(zhàn)43第四十三頁，共49頁。3.1發(fā)展歷史3.2硬件平臺3.3操作系統(tǒng)＊3.4組網技術3.5典型應用本章內容44第四十四頁，共49頁。VigilNet是由美國弗吉尼亞大學研制的用于軍事監(jiān)測的無線傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)由XSM，Mica2和Mica2Dot節(jié)點構成，其規(guī)模最大達200個節(jié)點；節(jié)點通過電池供電，鋪設在道路旁邊，用于檢測與收集移動目標的情況。應用特點節(jié)點自主成網、多跳傳輸節(jié)點通過電池供電，通過軟件節(jié)能機制延長網絡的生命周期節(jié)點智能感知、協(xié)同工作，向上提供預警的功能典型應用－

軍事監(jiān)測系統(tǒng)45第四十五頁，共49頁。2004~2007年