《物联网概论》PPT课件.ppt

物联网概论 第二讲 物联网感知层技术,传感器是各种信息处理系统获取信息的一个重要途径。在物联网中传感器的作用尤为突出，是物联网中获得信息的主要设备。 作为物联网中的信息采集设备，传感器利用各种机制把被观测量转换为一定形式的电信号，然后由相应的信号处理装置来处理，并产生响应的动作。 2.1 常见传感器简介 常见的传感器包括温度，压力，湿度，光电，霍尔磁性传感器，等等。,2.1.1 温度传感器 常见的温度传感器包括热敏电阻，半导体温度传感器，以及温差电偶。 热敏电阻主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性，根据材料的不同，热敏电阻可以用于设备的过热保护，以及温控报警等等。 半导体温度传感器利用半导体器件的温度敏感性来测量温度，具有成本低廉，线性度好等优点。 温差电偶则是利用温差电现象，把被测端的温度转化为电压和电流的变化；由不同金属材料构成的温差电偶，能够在比较大的范围内测量温度，例如-200 2000。,温差电偶,热敏 电阻,半导体温度 传感器,下面介绍铂电阻温度传感器的原理与特性 铂电阻温度传感器是一种用途广泛的高精度温度传感器具有温度敏感性，其外观以及典型电阻-温度特性如下图所示,如上图中的电阻-温度特性曲线所示，铂电阻在很宽的温度范围内，其电阻与温度具有良好的线性特性，非常适合作为温度传感器来使用。对于PT100系列铂电阻温度传感器，在0850范围内，电阻阻值与温度的关系为,其中,2.1.2 压力传感器 常见的压力传感器在受到外部压力时会产生一定的内部结构的变形或位移，进而转化为电特性的改变，产生相应的电信号。,一种车用电容式压力传感器,Honeywell 24PC 压力传感器及其内部结构,2.1.3 湿度传感器 湿度传感器主要包括电阻式和电容式两个类别。 电阻式湿度传感器也成为湿敏电阻，利用氯化锂，碳，陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿度。 电容式湿度传感器也称为湿敏电容，利用材料的介电系数的湿度敏感性来探测湿度。,一种电容式湿敏传感器结构图,一种电阻式陶瓷湿敏传感器结构图,几种湿度传感器,2.1.4 光传感器 光传感器可以分为光敏电阻以及光电传感器两个大类。 光敏电阻主要利用各种材料的电阻率的光敏感性来进行光探测。 光电传感器主要包括光敏二极管和光敏三极管，这两种器件都是利用半导体器件对光照的敏感性。光敏二极管的反向饱和电流在光照的作用下会显著变大，而光敏三极管在光照时其集电极、发射极导通，类似于受光照控制的开关。此外，为方便使用，市场上出现了把光敏二极管和光敏三极管与后续信号处理电路制作成一个芯片的集成光传感器。 光传感器的不同种类可以覆盖可见光，红外线（热辐射），以及紫外线等波长范围的传感应用。,光敏电阻结构图与实物,光敏三极管,集成光传感器,2.1.5 霍尔（磁性）传感器 霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感器。霍尔效应是指：把一个金属或者半导体材料薄片置于磁场中，当有电流流过时，由于形成电流的电子在磁场中运动而收到磁场的作用力，会使得材料中产生与电流方向垂直的电压差。可以通过测量霍尔传感器所产生的电压的大小来计算磁场的强度。,霍尔效应,霍尔传感器,霍尔传感器结合不同的结构，能够间接测量电流，振动，位移，速度，加速度，转速等等，具有广泛的应用价值。,基于霍尔器件的精密电流传感器,霍尔转速传感器,霍尔液位传感器,霍尔流速传感器,2.2 微机电（MEMS）传感器 微机电系统的英文名称是Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS，是一种由微电子、微机械部件构成的微型器件，多采用半导体工艺加工。目前已经出现的微机电器件包括压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等等。