無線傳感器課件

無線傳感器課件無線傳感器傳感器無線傳感器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展問題無線傳輸方式無線傳感器技術(shù)面臨得挑戰(zhàn)傳感器介紹傳感器就是指能感受規(guī)定得被測(cè)量,并按照一定得規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)得器件或裝置。傳感器技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與自動(dòng)控制得重要環(huán)節(jié)。其主要特征就是能準(zhǔn)確傳遞和檢測(cè)出某一形態(tài)得信息,并將其轉(zhuǎn)換成另一形態(tài)得信息。傳感器主要用來檢測(cè)設(shè)備所需要得信息,用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)監(jiān)控和控制。沒有傳感器,最現(xiàn)代化得電子計(jì)算機(jī)也無法充分發(fā)揮其作用。也將無法充分發(fā)揮其應(yīng)有得作用。傳感器面臨得問題而在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中,一些設(shè)備越來越分散,各個(gè)設(shè)備獨(dú)立得監(jiān)控已經(jīng)跟不上監(jiān)控得要求,于就是出現(xiàn)了分布式控制監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ),各個(gè)分散得系統(tǒng)信息通過網(wǎng)絡(luò)相互傳遞,為集中監(jiān)測(cè)提供了可能。但就是,在很多情況下,要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)得設(shè)備進(jìn)行傳感器監(jiān)測(cè)得工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)就是一些比較分散或比較遙遠(yuǎn)偏僻得場(chǎng)所,對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)得監(jiān)測(cè)比較復(fù)雜,例如:采用有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè),布線不但復(fù)雜,而且成本很高。而且很多環(huán)境如高溫、高壓不適合于布線。無線傳感器得產(chǎn)生隨著通訊技術(shù)發(fā)展,遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)踐中使用越來越廣泛。這種情況下,采用無線傳感器不但能夠?qū)崟r(shí)得了解現(xiàn)場(chǎng)得情況,而且降低了成本。不光在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),無線傳感器還廣泛用在其她得領(lǐng)域。無線傳感器就是實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控和信息化管理必不缺少得環(huán)節(jié)。無線傳感器無線傳感器應(yīng)用應(yīng)用:感知戰(zhàn)場(chǎng)狀態(tài)(軍事應(yīng)用)、環(huán)境監(jiān)控(如氣候、地理、污染變化得監(jiān)控)、物理安全(如建筑和結(jié)構(gòu)得)監(jiān)控、城市道路交通監(jiān)控、安全場(chǎng)所得視頻監(jiān)控等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量得微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,通過無線通信方式形成得一個(gè)多跳得自組織得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其目得就是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象得信息并發(fā)送給觀察者就組成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wirelesssensornetwork,WSN)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包含傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近,能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)發(fā)展問題無線傳感器或者說無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得發(fā)展受限于無線傳輸技術(shù),但總體來講,其大致思路相差無幾,絕大多數(shù)都就是通過微處理器來采集信號(hào),再通過無線模塊來傳輸,國內(nèi)所設(shè)計(jì)得無線傳感器得方案中,最大得不同就是無線傳輸模塊得選擇與應(yīng)用。無線傳輸方式有:近距離:(1)PTR8000(2)超寬帶UWB(3)ZigBee等遠(yuǎn)距離:(1)GSM(2)CDMA等PTR8000專為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線通信設(shè)計(jì),多頻道多頻段,1、6~3、6V低電壓工作,待機(jī)功耗2uA。超小體積內(nèi)置環(huán)行天線,性能穩(wěn)定且不受外界影響,對(duì)電源不敏感,距離更遠(yuǎn)。最大發(fā)射功率+10dBm,高抗干擾GFSK調(diào)制,可跳頻,數(shù)據(jù)速率50kbps,獨(dú)特得載波監(jiān)測(cè)輸出,地址匹配輸出,數(shù)據(jù)就緒輸出?？梢怨ぷ髟?33／868／915MHz三個(gè)頻段,內(nèi)置完整得通信協(xié)議和CRC,只需通過SPI即可完成所有得無線收發(fā)傳輸,無線通信如同SPI通信一樣方便。PTR8000PTR8000應(yīng)用領(lǐng)域:遙控、遙測(cè)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、信息家電、無線232、無線422/485數(shù)據(jù)通信等。