物联网技术127

1走出物联网教学四无困境无线龙通讯科技（集团）公司副总经理软件工程师郑裕侠北京2011年1月全国高校物联网专业骨干教师培训2011年1月10日（北京）2课程内容第一部分：当前国内高校物联网教学现状第二部分：无线网络技术引领“物联网时代”第三部分：USN网络与RFID第四部分：物联网技术政、产、学、研第五部分：物联网/传感网解决方案解析3全国高校物联网教学现状教什么？拿什么教？怎样教？无师资无教材无设备无明确的就业岗位4校企合作5国产化物联网教学设备的发展结合全球大型企业“大学计划”美国TI公司已经与国内无线龙公司签署战略同盟，同时指定为中国设计中心与大学计划合作伙伴，让国际领先的物联网技术和大学计划全面融入高校物联网专业建设。6完整教学资源体系教学设备和教材一体化7国产化物联网教学的发展全面培训物联网设备使用骨干教师2010年11月起，在无锡和西安同时举办物联网骨干教师培训班；培训高校掌握和使用国产教学设备；2011年预计在全国12个城市举办骨干教师培训班；高校实验室人才培养是国产化教学实验设备快速推广的关键；8物联网专业毕业生就业方向生产制造、测试工程师市场、技术服务工程师产品、项目开发工程师企业级核心技术研发工程师国家级核心、基础技术科研人才传感层：电子、通讯、嵌入式/单片机、自动化等；网络通信层：计算机网络、信息/通信工程、移动通信、卫星通信等；应用层：软件工程、计算机科学与应用等；9我们期待更多的高校通过校企合作走出高校物联网教学四无困境10课程内容第一部分：当前国内高校物联网教学现状第二部分：无线网络技术引领“物联网时代”第三部分：USN网络与RFID第四部分：物联网技术政、产、学、研第五部分：物联网/传感网解决方案解析11第一部分：无线网络技术引领“物联网时代”12性能比较13回顾无线网络技术关键是什么？网络通讯协议——无线网络技术灵魂芯片组——无线网络技术肉身14短距离无线通讯芯片单芯片无线收发机nRF905、nRF2401、CC1100、CC2420、CC2500、CC2520、MJ2440…无线单片机（SoC）nRF9E5、nRF24E1、nRF24L01、CC1010、CC1110、CC2430/1(较稳定)、CC2510、CC2530/1、MC13224(ARM7)、ZIC2410(音频)、EM250、GS1010/1011(WiFI)…15无线网状网络—网络协议首先是对无线网状网络的理解。然后讨论如何比较不同网状网络？安全性、可靠性、电源管理、可扩展性、数据移动和成本。最后评价不同标准的无线网状网络。WirelessHART、6LoWPAN、DigiMesh、ZigBee…16基本的网络拓扑17无线网状网络—网络协议首先是对无线网状网络的理解。然后讨论如何比较不同网状网络？安全性、可靠性、电源管理、可扩展性、数据移动和成本。最后评价不同标准的无线网状网络。WirelessHART、6LoWPAN、DigiMesh、ZigBee…18不同网状网络比较一安全性Security.第一是加密——保护信息本身。现代加密至少一个算法（128位密钥）AES128。其次是身份验证。用户（或节点）是谁，这通常是处理密钥交换和认证证书。最后是授权。批准与有正确的密钥或证书相关联。且需要分配密钥匙、授权和相关的其他因素缓解认证机制。19不同网状网络比较二可靠性Reliability.无线网状网络的可靠性必须评估以下几点：Frequencyagility–调频。这是发现、适应及对抗网络周围潜在干扰的最好办法。Messagelosspotential–信息传输可靠性。信息从不同的路径在网络传输，网络必须非常小心，以确保信息不会丢失，同时要确保通讯路径的可靠性。Adaptability–弹性和适应性。网络必须具有很强的弹性和快速改变能力，以适应路由节点和其他节点的故障，同时还要防止丢失的信息。如果这些情况发生，网络需要最有效的方法迅速的排除这些故障。Singlepointsoffailure–单点故障。简单地说，明确网络中是否存在单一故障点，故障的原因是什么，以及如何即时处理和恢复？20不同网状网络比较三电源管理PowerManagement.最常见的问题是无线传感器网络用户要求多久的电池寿命？电源管理是在分析网络结构、终端节点、路由器和网络协调器的前提下，进行有效管理。最重要的是如何使终端节点更省电，使路由器也更省电。同时关注电池供电的路由器睡眠架构的灵活性。协调器通常总是供电。所以，在节点可以休眠的背景下，我们主要看他们的平均功耗是多少。这是在评估最佳组合，包括：如何唤醒，唤醒的间隔，总的发射时间和总的接收时间。由于最消耗功率的过程是无线收发，因此重要的是要保持这个无线收发的时间缩短到最低限度。21不同网状网络比较四网络扩展性Scalability.网络最大有多少节点就会失效？至少在实际层面，所有的网络都有最大的物理极限，但我们网络的实际设计总是要小得多。网络可扩展性很大程度决定于网络数据的类型和数据量。网络流量可以分为三类，正常数据，突发数据和流数据。正常数据是周期性的，突发数据是不经常的和缓慢的，而流数据是不变化的，是一个很大的常量。一个网络可以很大，前提是网络不会拥挤，网络有足够带宽。休眠的网络可以传输一定数据量，并能够使用各种数据流。22不同网状网络比较五数据移动DataMovement.数据传输速率延迟数据包大小分包传输距离23不同网状网络比较六网络成本Cost.成本的衡量标准是单个节点成本以及网络维护的代价。往往是网络维护的成本很难量化，而网络部署成本往往被遗忘。