物联网技术及应用3.无线传感网技术
无线传感ZigBee技术在物联网中的应用
第6期2021年3月No.6March，20210 引言随着我国科学技术整体水平的不断发展和提升，现阶段5G 信息通信模式的出现，为物联网全面发展提供了有力的基础理论支持。
计算机系统、互联网平台以及信息通信技术的发展，为世界范围内的工业发展带来了全新提升。
而物联网平台在未来还将实现原创类型的技术突破，推出智能家电、智能电力网络以及智能化汽车等技术创新成果，最终构成全面互联网的整体系统局面。
1 物联网概述物联网的网络运行从本质上看属于一种网络连接理念，其主要运行目的是将信息流通以及设备感应与互联网相互连接，进而有效完成物体与物体、人与物体的直接连接，最终在此基础上，构成相互连接的网络结构体系。
在实际操作和运转过程中，物联网模式的主要优势是针对物品对象进行全面管理，故物联网系统的构建需要在移动信息通信技术的基础上，开展系统优化和完善，其中RFID 电子技术起到了重要作用，具有现实意义。
换句话说，物联网基础网络结构体系需要在RFID 电子技术的基础上开展，并且通过先进技术手段，有效与互联网平台、信息数据管理系统以及连接技术等有机结合，以此形成大型应用的终端模式，并且以大量移动模式标签所连接的网络作为运作核心。
物联网模式由于自身的优势和运作特点，在未来系统操作中会进一步超越互联网模式，最终实现全球化的物联网模式覆盖，最大限度提升社会发展以及人们生活水平[1]。
2 ZigBee技术概述ZigBee 技术是一种双向无线数传技术和系统，具有成本低廉、方面快捷、使用简便、能耗低等优势，受到了世界各个国家的积极研究和探索。
采用ZigBee 技术的无线传送感应网络结构在实际系统运转过程中，主要的作用是将物联网网络平台内部目标区域里具有一定特殊功能的微型传出节点，通过无线信息通信的模式进行相互连接，一旦节点接收到网络管理层的指令，其系统内部运行软件程序会通过网络线路的选择、信息接收模块等相关功能实现物联网信息的流通。
物联网技术与应用-第3章-物联网通信技术PPT课件
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（3）短距离无线通信网 短距离无线通信（Short Range Wireless，SRW）是指可以在室
内、办公室或封闭的公共场提供近距离通信的技术。一般，SRW可以在 100m以内实现传输速度为10～100Mb/s的低功率近距离通信。SRW 可分为两种：一种是传输范围在10m内，低成本、低功耗的短距离无线 连接（Connectivity）的无线个人局域网（WPAN）；另一种是以更快 传输速度和更大覆盖范围为目标的无线局域网（WLAN）。通过SRW技 术、手机、Headset、PDA、Notebook、数码相机、摄像机、健身器 材管理设备等在没有电缆连接的情况下可以实现无线通信或操作，而且 用户可以通过SRW直接接入建筑物内的局域网（LAN）及语音及数字信 息网络。
数字通信作为当前主流通信传输方式，推动了数字化社会的形 成，使人们进入信息化社会。现代无线通信基本上是分区通信或蜂 窝通信，它的实现基于数字化、移动性和个人通信、分区制和频率 复用、点对多点通信等基本技术。
在物联网中，根据不同的需求要选用不同的无线通信技术。
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一、无线通信中的关键技术点
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二、无线通信终端基本结构
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三、无线通信系统框架
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3.1.2 无线通信网络
现代通信技术的一个重要标志是网络化。有线与无线通信系统的 结合构成了现代通信网。目前，在各类通信网络中最具增长潜力的是 无线通信网。 1. 现代无线通信网络概念
无线通信网的组织结构示意图
频率复用也称频率再用，就是重复使用频率， 在GSM网络中频率复用就是使同一频率覆盖不同 的区域（一个基站或该基站的一部分(扇形天线) 所覆盖的区域），这些使用同一频率的区域彼此 需要相隔一定的距离（称为同频复用距离），以 满足将同频干扰抑制到允许的指标之内。
无线传感网络技术及其应用
无线传感网络技术及其应用随着科技的不断发展，无线传感网络技术（Wireless sensor network）已经出现在我们日常生活中的各个领域。
它可以被用于农业、环境、医疗、军事、交通等各种业务和领域，对我们的生产和生活带来了革命性的变化。
一、无线传感网络技术的原理和特点无线传感网络技术是一种分散控制、分布式系统的新型技术，包含了无线通信技术、传感技术、微处理器技术等多种科技手段。
