环保物联网的设计思考

1环保物联网的设计思考邬贺铨中国工程院2012.01.06环保物联网的特点环保物联网需要同时监控的参数较多，需要使用的传感器种类很多，数量相当大，对传感器的成本比较敏感，多数放置在室外，传感器的工作环境较苛刻；环保业务的特殊性和高度专业性对传感器设备的精度和可靠性有较高要求；为了获得监测数据的可信度，需要同时利用多种监测手段，综合考虑异构多源数据和历史数据；环保物联网监控的地域很广，例如一条河流污染的监控可能跨越多个地区，一个城市的大气污染需要关注城市周边地区的大气环境；环保物联网信息服务范围要打破地域限制，对信息资源整合共享有较高要求；环保物联网主要是政府行为，但需要探讨发挥社会积极性的市场模式，对工业企业要将减排与节能及循环经济结合，让企业从减排中获得经济利益。2通过飞机、汽车、人工等方式，将大量传感器节点分布在需要监测的区域内，此时节点处于睡眠状态网关节点传感器节点开始激活，通过无线通信，确定自身的位置，自动组织成网络，各传感器分别探测外部信息温度核辐射湿度光照PM2.5COD图象水体成分噪声SO2土壤成分大气成分？因环境影响、能量耗尽等原因，节点容易发生故障结点能量不足时，只能输出本身的信息，而无法传递其它结点的信息节点出故障，其它节点会自动寻找别的“邻居”协助完成任务作为路由器的“邻居”节点既要输出本身的信息，还要传递其它节点的信息网关对各路信息进行过滤，把重要的信息发送给用户无线互联网环保传感器需要有多种类型3BiosensorAmplifierICSignalSignalRFdeviceComputerInjectoutputCRPmoleculesMicroPumpBatteries12VSampleFlowSignalFlowMonitor生物传感器4与通信网络的互联5物联网的组成6-信息获取通信网络信息处理更透彻的感知更全面的互通更智能的决策传感网等互联网等数据中心等无线通信在环保物联网的应用7无线传感器物理层技术物理层提供在物理媒介上的比特流传输方法，数据编码与调制及误码校正等，常用的标准是IEEE802.15.4。2.4GHz频带与Wi-Fi相同，但IEEE802.15.4的低数据率使得其功率大约为Wi-Fi的1%，可以靠电池运行1～5年，适于传感器应用，但传输距离短，需要使用接力方式工作868.3MHz902MHz928MHz2MHz2.4GHz2.4835GHz5MHz0.6MHz8媒介接入控制（MAC）和逻辑链路控制层（LLC)媒介接入控制子层(MAC)－－职能是为物理上直接互联的两个设备间提供可靠通信，其主要功能包括:•数据成帧和对接收到的帧的确认，发送确认帧•设备寻址（64比特长度的MAC地址）•信道接入管理（使用CSMA/CD技术等）•设备关联与解除关联（对设备的进入或离开网络实施管理）链路层：协议的作用是保证节点公平和有效地共享通信资源，同时适应传感器网络的优化节能、移动管理和故障恢复要求9网络层协议---ZigBee与6LoWPAN10Z-Wave,prop.ISMetc.ZigBeeandWHARTAnyvendor6lowpanISA100CablesVendorLock-inComplexmiddlewareOpendevelopmentandportability1980s200020062008物联层（IEEE802.15.4）MAC层（802.15.4）PD-SAPPLME-SAPNLDE-SAPMLME-SAP网络安全管理网络消息批发选路管理网络管理网络层NLDE-SAPAPS安全管理APS消息批发Refector管理应用支持子层（APS)端点240APSDE-SAP端点1APSDE-SAP端点0APSDE-SAP应用属性应用属性设备属性应用目标应用目标….应用框架ZigBee设备目标(ZDO)应用层ZDO公共接口NLME-SAPAPSME-SAPZDO管理面安全服务提供者ZigBee协议6LoWPAN协议在IEEE802.15.4上支持IPv6的问题IPv6包头很大而MAC层净荷仅有127字节，IPv6包头须压缩以便腾出位置IPv6的消息传送单元（MTU）最短为1280字节，必须拆包才能装进802.15.4帧中IPv6的包头压缩和MTU的分拆/重组在适配层完成11482016881281281280*8128221280*81680/160/16/640/160/16/640~81616328710~1016(6~133)*8(5~127)*811282*81320*8PreambleSFD帧长保留物理层净荷SHRPHRPSDU帧控制序号目的地PAN识别符目的地地址源PAN识别符源地址帧净荷帧校验地址字段MHRMSDUMFR压缩指示下一头部剩余跳数源地址目的地址HC2编码MTU版本流分类流标签净荷长度下一头部剩余跳数源地址目的地址MTU比特数IPv6头部40字节6LoWPAN头部2字节物理层MAC层适配层IPv6层分拆压缩对感知层面的布局12物联网发现技术物联网从减轻安装和维护成本考虑要尽可能少用人工干预，要求每一节点能够具有发现邻近节点的存在和身份，应具有自动指配功能、节点间能够协商分享的任务，自动定位节点的类型和编组，自动部署与激活、解除激活和性能监视。物联网的发现功能不仅表现在连接建立过程，还用于性能监视，开始、停止、管理和调度发现过程，还可在任何时间对所分配的作用和属性进行调整，或按需创建新的属性。发现的服务必然应基于授权认证机理，以保护隐私和安全。13节点的认证与加密14物联网的节点可能被克隆、被假冒、被移动和被解激，节点的数据会被屏蔽、被干扰、被窃取和被篡改。因此当物联网的节点进网时需要认证，重要的物联网节点的数据需要加密，但因功耗限制而需要采用能效的加密与数据保护技术和加密算法快速部署技术及能效的密钥分配机理。WSN的节点定位基于距离的定位方法：首先使用测距技术测量相邻节点间的实际距离或方位，然后使用三角计算、三边计算、多边计算、模式识别、极大似然估计等方法进行定位。