微机电系统的出现体现了当前的器件微型化发展趋势。 2.2.1 微机电压力传感器 某轮胎压力传感器的内部结构以及外观如下图所示。该压力传感器利用了传感器中的硅应变电阻在压力作用下发生形变而改变了电阻来测量压力；测试时使用了传感器内部集成的测量电桥。,传感器外形,MEMS压力传感器结构,传感器中集成的测量电桥,2.2.2 微机电加速度传感器 微机电加速度传感器主要通过半导体工艺在硅片中加工出可以在加速运动中发生形变的结构，并且能够引起电特性的改变，如变化的电阻和电容。,应变电阻式MEMS加速度传感器的平面与刨面结构图,电容式MEMS加速度传感器的结构图,2.2.3 微机电气体流速传感器 以下图片中的气体流速传感器可以用于空调等设备的监测与控制。,气体流速传感器显微照片,气体流速传感器结构图,无气流时的温度分布,有气流时的温度分布,2.3 智能传感器 智能传感器（smart sensor）是一种具有一定信息处理能力的传感器，目前多采用把传统的传感器与微处理器结合的方式来制造。 如下图所示，在传统的传感器构成的应用系统中，传感器所采集的信号通常要传输到系统中的主机中进行分析处理；而由智能传感器构成的应用系统中，其包含的微处理器能够对采集的信号进行分析处理，然后把处理结果发送给系统中的主机。,智能传感器能够显著减小传感器与主机之间的通信量，并简化了主机软件的复杂程度，使得包含多种不同类别的传感器应用系统易于实现；此外，智能传感器常常还能进行自检、诊断和校正。,2.3.1 智能压力传感器 下图显示的是Honeywell公司开发的PPT系列智能压力传感器的外形以及内部结构。,传感器内部结构,PPT系列智能压力传感器,下面是一种车用智能压力传感器的芯片布局图。该芯片中把微机电压力传感器，模拟接口、8位模-数转换器、微处理器（摩托罗拉69HC08）、存储器、以及串行接口 （SPI）等集成在一个芯片上，主要用于汽车的各种压力传感。,CPU,2.3.2 智能温湿度传感器 下面显示的是 Sensirion公司推出的SHT11/15温湿度智能传感器的外形，引脚，以及内部框图。,2.3.3 智能液体浑浊度传感器 下面显示的是Honeywell公司推出的AMPS-10G型智能液体浑浊度传感器的外形，测量原理，以及内部框图。,数据采集方式的发展过程,2.5 一维与二维条码 条形码是一种信息的图形化表示方法，可以把信息制作成条形码，然后用相应的扫描设备把其中的信息输入到计算机中。条形码分为一维条码和二维条码，下面分别介绍。 1. 一维条形码 条形码或者条码（barcode）是将宽度不等的多个黑条和空白，按一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。常见的一维条形码是由黑条（简称条）和白条（简称空）排成平行线图案。条形码可以标出物品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期以及图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息，因此在商品流通、图书管理、邮政管理、银行系统等很多领域得到了广泛的应用。,一维条形码,条形码扫描器,2. 二维条形码 通常一维条形码所能表示的字符集不过10个数字、26个英文字母及一些特殊字符，条码字符集最大所能表示的字符个数为128个ASCII字符，信息量非常有限，因此二维条形码诞生了。 二维条形码是在二维空间水平和竖直方向存储信息的条形码。它的优点是信息容量大，译码可靠性高，纠错能力强，制作成本低，保密与防伪性能好。以常用的二维条形码PDF417码为例，可以表示字母、数字、ASCII字符与二进制数；该编码可以表示1850个字符/数字，1108个字节的二进制数，2710个压缩的数字；PDF417码还具有纠错能力，即使条形码的某个部分遭到一定程度的损坏，也可以通过存在于其他位置的纠错码将损失的信息还原出来。