它通过无线传感器节点来进行数据采集、处理、传输等任务，以实现对于物理世界的感知，从而辅助我们的生产、生活等方面。
一般而言，无线传感网络技术可以分为三个层次，即感知层、通信层、网络层。
其中感知层是由传感器节点组成的，用于采集并处理外界的信号；通信层是指利用无线通信技术来实现节点之间的信息交互；网络层则负责对节点所采集的数据进行处理和汇聚，并将数据传输到用户端。
相比于传统感知技术，无线传感网络技术具有以下几个特点：1. 网络范围大：无线传感网络技术可以覆盖范围非常广，从个人的办公室到整个城市都可以实现网络连接。
2. 处理能力强：无线传感网络技术有独特的数据处理能力，在数据采集和传输上有很高的效率，能实时处理复杂的数据。
3. 结构模块化：无线传感网络技术是由多个节点构成的分散控制系统，在实现联网的情况下，这些节点能够适应整个系统的性能。
4. 自组建能力强：无线传感网络技术可以自组建成一个节点网络，基本上不需要人为干预；同时，系统非常灵活，可以根据应用场景和需求来灵活配置节点数量、布置方式和连接方式。
二、无线传感网络技术在农业领域中的应用作为一个生产生活领域，农业生产对运用现代科技领域的需求比较高，随着无线传感网络技术的不断发展，其在农业领域中的应用也越来越广泛。
1. 物联网农业无线传感网络技术的物联网技术是应用于农业系统中的一个重要方面，通过构建物联网农业系统，可实现对于农业生产的全面自动化。
物联网农业系统可以监测农作物的生长状态、土壤的温度、湿度、大气气体成分和光照条件等重要参数，从而进行自动控制灌溉、施肥和杀虫处理等步骤，从而提高农业生产质量和数量。
物联网技术及应用教学课件ppt作者徐颖秦01概述
三维，得到不同灰度或者具有不同色彩的三维条码。
标识图
物联网技术及应用——江南大学物联网工程学院
商品条形码的编码遵循全球唯一性原则，以保证商品条形码在全世界范围
内不重复，即一个商品项目只能有一个代码，或者说一个代码只能标识一种 商品项目。不同规格、不同包装、不同品种、不同价格、不同颜色的商品只 能使用不同的商品代码。条形码技术广泛用于商业、图书、邮政、仓库、工 业、农业、交通等多个领域，在当今自动识别技术中仍占有重要地位。
物联网技术及应用——江南大学物联网工程学院
背景二：“智慧地球”→“感知中国”
2008年美国奥巴马政府提出了 “智慧地球”概 念。
2009年8月7日，温家宝总理在无锡提出尽快建 立中国的传感信息中心,即 “感知中国”中心。
支撑“智慧地球”和“感知中国”战略的关键技术
是 “物联网IoT（Internet of Things ）” 技
物联网技术及应用——江南大学物联网工程学院
对IoT概念的理解
IoT概念的实质 通过嵌入在物品和设施中的传感和数据采集设备，将现
实的物质世界极大程度地数字化 通过对每一件物品的识别和通讯，将数据化的虚拟事物
联入网络 利用信息技术对数据进行整理、加工和分析 根据数据处理和分析的结果，对物品作出管理和监控 是多个闭环组成的识别、处理和控制系统
国际标准化组织EPC global联合100多家世界知名企业成立 IoT产业联盟，并正式提出了物联网概念。 EPC global前身 麻省理工学院的自动识别中心（Auto-ID）对IoT的构想:
物品上装置带有智能芯片的电子标签，存储代表系统特征 的EPC（产品电子码）→通过读卡器完成标签数据的自动采集→ 通过与互联网联合→提供对应该EPC的物品信息。
物联网技术及应用习题答案完整版
《物联网技术及应用》(第2版)复习思考题及参考答案一、基本概念解释题1.物联网（Internet of Things，简称IoT）：即物-物相联的互联网。
是指通过装置在物体上的各种信息感知设备，如射频识别RFID(Radio Frequency Identification)装置、红外感应器、全球定位系统GPS、激光扫描器等，按照约定的协议，并通过相应的接口，把物品与互联网相连，进行信息交换和通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种巨大网络。
2.RFID：射频识别（Radio Frequency Identification）3.EPC：电子产品编码（Electronic product code）4.智慧地球：英文为Smarter Planet，就是把感应器嵌入和装备到地球村的各种物理实体中，如电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水大坝、油气管道等等，并被普遍联接，形成物联网；然后将物联网与现有的互联网整合起来，实现地球物理系统与虚拟系统的充分融合，使得地球具有智慧化。
