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无线传感器网络研究报告目录一各频段频谱管理及微功率技术二微功率技术的行业应用三无线传感器网络频谱检测技术一各频段频谱管理及微功率技术1、无线电各频段的频谱划分2、不同国家的频谱管理3、代表性的技术标准国际联盟、典型商业公司系列产品4、重点介绍了无线传感器网络应用领域较为广泛成熟和具有巨大潜力的微功率技术5、中国微功率技术标准化及应用现状1、电磁频谱划分1.1超/极低频（ELF）1、频谱划分•美国：3赫～3千赫•音频电波：频率从300赫到3000赫2、特点1、频率低，在海水中的衰减比其他频段都小2、音频电波可用于水下核潜艇的指挥通信3、总体上，频率低于30KHz的超/极低通信频段，由于技术难度大而极少未用1.2特低频/甚低频/低频•特低频（ELF）1、300Hz到3000Hz2、通常于矿场内使用，也可作勘探地质和地震•甚低频（ELF）1、3KHz到30KHz2、潜艇通讯、无线心跳频率检测器及地球物理学研究•低频（LF）1、30KHz到300KHz2、卫星导航系统（差分全球定位系统）、国际广播以及AM广播1.3中频/高频/甚高频•中频（MF）1、300kHz到3000kHz2、多数作AM电台•高频（HF）1、3MHz到30MHz2、多数是用作民用电台广播及短波广播•甚高频（VHF）1、30MHz到300MHz2、多数是用作电台及电视台广播，同时又是航空和航海的沟通频道1.4特高频（UHF）1、指频率由300MHz到3GHz2、频谱细分•军用航空无线•手机（800MHz，1.5GHz）•无线网络（2.4GHz）•蓝牙（2.45GHz）•业余无线电（430MHz、1200MHz、2400MHz）•模拟电视及数码电视广播（470MHz～770MHz）从理论上来讲，2.4GHz是工作在ISM频段的一个频段。ISM频段是工业、科学和医用频段。一般来说世界各国均保留了一些无线频段，以用于工业、科学研究和医疗方面的应用。1.4特高频（UHF）2.4GHz频段的主要技术及其技术规格如图所示，目前Wi-Fi联盟所公布的认证种类繁多，蓝牙技术使用与ISM相同的频段属于共用频段，存在干扰问题。WirelessUSB已被设计为一个电缆的计算机输入设备（鼠标，键盘等），也将目标瞄准了无线传感器网络。ZigBee为一个用于设计传感器和控制网络的标准化解决方案。1.5极高频（EHF）•30~300GHz•气象雷达、空间通信、射电天文等方面•60GHz频段无线短距通信技术1、具有速度高，频带宽，不易受干扰，保密性好和频谱复用率高等优点2、将成为下一代无线通信技术的一个重要发展方向3、专利的分布--索尼：应用方面；博通：系统方面；IBM：射频方面；中国在60GHz方面的专利并不多1.6极高频（EHF）•UWB1、包括一系列由美国联邦通信委员会（FCC）批准的技术，可以在3.1GHz~10.6GHz之间的7GHz频谱（与其它用户共享）内传输极低功率的信号。2、UWB无线通信实现的挑战在于如何充分利用其频宽来提供高数据速率，同时确保这种解决方案与802.11n等技术相较具有更低的成本。小结--短距离无线通信技术对比1.7中国微功率设备状况1、射频识别（RFID）2、抄表器3、2.4GHz频段微功率技术射频识别（RFID）1、物联网四大关键技术之首2、物流与供应链管理、公共管理、信息公共服务、智能交通、食品安全跟踪追溯等领域3、国内外基于RFID技术的应用呈现出从试点应用、闭环应用向规模应用、开环应用方向发展的趋势RFID中国标准化情况1、处在研发起步阶段2、第二代身份证就是采用RFID技术3、目前已完成标准草案的工作4、制订了《集成电路卡模块技术规范》、《建设事业IC卡应用技术》等应用标准，并得到了广泛应用5、中国800/900MHzRFID技术的试用频率为840~845MHz和920~925MHz,发射功率为3W抄表器1、频段470~510MHz2、基于Ad-hoc和Mesh(网状)网络设计理念3、机制：采用动态适应的受控、自组织网络，自动跳频，自动多级路由，载渡侦听与冲突避让机制抄表器应用概况1、居民电表数据抄收方式有485总线抄表、低压电力线载波抄表，近几年涌现出民用无线抄表等2、低压电力线载波技术占据了主流地位，可以克服低压载波面临的难题。