,2009年12月10日，我国铁道部对火车票进行了升级改版。新版火车票明显的变化是车票下方的一维条码编程二维防伪条码，火车票的防伪能力增强。进站口检票时，检票人员通过二维条码识读设备对车票上的二维条形码进行识读，系统自动辨别车票的真伪并将相应信息存入系统中。下面给出了我国使用的一维条形码与二维条形码火车票的比较。,作为一种比较廉价实用的技术，一维条码和二维条码在今后一段还会在各个行业中得到一定的应用。然而，条形码表示的信息依然很有限，而且在使用过程中需要用扫描器以一定的方向近距离地进行扫描，这对于未来物联网中动态、快读、大数据量以及有一定距离要求的数据采集，自动身份识别等有很大的限制，因此需要采用基于无线技术的射频标签（RFID）。,磁卡（magnetic card）：一种卡片状的磁性记录介质，利用磁性载体记录字符与数字信息，用来识别身份或其他用途。,IC卡（integrated circuit card）：也叫做智能卡（smart card），它是通过在集成电路芯片上写的数据来进行识别的。IC卡与IC卡读写器，以及后台计算机管理系统组成了IC卡应用系统。,2.6 RFID RFID 的全称为 Radio Frequency Identification， 即射频识别，俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，主要用来为各种物品建立唯一的身份标识，是物联网的重要支持技术。 2.6.1 系统组成 RFID 的系统组成包括：电子标签，读写器（阅读器），以及作为服务器的计算机。其中，电子标签中包含RFID芯片和天线，如下图所示。,RFID系统组成,电子标签外观,电子标签的结构,天线,RFID芯片,2.6.2 RFID系统原理 每个RFID芯片中都有一个全球唯一的编码；在为物品贴上RFID标签后，需要在系统服务器中建立该物品的相关描述信息，与RFID编码相对应。 当用户使用RFID阅读器对物品上的标签进行操作时，阅读器天线向标签发出电磁信号，与标签进行通信对话，标签中的RFID编码被传输回阅读器，阅读器再与系统服务器进行对话，根据编码查询该物品的描述信息。 RFID标签分为有源和无源标签，有源标签采用电池供电，工作时与阅读器的距离可以达到10m以上，但成本较高，应用教少；目前实际应用中多采用无源标签，依靠从阅读器发射的电磁场中提取能量来供电，工作时与阅读器的距离大约在1m左右。,各种形状,RFID与其他方式的比较,RFID标准之争,目前，世界一些知名公司各自推出了自己的很多标准，这些标准互不兼容，表现在频段和数据格式上的差异，这也给RFID的大范围应用带来了困难。 目前全球有两大RFID标准阵营：欧美的Auto-ID Center与日本的Ubiquitous ID Center（UID）。 欧美的EPC标准采用UHF频段，为860MHz930MHz，日本RFID标准采用的频段为2.45GHz和13.56MHz；日本标准电子标签的信息位数为128位，EPC标准的位数则为96位。,ISO18000系列含括了有源和无源RFID技术标准，主要是基于物品管理的RFID空中接口参数。 ISO 17363 至17364 是一系列物流容器识别的规范，它们还未被认定为标准。 ISO 14443和ISO 15693标准在1995年开始操作，其完成则是在2000年之后，二者皆以13.56MHz交变信号为载波频率。ISO 15693读写距离较远，而ISO 14443读写距离稍近，但应用较广泛。目前的第二代电子身份证采用的标准是ISO 14443 TYPE B协议。ISO 14443定义了TYPE A、TYPE B两种类型协议，通信速率为106kbit/s。 ISO 14443-3规定了TYPE A和TYPE B的防冲撞机制。 ISO 15693采用轮寻机制、分时查询的方式完成防冲撞机制。 