5.E-社会：电子社会6.U-社会：泛在社会7.物联网的泛在性：物联网的泛在性表现在可以使人和物在任何时间、任何地点，通过任何途径（或网络）和服务连接到一起，即4A（Anyone，Anytime，Anywhere，Anything）8.物联网的三层结构：感知层、网络层和应用层9.物联网的关键技术：感知与识别技术、网络与传输技术、无线传感网技术、智能处理技术10.WSN：无线传感器网络（Wireless Sensor Network）11.MEMS：微电子机械系统（Micro Electro Mechanical Systems）12.SCADA：数据采集与监控系统Supervisory Control And Data Acquisition）13.MCU：微控制器（Micro Control Unit）14.DSP：数字信号处理器（Digital Signal Processor）15.IPC：工业控制计算机（Industrial Personal Computer）16.AIDS：自动识别系统（Auto Identification System）17.GPS：全球定位系统GPS（Global Position System）18.移动互联网：是移动和互联网融合的产物，继承了移动随时、随地、随身和互联网分享、开放、互动的优势。
物联网关键技术及应用
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物联网(IOT)的概念
公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机 对颜色和水温的要求等等。 ▪ 现在较为普遍的理解是，物联网是将各种信息传感设备， 如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、 激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨 大网络。通过装置在各类物体上的电子标签（RFID）、传 感器、二维码等经过接口与无线网络相连，从而给物体赋 予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物 体与物体互相间的沟通和对话。
Internet、WIFI网以及无线通信网络等网络。
3、信息采集层：数据采集指通过包括条码、射频识别、无
线传感器、蓝牙等在内的自动识别与近场通信技术获取物 品编码信息的过程。
4、编码层：编码层是物联网的基石，是物联网信息交换内
容的核心和关键字。 编码是物品、设备、地点、属性等的数字化名称。
LOGO
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若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起电 子标签内部电荷泵提升工作电压，提供电压擦 写E2PROM。若经判断其对应密码和权限不 符，则返回出错信息。
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3.1.4 RFID的ISO IEC标准
▪ ISO/IEC（国际标准化组织和国际电工委员会）制定 的RFID标准概况
▪ 技术标准 ：ISO/IEC 10536 、ISO/IEC 14443 、 ISO/IEC 18000系列标准 等
一、物联网的概念
1、物联网（IOT）的定义
▪ 早在1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中就已经提 及物联网概念。但是，“物联网”概念的真正提出是在1999 年，由EPCglobal的Auto-ID中心提出，被定义为：把所有 物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实 现智能化识别和管理。
走进物联网 物联网的“千里眼”—无线传感网络
传感网除了具有无线网络的移动性等共同特征之外，还具有其他鲜明的特点。 1．大规模 传感网一般都由大量的传感器节点组成，节点的数量可能达到成千上万，甚至更多。一方面， 传感器节点分布在很大的地理区域内；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的 空间内，密集部署了大量的传感器节点。 2．自组织 传感器节点的位置不需要设计或预先确定，这使得传感器节点可以随机部署在人迹罕至的地 形或救灾行动中。这就要求传感器节点必须具有自组织能力。在一个传感器节点部署完成之后，首 先，必须检测它的邻居并建立通信，其次必须了解相互连接的节点的部署、节点的拓扑结构，以及 建立自组织多跳的通信信道。
能量供给单元提供传感器节点运行所需的 能量，是传感器节点最重要的单元之一。
另外，为了对节点精确定位以及对移动状 态进行管理，传感器节点需要相应的应用支持单 元，如位置查找单元和移动管理单元。