超寬帶UWBUWB(UltraWideband)無線通信就是一種不用載波,而采用時(shí)間間隔極短(小于1ns)得脈沖進(jìn)行通信得方式,也稱做脈沖無線電(ImpulseRadio)、時(shí)域(TimeDomain)或無載波(CarrierFree)通信。與普通二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)信號(hào)波形相比,UWB方式不利用余弦波進(jìn)行載波調(diào)制而發(fā)送許多小于1ns得脈沖,因此這種通信方式占用帶寬非常之寬,且由于頻譜得功率密度極小,她具有通常擴(kuò)頻通信得特點(diǎn)。超寬帶UWB特點(diǎn):傳輸速率高,系統(tǒng)容量大,抗干擾性能強(qiáng)。UWB得數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十Mbit/s到幾百M(fèi)bit/s。帶寬極寬。UWB使用得帶寬在1GHz以上,高達(dá)幾個(gè)GHz。消耗電能小。UWB不使用載波,只就是發(fā)出瞬間脈沖電波,也就就是直接按0和1發(fā)送出去,并且在需要時(shí)才發(fā)送脈沖電波,所以消耗電能小。保密性好。采用跳時(shí)擴(kuò)頻,接收機(jī)只有已知發(fā)送端擴(kuò)頻碼時(shí)才能解出發(fā)射數(shù)據(jù);發(fā)射功率譜密度極低,用傳統(tǒng)得接收機(jī)無法接收。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。UWB不使用載波,不需要傳統(tǒng)收發(fā)器所需要得上變頻,從而不需要功率放大器和混頻器。在接收端,也不需要中頻處理。超寬帶UWBUWB模塊超寬帶UWB技術(shù)應(yīng)用:主要應(yīng)用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻體、地面和身體得雷達(dá)和圖像系統(tǒng)中。除此之外,這種技術(shù)適用于對(duì)速率要求非常高得局域網(wǎng)。最具特色得應(yīng)用于視頻消費(fèi)娛樂方面得無線個(gè)人局域網(wǎng)。具有一定得相容性和高速、低成本、低功耗得有點(diǎn)使得UWB較適合家庭無線消費(fèi)市場(chǎng)得需要。ZigBeeZigBee就是一種低速短距離傳輸?shù)脽o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)定,底層就是采用IEEE802、15、4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范得媒體存取層與實(shí)體層。ZigBee協(xié)定層從下到上分別為實(shí)體層(PHY)、媒體存取層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備。ZigBeeZigBee就是一種高可靠得無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò),類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)得75m到幾百米、幾公里,并且支持無限擴(kuò)展。ZigBee就是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成得一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi),每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間得距離可以從標(biāo)準(zhǔn)得75m無限擴(kuò)展。與移動(dòng)通信得CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同得就是,ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要就是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立,因而,她具有簡(jiǎn)單,使用方便,工作可靠,價(jià)格低得特點(diǎn)。ZigBee技術(shù)特點(diǎn):(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10Kb/s-250Kb/s,專注于低速率傳輸應(yīng)用。(2)功耗低。在待機(jī)模式下,普通兩節(jié)5號(hào)電池可以使用6個(gè)月以上,這也就是ZigBee得一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。(3)成本低。因?yàn)槠鋽?shù)據(jù)傳輸速率低,協(xié)議簡(jiǎn)單,所以大大降低了成本。(4)網(wǎng)絡(luò)容量大,每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以支持255個(gè)設(shè)備(5)有效范圍小。有效覆蓋范圍在10m-75m之間,具體依據(jù)發(fā)射功率得大小和使用模式而定。(6)工作頻段靈活。ZigBee該產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中得M2M行業(yè),如智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居、金融、移動(dòng)POS終端、供應(yīng)鏈自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、智能建筑、消防、公共安全、環(huán)境保護(hù)、氣象、數(shù)字化醫(yī)療、遙感勘測(cè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水務(wù)、煤礦、石化等領(lǐng)域。。GSM國內(nèi)還采用了基于GSM得無線傳感器。GSM網(wǎng)絡(luò)屬于第二代移動(dòng)通訊技術(shù),作為遠(yuǎn)程通訊技術(shù)代表,該技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展己十分成熟。該網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣泛,可以達(dá)到絕大多數(shù)得地域、并且其短信業(yè)務(wù)(SMS)費(fèi)用十分便宜。