最容易量化的只是每个节点收发器系统的实际采购成本。比较困难评估的是电池供电的休眠节点成本。网络节点，特别是低功耗网络的成本，很大程度取决于每个节点的性能，高质量的无线节点，可以实际上降低网络成本。24无线网状网络—网络协议首先是对无线网状网络的理解。然后讨论如何比较不同网状网络？安全性、可靠性、电源管理、可扩展性、数据移动和成本。最后评价不同标准的无线网状网络。WirelessHART、6LoWPAN、DigiMesh、ZigBee…25网络结构：点对多点使用同样频率，也可以跳频；数据都通过中心节点交换。优点：没有路由，简单实用。缺点，网络容量小，通讯比较拥挤。26网络结构：WirelessHART网络拓扑27网络结构：6LoWPAN28网络结构：DigiMesh29网络结构：ZigBee30不同网状网络的比较31ZigBee无线传感网络ZigBeeWirelessSensorNetwork32ZigBee特征可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。ZigBee的媒体接入控制层（MAC层）采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。网络容量大：可支持达65000个节点。安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密。33ZigBee特征数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。成本低：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且ZigBee协议免收专利费。优良网络拓扑能力：ZigBee具有星、树和网状网络结构的能力。ZigBee设备实际上具有无线网路自愈能力，能简单地覆盖广阔围。有效范围大：有效覆盖范围10～75米之间(通过功放可在低功耗条件实现1000米以上通信距离)，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通家庭或办公室环境。工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。ZigBee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。今后若干年，将是ZigBee技术飞速发展的时期。ZigBee已成为事实上的无线传感网通信技术标准。34ZigBee版本比较35ZigBeePRO高可靠网络的三大改进为了实现商业和工业级的高可靠网络，ZIGBEEPRO网络在自组织，自管理和提高网络可靠性上，进行了三个重要改进：自动跳频（frequencyagility）非对称高频链路质量处理（Asymmetriclinkhandling）PAN号码自动识别冲突解决方案（PANIDconflictresolution）36ZigBee2007PRO主要改进ZigBee规格的演进，从ZigBee1.0、ZigBee2006及目前的ZigBee2007Pro，并非原本的规格设计有问题，迫使ZigBee联盟改锦规格，相反也正是ZigBee应用越来越广泛，使原本的设计必需在不同的应用方面进行调整和适应，如ZigBee联盟目前积极推广的市场如家庭自动化(HomeAutomation)、商业大楼自动化(BuildingAutomation)自动读表系统(AutomaticMeterReading)多种应用的差异极大，使得新版的ZigBeePro必须进行功能上的调整，如在ZigBeePro中移除CSKIP位置配置(AddressAssignment)、数状路由(TreeRouting)等2006版的功能；新增的功能则包括随机位址分配(StochasticAddressAssignment)、多对一/源节点路由(ManytoOneRouting/SourceRouting)、组播(Multicast)、频率捷变(FrequencyAgility)、分割/重组(Fragmentation/Re-assembly)及标准和高安全模式(StandardandHighSecurityModes)等。37二、ZigBee芯片单芯片无线收发机：CC2420、CC2520、MJ2440…无线单片机（SoC）：CC2430/2431、CC2530/2531、MC13224、ZIC2410、EM250…38项目CC2430CC2530MC13224引脚484099封装QLP48QFN40LGA电压2.0V–3.6V2.0V–3.6V2.0V–3.6V大小7x7mm6mm×6mm9.5mm×9.5mm微控制器增强型C8051增强型C8051ARM7TDMI-SFlash32/64/128KB32/64/128/256KB128KBRAM8KBSRAM,4KBData8KB96KB,80KROM段频2.4G2.4G2.4G支持标准ZigBee04/06/SimpliciTIZigBee07/PRO/RF4CE/SimpliciTI（电子产品遥控）ZigBee07/PRO/RF4CE软件平台IARIARIAR射频RFCC2420CC2520MC13224接收灵敏度-90dBm-97dBm-96dBm(DCD模式)-100dBm(NCD模式)39项目CC2430CC2530MC13224输出功率0(最小为-3)dBm4.5(最小-8，最大10)dBm-30至4dBm自带传感器温度温度温度功耗RX：