二、传感网的网络结构 传感网由大量的传感器节点组成，节点之间通过 无线传输方式通信。一个典型的传感网的体系结构如 图所示，通常包括传感器节点、汇聚节点和任务管理 节点，如图所示。 传感器节点分散在监测区域内，这些节点能够采 集数据、分析数据并且把数据路由到一个指定的汇聚 节点。传感器节点之间通过自组织方式构成网络，可 以根据需要智能地采用不同的网络拓扑结构。传感器 节点的监测数据可能被多个节点处理，通常以多跳的 方式沿着其他节点逐跳传输，经过路由到其他中间节 点进行数据融合和转发后到达汇聚节点，最后通过互 联网或者卫星到达用户可以操作的任务管理节点，任 务管理节点可以对传感网进行配置和管理。
03 聚焦生活
城市路内智能停车系统 随着人们生活水平的不断提高，城市路内停车泊位数量与汽车保有 量矛盾日益突出。传统的占道停车造成停车位难以监管，无法实现停车信 息的实时交互。一些乱停现象导致城市交通拥堵，停车泊位难求。越来越 多的城市选择并使用了城市路内智能停车系统，有效地整合停车数据，及 时发布空余车位信息，实现停车数据共享，提高车位利用效率，缓解供求 矛盾。 该系统主要通过地磁探测器（也称为车位传感器），实时检测路内 停车占用状态。多个地磁探测器组成一个个小形传感网，由固定管理器接 收地磁探测器采集到的网内停车状态。
无线传感器网络技术
2.3
2.4
无线传感器网络操作系统
无线传感器网络的关键技术 无线传感器网络中间件软件 面向多类型网络的无线传感器网络接入技术
2.5 2.6
2.2.1 无线传感器网络硬件设备概述
在无线传感器网络中，传感器节点既要实现数据采集和处 理转化，又要实现数据的融合和路由，并对本身采集的数据和 收到的其他节点发送的数据进行综合，转发回监控终端。
• 低能耗； • 实时性；
• 低成本；
• 安全和抗干扰； • 协作。
2.1.7 无线传感器网络的主要应用领域
生活习性监测 地震监测
战场评估
医疗状况监控
无线传感器网络
精细农业 深海监控
目标跟踪和检测
森林火灾监控
小区安全监控
第二章 无线传感器网络技术
2.1 无线传感器网络的基本概念 2.2 无线传感器网络硬件基础
移 动 管 理 平 台
拓 扑
网 络 管 理
（a）
（b）
图2-2无线传感器网络协议栈
2.1.3 无线传感器网络基本特点 传统的无线网络和 MANET网络
无线传感器网络
以传输数据，完成通信为目 的，中间节点仅负责分组数据 的转发，通常节点具有持续的 能量供给。他们注重在高度移 动的环境中通过优化路由和资 源管理策略，最大化带宽利用 率，同时提供高性能的服务质 量QoS(Quality of Service)。
2.2.5 无线传感器网络硬件开发套件
• 图像音频传感器的核心处理器为 Mega128，可以采用 JTAG ICE仿真 器进行仿真。 • 图像传感器的辅处理器为Tiny12，可 以采用stk500与之通信。 • 视频传感器的核心处理器为 i.MX27 ，开发板的flash中已经配臵好嵌入式 Linux。
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物联网技术及应用
物联网技术及应用
第3章 无线传感网技术
主要内容
3.1 WSN概述 3.2 WSN的基本结构 3.3 WSN的协议体系结构 3.4 WSN的关键技术
物联网技术及应用
3.1 WSN概述
3.1.1 无线传感器网络WSN
➢ 概念：无线传感器网络（WSN），简称无线传感网，是一种通过大量低成本、资 源受限的传感节点协同工作，实现某一特定任务的多跳自组织网络。
度管理等工作。 ✓ 无线通信模块：负责和其它节点进行数据交换，包括数据的无线发送、接收和传输等
通信任务。 ✓ 电源模块：是所有电子系统的基础，电源模块的设计直接关系到节点的寿命，一般采
用微型电池。
物联网技术及应用
3.2.1 节点部署
➢ 节点部署：就是在指定的监测区域内，通过适当的方法布置传感器节点，以满足某种特 定需求。一般通过一定的算法来实现，以期WSN在未来应用中获得最大的利用率或单个 任务的最少能耗。
物联网技术及应用
3.3.1 网络通信协议模块
5层结构：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。
➢ 物理层：解决简单而又健壮的调制、发送、接收等技术问题，包括信道的区分和选择， 无线信号的监测、调制与解调，信号的发送与接收。
➢ 数据链路层：负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制，主要任务是加强物理层 传输原始比特的功能，使之对网络显现为一条无差错链路。
监控中心 (软件)
管理节点
监控区域
传感器节点
✓ 监控中心：对数据进一步加工、分析、处理和 显示；同时，用户也可以通过监控中心发布控 制命令，通知传感器节点收集指定区域的监测 信息。
