物联网导论-第3章-无线传感网

第3章无线传感网•作者：刘云浩著•出版社：科学出版社•3.1发展历史•3.2硬件平台•3.3操作系统＊•3.4组网技术•3.5典型应用本章内容2/40传感器技术发展史：两条主线加州伯克利分校SmartDust项目：微型化传感器节点无线传感器的研究始于20世纪90年代加州洛杉矶分校LWIN项目：低功耗无线传感节点1996年，LWIM团队将多种传感器、控制和通信芯片集成在一个设备上，开发了LWIM节点1998年，LWIM团队和Rockwell科学中心合作开发了WINS节点1999年，该校发布了WeC节点,之后，该校又发布了一系列节点，包括Mica、Mica2、Mica2Dot，MicaZMica2DotMica2中科大-Mica2仿制品3/40•2002年，Mica应用•美国大鸭岛•加州大学伯克利分校•32个节点•采集内容：温度、湿度、光照和大气压力•监测目的：持续监测海燕在繁殖季节的习性，收集相关环境数据供动物学家分析。传感器技术发展史:“智能尘埃”的具体实现4/405/40淘宝出售的传感器节点时间硬件能力摩尔定律预测的曲线传感器节点发展曲线2004•摩尔定律：约每隔18个月，集成电路上可容纳的晶体管数量增加一倍，性能提升一倍。•但是，无线传感器节点性能提升十分缓慢，没有像摩尔定律的速度发展！•为什么没跟上？传感器技术发展史：缓慢提升的性能6/40•三个制约因素•成本•组网节点数量大，必须廉价。•体积•布置范围大，无法回收，必须微型化。•功耗•一次性寿命，携带电源有限，必须节能。制约传感器性能提升的因素？7/401、低成本•低成本的节点才能被大规模部署。2、微型化•不仅硬件，节点的软件也要满足微型化的需求。•例：TelosB节点的内存大小只有4KB，程序存储的空间只有10KB。必须节约计算资源，避免超出节点的硬件能力。传感器的设计要求8/403、低功耗•硬件，低功耗处理器和射频芯片•例：TelosB节点微处理器功率3mW。•一般计算机功率200到300W，英特尔i5为35W。•计算：2节2500mah的5号电池，电压=3V，功耗3mW的传感器节点，能用多久？•软件，节能协议•在不工作时，处理器进入低功耗模式，在工作时进入正常状态。传感器的设计要求2500mah/1ma=2500h价格20元/节1.5V9/404、灵活性与扩展性•硬件•统一接口，节点能安装不同功能，不同厂商的传感器。•软件•可裁剪：根据不同需求，安装不同功能的软件模块。•自组织协议：支持动态添加新节点。•可扩展：自动联网，下载更新程序。传感器的设计要求10/405、鲁棒性•长时间部署的重要保障。•普通的计算机•一旦系统崩溃，可以人工重启恢复系统。•传感器节点•无人工干预，没有人去重启、维修。•适当增加冗余性，增加整体系统的鲁棒性。•自动诊断和网络管理功能。传感器的设计要求11/40•3.1发展历史•3.2硬件平台•3.3操作系统＊•3.4组网技术•3.5典型应用本章内容12/40•无线传感节点组成•电池、传感器、微处理器、无线通信芯片；硬件平台传感器微处理器无线通信芯片电池13/40•传感器定义•能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。•传统传感器——局限性•缺少有效的数据处理与共享能力。•现代传感器——传感器网络•能够对感知信息进行分析处理和网络传输。硬件平台被测量敏感元件转换元件基本电路电量14/401，传感器•多种类型传感器可供选择。硬件平台15/40常用传感器特性16/402，微处理器•集成度高，集成了ROM、RAM、AD/DA、IO等。•关键性能•功耗特性（越低越好）•唤醒时间（快速切换状态睡眠/工作）•供电电压（低电压）•运算速度（要求不高）•内存大小（要求不高）硬件平台17/40常用微处理器特性18/403，通信芯片•节点总能耗中，通信芯片通常耗能最多•例：TelosB节点•CPU芯片--工作状态电流500uA•通信芯片--工作状态电流20mA•发送状态和接收状态•能耗差别不大。发射功率越大，传输距离越远。•睡眠状态•能耗很低。