ISO技术委员会及联合工作组TC104/SC4主要处理有关ISO/IEC贸易应用方面，如货运集装箱及包装，制定了 RFID电子封条 (ISO 18185)、集装箱标签(ISO 10374)和供应链标签 (ISO 17363)等标准。,RFID标准分类： 技术标准、数据标准、性能标准、应用标准,RFID相关标准的社会影响因素 （1）无线通信管理如ETSI（欧洲电信标准协会)，FCC（美国联邦通信委员会）； （2）人类健康主要是ICNIRP（国际非电离辐射保护委员会)，一个为世界卫生组织及其他机构提供有关非电离放射保护建议的独立机构的相关要求，目前许多国家使用其推荐的标准作为该国的放射规范标准。其主要是有关工作频率、功率、无线电波辐射等对健康的影响标准。 （3）隐私。隐私问题的解决基于同意原则，即用户或消费者是否能够容忍的程度。 （4）数据安全OECD （经济合作与发展组织)曾发布有关文件，规定了信息系统和网络安全的指导方针。与ISO 17799（信息安全管理的实践代码） 相似，并不强制要求遵从这些指导方针，但这些指导方针却为信息安全计划提供了坚实的基础。,2.6.3 RFID 应用 RFID的典型应用领域包括：门禁考勤，图书馆，医药管理，仓储管理，物流配送，产品防伪，生产线自动化，身份证防伪，充物身份识别，等等。 两个RFID的应用案例 1. 铁路车号自动识别系统（ATIS） 国内最早应用RFID的系统，也是应用RFID范围最广的系统，开发于上世纪90年代中期；该系统可实时，准确无误地采集机车、车辆运行状态数据，如机车车次、车号、状态、位置、去向和到发时间等信息，实时追踪机车车辆；该系统已遍及全国及18个铁路局、7万多公里铁路，超过55万辆机车和车厢安装了无源RFID标签。 2. 北京奥运会门票 北京奥运会期间，共发售了1600万张RFID门票；这种门票防伪性能良好，观众入场时手持门票通过检票设备即可，省去了人工验票过程；门票使用了国内自主开发的最小的RFID芯片，芯片最小面积0.3平方毫米，厚度最小达到50微米，可嵌入到纸张内。,2.4 传感器网络 传感器网络是一种由传感器节点组成的网络，其中每个传感器节点都具有传感器，微处理器，以及通信单元，节点之间通过通信联络组成网络，共同协作来监测各种物理量和事件。 目前已经出现的传感器网络使用各种不同的通信技术，其中又以无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）发展最为迅速，被列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一，受到了普遍的重视。,无线传感器网络,几种传感器节点,传感器节点硬件结构,传感器网络协议栈,2.4.1 无线传感器网络的特点 低成本、低功耗、低速率、短距离 节点能量有限 节点通信能力有限 节点计算能力有限 传感器节点数量大且分布范围广 网络动态性强 自组织网络 感知数据流量大 以数据为中心 应用相关,挑战,由于WSN的特点及其广阔的应用前景，WSN已经成为21世纪的一个新研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性问题! 网络通信 基础设施 中间件技术 数据管理技术 节点技术及其嵌入式软件系统,WSN的网络通信,物理层研究内容：核心问题是节省能量! 传输介质选择：无线电、红外线、光波 传输频段选择：433MHz、915、916MHz、2.4GHz 无线电收发器的设计：TI 2420/2520/2430、Microchip、Freescale、Dordic 调制方式：PSK、FSK,WSN的网络通信,数据链路层：数据链路层的研究主要集中在MAC协议方面! 研究重点依然是如何节省能量! 