3、可实现跨电压等级、跨台区抄表，传输速率快(数据传输速率可达37600bit／s)，实时性高，可为智能电网的末端管理提供更强的通信能力，实现“远程售电”、“远程费控”、“阶梯电价调整”等远程管理功能。2.4GHz频段技术中国无线电委员会对2.4GHz频段的管理办法:1、蜂窝移动通信（1）工作频段：1710-1755MHz和1805-1850MHz2、蜂窝移动通信（2）工作频段：1865-1880MHz和1945-1960MHz3、无线接入（FDD方式）工作频段：1800-1990MHz和1960-1980MHz2.4GHz频段技术4、无线接入（TDD方式）工作频段：1900-1920MHz5、扩频数据通信工作频段：2400-2483.56、多路微波有线电视传输系统（MMDS）工作频段：2533-2599MHz2.4GHz频段技术7、无线电定位工作频段：2300-2690MHz8、微波接力通信工作频段：2300-2690MHz9、工业、科学、医疗设备无线电磁波辐射频段：2400-25002.4GHz频段技术2.4GHz技术在中国的应用状况分析Wi-Fi应用状况分析:电信运营商:市场保持40％左右的增长速度(2008-2010)55％以上的增长速度(2011)中国移动:WIFI和3G尚不能自由切换，3G按流量收费,而WIFI按时收费中国联通:WIFI热点主要来自原中国网通2.4GHz频段技术Zigbee应用状况分析:Zigbee技术与中国智能家居的应用堪称“天作之合”，主要原因：低成本，先进成熟的国际标准，无线网络的解决方案突破了安装方式的难题，技术本身就是用于简单控制，许多知名品牌企业选择了ZigBee。二微功率技术的行业应用•代表性的技术标准国际联盟•典型商业公司系列产品•无线传感器网络应用领域较为广泛成熟和具有巨大潜力的微功率技术•交通、家居、生态农业、环境保护、仓储物流、工业电力、医疗卫生、军用领域2.1智能交通•智能交通方面的应用，从基本实现方式来看，只是分为预测和控制两个功能，预测是为控制服务，提供数据，而控制又反作用于预测。•无线传感器网络是很适合作为交通控制系统的检测手段•实时交通流采集传感器网络布点技术•交通导航和信息发布系统•应用前景：交通数据采集交通信息智能交通信号控制停车管理综合信息服务平台智能公交与轨道交通车载导航系统交通诱导系统安全与自动驾驶综合信息平台技术2.2、家居方面•智能家居--综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设备集成2.2、家居方面•目前来看，物联网和ZigBee技术在智能家居、工业监测和健康保健等方面的应用有很大的融合性。•用于智能家居的无线系统需要满足几个特性：低功耗、稳定、易于扩展并网；至于传输速度显然不是此类应用的重点。目前几种可用于智能家居的无线方式如下：1、蓝牙2、WiFi3、ZIGBEE2.2、家居方面•Control4智能家居系列产品1、专业智能家居研发、生产、销售2、年销量100万台基于ZIGBEE家庭自动化产品3、世界领军品牌国内：南京互联传感、华为等Control4智能家居系列Zigbee技术应用场景2.3生态农业•农业一般应用是将大量的传感器节点构成监控网络，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置无线传感器网络应用于温室环境信息采集和控制2.4环境保护•从总体上看，国外发达国家如欧美日韩等国面向环境保护物联网的发展代表了国际先进水平，其产业链已经初步形成•实例：美国ALERT系统中利用多种传感器来监测降雨量、河位水位和土壤水分，并依此预测爆发山洪暴发的可能性。