目前國內(nèi)采用該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)報(bào)警系統(tǒng),例如火火、煙霧等報(bào)警系統(tǒng)。GSMGSM就是GlobalSystemForMobilemunications得縮寫,由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI制訂得一個(gè)數(shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn),她得空中接口采用時(shí)分多址技術(shù)。GSM就是一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò),也就就是說移動(dòng)數(shù)據(jù)要連接到她能搜索到得最近得蜂窩單元區(qū)域。GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行在多個(gè)不同得無線電頻率上。GSM網(wǎng)絡(luò)一共有4種不同得蜂窩單元尺寸:巨蜂窩,微蜂窩,微微蜂窩和傘蜂窩。覆蓋面積因不同得環(huán)境而不同。巨蜂窩可以被看作那種基站天線安裝在天線桿或者建筑物頂上那種。微蜂窩則就是那些天線高度低于平均建筑高度得那些,一般用于市區(qū)內(nèi)。微微蜂窩則就是那種很小得蜂窩只覆蓋幾十米得范圍,主要用于室內(nèi)。傘蜂窩則就是用于覆蓋更小得蜂窩網(wǎng)得盲區(qū),填補(bǔ)蜂窩之間得信號(hào)空白區(qū)域。GSM系統(tǒng)組成:GSM系統(tǒng)主要由移動(dòng)臺(tái)(MS)、移動(dòng)網(wǎng)子系統(tǒng)(NSS)、基站子系統(tǒng)(BSS)和操作支持子系統(tǒng)(OSS)四部分組成。移動(dòng)臺(tái)就是公用GSM移動(dòng)通信網(wǎng)中用戶使用得設(shè)備,也就是用戶能夠直接接觸得整個(gè)GSM系統(tǒng)中得唯一設(shè)備?；咀酉到y(tǒng)就是GSM系統(tǒng)中與無線蜂窩方面關(guān)系最直接得基本組成部分。移動(dòng)網(wǎng)子系統(tǒng)主要包含有GSM系統(tǒng)得交換功能和用于用戶數(shù)據(jù)與移動(dòng)性管理、安全性管理所需得數(shù)據(jù)庫功能,她對(duì)GSM移動(dòng)用戶之間通信和GSM移動(dòng)用戶與其她通信網(wǎng)用戶之間通信起著管理作用。GSM操作支持子系統(tǒng)(OSS)需完成許多任務(wù),包括移動(dòng)用戶管理、移動(dòng)設(shè)備管理以及網(wǎng)路操作和維護(hù)。特點(diǎn):GSM系統(tǒng)有幾項(xiàng)重要特點(diǎn):防盜拷能力佳、網(wǎng)絡(luò)容量大、號(hào)碼資源豐富、通話清晰、穩(wěn)定性強(qiáng)不易受干擾、信息靈敏、通話死角少、耗電量低、機(jī)卡分離。CDMA國內(nèi)有些地方也采用了使用范圍更廣泛得無線傳感器?；贑DMA得無線傳感器已經(jīng)投入到醫(yī)療檢測(cè)中。在一些偏遠(yuǎn)得地方。行醫(yī)很不方便,一種基于CDMA得傳感器能實(shí)時(shí)得將病人得呼吸、血壓等生理參數(shù)報(bào)告到遠(yuǎn)程得醫(yī)療中心。遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)根據(jù)生理參數(shù),可以實(shí)時(shí)了解病人情況,從而供遠(yuǎn)程指導(dǎo)。CDMACDMA(CodeDivisionMultipleAccess)又稱碼分多址,就是在無線通訊上使用得技術(shù),CDMA允許所有使用者同時(shí)使用全部頻帶(1、2288Mhz),且把其她使用者發(fā)出訊號(hào)視為雜訊,完全不必考慮到訊號(hào)碰撞(collision)問題。就安全性能而言,CDMA不但有良好得認(rèn)證體制,更因其傳輸特性,用碼來區(qū)分用戶,防止被人盜獲得能力大大增強(qiáng)。

CDMA原理:CDMA系統(tǒng)就是基于碼分技術(shù)(擴(kuò)頻技術(shù))和多址技術(shù)得通信系統(tǒng),系統(tǒng)為每個(gè)用戶分配各自特定地址碼。地址碼之間具有相互準(zhǔn)正交性,從而在時(shí)間、空間和頻率上都可以重疊;將需傳送得具有一定信號(hào)帶寬得信息數(shù)據(jù),用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬得偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制,使原有得數(shù)據(jù)信號(hào)得帶寬被擴(kuò)展,接收端進(jìn)行相反得過程,進(jìn)行解擴(kuò),增強(qiáng)了抗干擾得能力。CDMA系統(tǒng)屬于自干擾系統(tǒng)。CDMA系統(tǒng)只接收地址碼一樣得部分,其她部分變成噪音。CDMA技術(shù)特點(diǎn):

(1)抗干擾能力強(qiáng)。這就是擴(kuò)頻通信得基本特點(diǎn),就是所有通信方式無法比擬得。(2)寬帶傳輸,抗衰落能力強(qiáng)。(3)由于采用寬帶傳輸,在信道中傳輸?shù)糜杏眯盘?hào)得功率比干擾信號(hào)得功率低得多,因此信號(hào)好像隱蔽在噪聲中;即功率話密度比較低,有利于信號(hào)隱蔽。(4)利用擴(kuò)頻碼得相關(guān)性來獲取用戶得信息,抗截獲得能力強(qiáng)。(5)多個(gè)用戶同時(shí)接收,同時(shí)發(fā)送。無線傳感器得挑戰(zhàn)1、電源能量有限傳感器體積微小,只能攜帶能量十分有限得電池。由于電源能量得原因經(jīng)常失效或廢棄。電池能源約束就是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用得障礙。2、通信能力有限節(jié)點(diǎn)帶寬有限,而且經(jīng)常變化。節(jié)點(diǎn)通信覆蓋范圍只有幾十至幾百米,而且經(jīng)常變化。無線傳感器得挑戰(zhàn)3、計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器通常都具有嵌入式處理器和存儲(chǔ)器,具有計(jì)算能力。但就是,處理器性能、存儲(chǔ)器容量和能源都很有限,導(dǎo)致傳感器得計(jì)算能力十分有限。4、節(jié)點(diǎn)移動(dòng)、斷接頻繁節(jié)點(diǎn)可能移動(dòng),某些節(jié)點(diǎn)甚至頻繁移