硬件平台TelosB19/403，通信芯片（续）•常用通信芯片•CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz，传输速率19.2Kbps。•CC2420：工作频率2.4GHz，符合IEEE802.15.4协议规范，传输速率250Kbps。硬件平台20/4012.48元21.2元常用通信芯片特性4，供能装置•一次性电池•部署方便，由于电压、环境变化，电池容量并不能被完全利用。•可再生能量•充电电池：自放电较少，电能利用率较高，但充电的效率较低，且充电次数有限；•超电容：充电效率高，充电次数可达100万次，且不易受温度，振动等因素的影响。•太阳能/无线充电：未来研究热点硬件平台超电容22/40•3.1发展历史•3.2硬件平台•3.3操作系统＊（了解）•3.4组网技术•3.5典型应用本章内容23/40•区别于传统嵌入式系统•由于微型化，硬件资源（内存空间，能量）极其有限传感器节点操作系统VS其他操作系统24/40节点操作系统发展史为什么都是大学？没有企业。行业初期，不赚钱国家投资基础研究。25/40•TinyOS系统•加州伯克莱分校开发，是目前无线传感网络研究领域使用最为广泛的OS()•开发语言nesC•专门为资源极其受限、硬件平台多样化的传感节点开发。TinyOS26/40其他常用微型OS对比27/40•3.1发展历史•3.2硬件平台•3.3操作系统＊•3.4组网技术•3.5典型应用本章内容28/40•路由协议功能•描述了网络拓扑结构，创建了路由表•执行路由选择和数据包转发功能•简言之：决定了数据包走那条路。29/40路由协议•指标：期望传输次数(ETXExpectedTransmissionCount)•成功传输每个包，期望的平均传输次数•最短的路径，成功率未必最高•带宽利用率1/链路ETX低成功率环境－选路指标传输成功率（经验值）100%50%33%带宽利用率100%50%33%链路ETX123环境不同30/40•路径ETX=链路ETX组网技术－选路指标的计算（续）路径ETX122431、ETX指标相同，路径未必一样长。2、短的路径，ETX指标未必最好。比较比较31/40•分布式——收集树协议（CTP）•1，每个节点广播自己到汇聚节点的路径的ETX。•2，每个节点收到广播包之后，依据邻居节点广播的路径ETX，动态选择父节点，使得自己到汇聚节点的路径ETX尽量小。•3，经过不断更新，网络中的每个节点都能够选择到一条到汇聚节点ETX之和最小的路径。组网技术－3.4.2路由协议（CTP）汇聚节点数据收集协议•3.1发展历史•3.2硬件平台•3.3操作系统＊•3.4组网技术•3.5典型应用（了解）本章内容33/40•监控移动目标•美国弗吉尼亚大学，铺设在道路旁边，采集移动目标。军事领域34/40军事领域•定位狙击手2005年，美国，枪声定位系统(a)检测区域俯瞰图(b)模型图(A为狙击手位置，B为节点位置)35/40•煤矿安全监控系统•2004~2007年，香港科技大学，煤矿安全生产。•技术特点•事故预警，紧急救援与导航•多跳传输，克服地下信号传播困难煤矿安全WSNPrototypeEnergyEfficiencyReliableRoutingMulti-SinkDeploymentGeocastingDataAggregationCompressionEventDetectionLocationSensingIDAssignment36/40•医疗监控•传感器：体温、呼吸、血压等•可穿戴设备：手环，服装等•技术特点•佩戴方便，不影响生活•24小时连续地采集数据•医生远程监控医疗监控37/40农业领域•农业领域监视农作物灌溉、土壤空气变更、畜禽环境、地表检测等38/40环境监测•环境监测•生物、气象、地理、洪水、火灾、空间、海洋……39/40智能建筑•监控建筑物状态，及时维修保养：•摩天大楼、跨海大桥、地下隧道、海底管线等。基于WSN的桥梁结构监测系统示意图40/40•无线传感器网络，已经研究10多年了，为什么至今没有得到大规模实际应用？41/40思考题