•实例：澳洲的CSRIOICT研究中心将节点安置在动物身上对动物的生理状况(脉搏、血压)和外界环境进行检测，研制成完善的草地放牧与动物模型。•实例:上海交通大学自动化系基于气体污染源浓度衰减模型，开展了气体源预估定位系统。同样，该项技术也可推广到放射性元素、化学元素等的跟踪定位中。2.5仓储物流•主要技术：采用传感器、RFID、条码、激光、红外、蓝牙、语音及视频监控等感知技术•基于条码的自动识别技术具有广泛应用外，“电子标签辅助拣选系统”也有一定的应用2.5仓储物流著名的沃尔玛连锁店已经投入资金，在其货物上加装无线传感器节点和射频识别条形码芯片（RFID),以保证其各类货物处在最佳的储藏环境，同时，使该公司和供应商能够跟踪从生产到收款台的商品流向2.6工业电力1、一些危险的工业环境如井矿、核电厂等的安全监测以及工业自动化生产线等诸多领域2、煤矿、石化、冶金行业对工作人员安全、易燃、易爆、有毒物质的监测的成本一直居高不下，无线传感器网络把部分操作人员从高危环境中解脱出来的同时，提高险情的反应精度和速度。2.6工业电力煤炭行业对先进的井下安全生产保障系统的需求巨大。线传感器网络对运动目标的跟踪功能、对周边环境的多传感器融合监测功能，使其在井下安全生产的诸多环节有着很大的发展空间。图2-12为北京邮电大学研制的煤矿安全检测与定位系统示意2.7医疗卫生•例如利用现代电子信息技术，逐步建立远程诊断和会诊系统，逐步解决县医院诊断问题•案例美国：“应对老龄化社会技术项目”--基于无线传感器网络技术的人体行为监测系统基于无线传感器网络技术的人体行为监测系统每个传感器节点上包括了温度、湿度、光、红外传感器及声音传感器，部分节点使用了超声节点。根据这些节点收集到信息，监控界面实时显示人员的活动情况。2.8军用方面•无线传感器网络可以协助实现有效的战场态势感知，满足作战力量“知己知彼”的要求•白宫的信息技术专家介绍，计算机、通信及小型化技术进步正引导美军进入一个新时代，在防御技术上产生“革命性”效果。•典型应用模式可分为两类，一类是传感器结点监测环境状态的变化;一类是由管理中心发布命令给某一区域的传感器结点，传感器结点执行命令并返回相应的监测数据。2.8应用实例--智能微尘(smartdust)---由微处理器、无线电收发装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成---智能微尘的远程传感器芯片能够跟踪敌人的军事行动，可以把大量智能微尘装在宣传品、子弹或炮弹中，在目标地点撒落下去，形成严密的监视网络，敌国的军事力量和人员、物资的流动自然一清二楚。三无线传感器网络频谱检测技术•背景介绍•研究热点分析•频谱检测技术分析•频谱检测系统的关键技术•检测技术发展趋势无线传感器网络频谱检测背景介绍频谱资源在传统上是由政府部门以固定的方式划分成不同的频段，并对频段颁发牌照来分配给授权用户(licenseduser)使用的。这种频谱资源的固定分配方式的目的是为了保证各个频段的用户不受到相互干扰。由于无线通信业务的迅猛增加和无线通信技术的飞速演进，有一种矛盾显得日益突出，这就是如何更有效地利用频谱资源的问题。美国联邦通信委员(FCC)会关于频谱使用情况的报告如下图所示：频谱使用状况无线传感器网络频谱检测技术研究热点分析高灵敏度接收机智能信息处理可重配置平台组网技术检测系统的设计要求检测系统结构频谱检测的信号处理方法频谱检测融合算法频谱检测的统计分析频谱检测技术分析检测系统的设计要求低时延较高的通信效率能量高效较低的计算复杂度鲁棒性强检测系统结构•并行结构检测系统结构•并行结构有融合中心的并行结构，分散在检测区域的传感器节点感知信号，经本地判决后独立地将判决结构发送到融合中心，融合中心将数据处理后发送给用户。优点：由于融合中心对数据进行了融合，使得通信开销减小，当节点数目增加时检测性能相应提高。缺点：使得部分数据丢失，检测性能受到影响。无融合中心的并行结构，节点将检测数据经本地判决后直接发送给用户，由于用户收到的是全部检测数据，使得检测性能得到保