基于随机竞争的MAC协议：S-MAC，T-MAC 基于TDMA的MAC协议：DEANA、TRAMA、DMAC、SMACS、ERA、Dozer,WSN的网络通信,网络层路由协议：基于聚簇的路由协议、基于地理位置的路由协议、能量感知路由协议、以数据为中心的路由协议、容错路由协议 基于聚簇的路由协议：LEACH、PEGASIS、TEEN 基于地理位置的路由协议：贪心路由协议、GPSR（右手规则）、GEM、MAP、LCR等 以数据为中心的路由协议：定向扩散路由协议、Rumor-routing、TTDD支持移动sink（网格） 能量感知路由协议：能量感知路由协议、GEAR 待研究的问题：节能与通信服务质量的平衡、支持拓扑结构频繁改变的路由协议、面向应用的路由协议、安全路由协议等问题,WSN的网络通信,传输层协议： 当WSN与Internet或其他网络相连接时，传输层协议尤其重要。WSN的能量受限性、节点命名机制、以数据为中心等特征，使其传输控制很困难。WSN的传输层需要特殊的技术和方法。 目前关于WSN传输层方面的研究非常少。,WSN的基础设施研究,拓扑控制 时间同步 节点定位 能量管理 网络安全 QoS管理 ,WSN的基础设施研究,拓扑控制: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。 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。 WSN拓扑控制的研究仍需深入，要以实际应用为背景，研究多种机制，强调网络拓扑控制的自适应和鲁棒性，在保证网络连通性和覆盖度的前提下提高网络通信效率，最大限度地节省能量，延长网络的生存期。,WSN的基础设施研究,时间同步 定期向相邻节点广播RBS，POST-FATO(RBS改进，有事件才同步) 全网络时间同步的机制TPSN，轻量级时间同步算法mini-Sync和tiny-sync，一种实现全网络时间同步的机制DMTS，计算开销小，需要传输的消息条数少，能够与外部标准时间同步，但同步精度较低。 在TPSN的基础上提出了LTS同步机制，只需要与其父节点同步，同步次数是节点与根节点距离的线性函数，降低了交换信息量。 洪泛时间同步机制，综合考虑了能量感知、可扩展性、鲁棒性、稳定性等方面的要求。 待解决的关键问题：同步精度与能量有效性之间的平衡、局部同步和全网同步之间关系、抗外来侵扰的同步机制、同步机制的性能估计、安全时间同步机制等。,WSN的基础设施研究,传感器节点定位：基于测量距离的定位方法、与测量距离无关的定位方法。 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。测距技术主要有如下4种：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：主要包括APIT算法、质心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法。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!,WSN的基础设施研究,节点定位问题的研究还很不完善，基于测量距离的定位方法需要附加的硬件设备，与测量距离无关的定位方法精度低!目前还有很多关键问题需要解决，如定位精度评估、信标节点自身位置误差对定位精度的影响、测量距离的误差对定位精度的影响、网络拓扑结构对定位的影响等问题!,WSN的基础设施研究,网络安全：密钥管理、身份认证和数据加密方法、攻击检测与抵御、安全路由协议和隐私问题。 密钥管理、身份认证和数据加密 由于资源消耗较大，公钥密码系统无法应用于WSN!目前使用的主要是基于密钥预分配的对称加密技术和利用基站管理密钥的非对称加密技术!预分配密钥方法的缺点是无法有效地支持节点的加入；而且，当部分节点被敌方捕获后预分配的密钥也将失效! TinySec发现RC5和Skipjack适合于在嵌入式控制芯片上利用软件实现! 攻击检测与抵御 在许多WSN的应用中，传感器节点常常布置在人们易于接近的环境中!因此，容易受到各种恶意的攻击，例如干扰服务、节点捕获等! 安全路由 在WSN中的路由协议有很多安全弱点，容易受到攻击!敌方可以向WSN中注入恶意的路由信息使网络瘫痪。 