测量无线信号的到达时间（TOA）测量无线电信号强度（RSSI）测量普通声波与无线电到达的时间差（TDOA）测量无线信号到达角度（AOA）与测量距离无关的定位方法：首先确定多个包含待定位节点的多边形，然后计算这个多边形区域的质心，待定位节点与信标节点之间的估计距离，再利用三边测量法或极大似然估计法计算待定位节点的坐标APIT算法质心算法DV-Hop算法Amorphous算法。15节点定位是传感器网络的重要基础功能，没有位置信息的环境数据是没有意义的。手工定位和GPS定位都无法大规模应用到传感器节点上。在网络中存在已知位置的参考节点时，所有节点可使用同一个坐标系定位，这称为绝对定位。但传感网通常不存在已知位置的参考节点，所有节点确定到其它节点的相对位置，这称为相对定位。WSN的拓扑设计WSN拓扑控制的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制或层次拓扑控制，最小化网络的能量消耗，增强鲁棒性，延长网络的生存期。统一功率分配算法－－－COMPOW；基于节点度数的算法－－－LINT/LILT和LMN/LMA；基于邻近图的近似算法－－－CBTC，LMST，RNG，DRNG和DLSS层次拓扑控制成簇算法－－－TopDisc虚拟地理网格分簇算法－－－GAF自组织成簇算法－－－LEACH和HEED。16物联网节点的分层分簇根据应用和服务对物联网节点分群分簇，还需考虑节点的存储、过滤和聚合能力每簇会有一个传感器负责收集数据并将集合的数据传到网关在某些应用情况下传感器节点可能会移动，移动后的传感器将重新分组并选出新的簇头分层结构中层次比较高的簇头传输数据需要经过相对比较远的距离。再加上他们要进行额外的计算，他们会比其他的节点比较快地耗尽能量。为了使得这种能耗分布比较均匀，可以轮流成为簇头，每间隔一定时间轮换一次，该时间间隔也叫簇周期。Sink17路由器（簇头）端设备网关对感知层面的几何布局节点的几何布局是物联网感知层面设计的主要问题希望在给定任务的情况下使用最少数量的节点。节点部署密集则感知的几何分辨率高，但成本很高；节点的传输距离：节点的发送功率与传输距离成指数关系，通信比传感和计算更需要消耗电能，将1kb传送100m的能耗等效于以每秒1亿条指令的速度传送300万条指令，因此节点传输间距比较短；节点的合理分层分簇，分层多则网关可连接更多的节点，覆盖范围宽，但层次多则节点接力次数多，功耗大，可靠性降低。18WirelessSensorNetwork(WSN)Management物联网节点的配置与路由建立19物联网节点数量密集，覆盖范围宽，从减轻安装和维护成本考虑，希望网络能自动发现、自我配置、自动部署与激活、解除激活。要求众多节点能够具有发现邻近节点的功能，节点间能够协商分享的任务，自动定位节点的类型和编组。路由算法泛洪法（Flooding)：每个节点转发数据包到其传送范围内的所有相邻节点，但仅转发在这之前还未收到过的数据包。优点是实现简单、可扩展性好、无需发现邻近节点；缺点是实际吞吐量降低、无用地重复数据包、不能获得可用的资源知识。闲聊法（Gossiping):每个节点仅发送数据包到按照时间或丢包敏感规则选定的一个邻近节点。优点是可扩展性、可适应性、模块化、适度的性能劣化，比较节能；缺点是长的汇聚传输时间、可能成环、可能导致丢失数据包、有信令开销。20WSN的网络路由协议平面路由协议－－平面路由协议基本上是通过先找到一条或几条距离或者能量比较优的路径，然后使用这些路径来进行通信，能量消耗不是平均的分布在网络的所有节点中，容易导致个别节点因能量消耗过快而失效泛洪法(Flooding)闲聊法(Gossiping)SAR协议(SequentialAssignmentRouting)SPIN(SensorProtocolforInformationviaNegotiation)定向扩散(DirectedDiffusion)层次路由协议－－通过簇头节点对收集的数据进行数据融合，有效的减少了网路中的数据包的数量，可以延长大部分节点生存期限。但数据传输是通过簇间通信完成的，这在一定程度上降低了路由选择的灵活性，不利于提高网络整体的能量效率。LEACH(Low-EnergyAdaptiveCluster-basedHierarchy)PEGASIS(Power-EfficientGatheringinSensorInformationSystem)TEEN(ThresholdSensitiveEnergyEfficientsensorNetwork)TTDD21物联网的时间同步节点间传送同步消息，利用嵌入在消息中的时钟值实现时间同步，时钟信息在MAC层中嵌入比在应用层中嵌入可避免节点内消息处理的时延的影响。RoutingMACRadio(Physical)RoutingMACRadio(Physical)SendMessageprocessingtimeReceivemessageprocessingtimeTransmittimeReceivetimePropagationtimeNon-deterministic.Evenifyouinstallsameprogramontwoidenticalnodes,theycanstillbedifferent.(interrupts)DeterministicvaluesSource:WirelessSensorNetworkAndLabsfall2010,nslab.ee.ntu.edu.tw22embeddedcurrentclockvalueintomessagesetclockvaluetothevalueinthemessageApplication:sendsyncmessage,embeddedcurrentclockvalue