图3-1 无线传感器网络的组成
✓ 数据链路：由监测区域中的部分节点组成，直 接将数据传送至Sink，最终传送到监控中心。
物联网技术及应用
✓层次路由协议：有7种
• SAR协议：是第一个具有QoS意识的路由协议； • LEACH：是一种基于多簇结构的路由协议； • TEEN：是具有实时性的路由协议； • PEGASIS：是在LEACH基础上改进设计的； • EARSN：是基于三层体系结构的路由协议； • APTEEN：是对TEEN 的改良协议，是一种结合响应型和主动型WSN的混合型网络路由协议； • VGA：是LEACH算法的一个改进； • SOP：协议主要适用于具有异构节点的传感器网络。
•信息采集的完整性和精确性 •信息可传输性 •系统能耗(网络寿命)
➢节点部署算法的评价指标
•覆盖性： 主要包括覆盖程度、覆盖时间和覆盖盲区。 •连通性：主要包括整个网络连通和路由连通。 •能耗性：主要包括网络覆盖所需的能耗和网络连通所需的能耗。
物联网技术及应用
3.3 WSN的协议体系结构
3个模块组成：由网络通信协议模块、传感网管理模块、应用支撑技术模块。
物联网技术及应用
➢传感器节点
✓组成：是一种微型嵌入式设备，主要由 传感器模块、处理器模块、无线通信模 块、电源模块和其它外围电路组成。
传感器 A/D转换器 传感器模块
微处理器 存储器 处理器模块
电源模块
无线发送器 无线接收器 无线通信模块
✓ 传感器模块：各种传感器和A/D转换器，用于监控区域内众多环境数据的采集和转换； ✓ 处理器模块：是节点的核心，用于完成数据处理、数据存储、执行通信协议和节点调
✓ 传感器节点：随机分布自组织构成网络，感知 环境信息，多跳路由到汇集节点。
互联网/卫星通信 /移动通信网
Ethernet
sink/网关/基站
汇集节点
✓ 网关：是网络协调员，负责监控中心认证和消 数据链路 息缓冲，并连接有线以太网络；同时将接收到
的数据进行融合、压缩及异构互联；最后通过 Internet、卫星通信、移动通信等方式传送到监 控中心。
应用支撑技术模块
分布式网络服务接口
分布式网络管理接口
应用层 时间同步
节点定位
移
传输层
传输控制
网络层
路由协议
数据 链路层
媒体访问
拓扑结构
能
拓扑 管理
网 络
量 管 理
/
/ 安
QoS 服务 支持
全 管 理
动 控 制
/ 远 程 管 理
物理层 射频 红外 光波
网络通信协议模块
传感网管理模块
图3-3 WSN协议体系结构
➢ 应考虑的问题：
✓如何实现对监测区域的全覆盖并保证整个网络的连通性 ✓如何减小系统消耗，最大化延长网络寿命 ✓当网络中有部分节点失效时，如何对网络进行重新部署
➢节点部署算法
三类：移动节点部署算法、静止节点部署算法和异构/混合节点部署算法。
✓ 移动节点部署算法
• 增量式节点部署算法 • 基于虚拟力的算法 • 基于网格划分的算法 • 基于概率检测模块的算法
➢ 网络层：主要负责路由的生成与选择，包括网络互联、拥塞控制等。
网络层路由协议有多种算法，如泛洪路由算法、能量路由算法、平面路由协议、层次 路由协议、基于地理位置路由协议和可靠路由协议等。
✓平面路由协议包括以下6种：
• SPIN：是一组基于协商并且具有能量自适应功能的信息传播协议； • DD：是一种以数据为中心的信息传播协议，与已有的路由算法有着截然不同的实现机制； • Rumor Routing：是一种基于数据查询的WSN路由机制； • HREEMR算法：利用多路径技术实现了能源有效的故障恢复，解决了能源浪费问题； • SMENCE：是基于节点定位的路由协议，是对Ad hoc网络设计的MECN协议的改进； • SAR协议：是第一个具有QoS意识的路由协议。
✓ 静止节点部署算法
•确定性部署算法 •自组织部署算法
✓ 异构/混合节点部署算法
• 传感网技术主要以同构节点(同一类 型)的传感网作为研究对象；
• 在实际应用中，可能会引入一些不同 类型，但性能更优的异构节点，提高 传感网的数据传输功率，而且能有效 地延长网络寿命。
物联网技术及应用
➢节点部署评价指标
➢ 作用：主要用于周边环境温度、灯光、湿度等参数感知与监控，大气污染程度的 监测，建筑结构的完整性检测，家庭环境情况监控，机场、商场、体育馆等公共 场所化学、生物威胁的检测与预报等方面。
3.1.1 WSN特点
➢ 计算和存储能力有限 ➢ 较强的自组织性和动态性 ➢ 网络规模大和节点密度高 ➢ 具有较强的可靠性和鲁棒性 ➢ 贴近应用 ➢ 以1 WSN应用前景
目前WSN应用主要集中在以下领域： ➢环境的监测和保护 ➢医疗卫生护理 ➢军事领域 ➢家庭自动化 ➢其它用途，如矿井、核电厂等危险的工业环境
物联网技术及应用
3.2 WSN的基本结构
3.2.1 基本组成
三部分：传感器节点（ Sensor ）、汇集节点（Sink）（网关/基站）和管理节点（监控中心）