隐私 WSN的隐私包括位置隐私、时间隐私和数据隐私!,WSN的基础设施研究,WSN安全问题的研究工作相对较少，亟待解决的挑战性问题还很多，如使用有限内存空间管理大量预分配密钥、支持新节点加入的密钥预分配技术、低能耗加密方法、入侵模型和入侵抵御方法、安全路由方法、安全网内数据处理技术等问题!,WSN的基础设施研究,QoS管理 WSN的服务质量QoS是其可用性的关键!所以,QoS管理的理论和技术是一个重要的研究领域! 一种基于中间件的QoS机制，支持多Sink的多种QoS需求，利用节点的冗余保障网络操作的容错性，并能够以较低的开销为应用提供实时性服务! 路由协议的QoS问题，提出一个包发送协议，称为多路径多速度路由协议，保证路由的实时性和可靠性!该协议通过设置多包发送速度，提供多级别的实时保证!通过选择多路径，提供各种各样的可靠性保证! 把网络连通可靠性和感知覆盖度结合起来作为WSN的QoS度量，提出评估这种面向覆盖的WSN可靠性的方法! WSN的QoS管理问题很多，研究成果较少，需要系统深入的研究!,WSN的中间件技术,WSN中间件是位于操作系统和应用软件之间的软件系统! 目前主要集中在两个方面： 一是问题的识别和探索；二是部分算法和中间件组件的研究!,WSN的中间件技术,NEST是一个实时网络协同和控制中间件组件，它把操作系统与应用程序员之间的界面抽象为一个高级界面，能够完成服务的自复制、迁移、分组等操作! 中间件组件MiLAN实现了以满足应用系统性能要求为目标的网络资源动态管理机制! Mate是一个建立在TinyOS之上的中间件组件，提供了单个传感器节点上的高级程序界面，以通信为中心，支持WSN经常性的重编程工作! Agilla中间件系统提高了网络的灵活性，同时还简化了应用的开发，并实现了多个应用共享同一个WSN! 中间件系统框架TinyCUBUS，包含一个数据管理框架、一个交叉层框架和一个配置引擎!数据管理框架允许动态选择和调整系统及数据管理部件!交叉层框架支持数据共享和各部件之间的交互，目的是提供交叉层优化!配置引擎通过考虑节点的拓扑和功能来可靠地高效地分布代码!,WSN的数据管理关键技术,WSN以数据为中心的特点使得WSN与数据库系统类似：WSN可视为一个数据空间或数据库，面向的是以数据为中心的查询!于是，数据库研究者开始采用数据库系统的研究方法来研究WSN，目前主要集中在感知数据的存储与索引技术、WSN数据查询处理技术!,WSN的数据管理关键技术,存储与索引技术 在WSN内存储感知数据的方法和感知数据索引技术对WSN数据查询处理的性能具有重要影响!人们提出了一些新技术和方法! 数据查询处理技术 WSN数据的查询处理技术的研究主要集中在连续查询和近似查询的处理方面! 数据管理系统 加利福尼亚大学伯克力分校研究开发了TyniDB系统；康奈尔大学研究开发了Cougar系统! 这些系统都是基于关系模型的数据管理系统，把整个网络定位为一个关系表!这些系统与传感器节点的物理地址密切相关，与WSN以数据中心的特征背道而驰，也不适用于拓扑结构变化频繁的WSN。,WSN的数据管理关键技术,WSN数据管理技术的研究尚待深入，数据模型的研究成果无法表达感知数据的语意，不适合感知数据的特点；数据操作算法的研究仅考虑了聚集操作，大量的数据操作算法无人问津；WSN应用中最经常使用的实时查询的优化与处理没有被考虑；支持数据管理的通信协议至今很少见，等等!,WSN节点及其嵌入式软件系统,传感器节点的研究主要包括硬件设计和嵌入式软件系统两个方面! 在传感器节点硬件方面：新传感器概念、理论和技术；新型感知材料和装置的研究，如化学感知材料和装置、生物感知材料和装置等；以降低能耗为核心，把传感器、计算部件、存储部件、通信部件集成为微型传感器! 在嵌入式软件系统方面的研究成果主要是嵌入式操作系统!加利福尼亚大学伯克力分校研究开发了一个传感器节点操作系统TyniOS，有3个主要的特点：基于组件的架构、基于事件和任务的并发模式、独立的状态操作!加利福尼亚大学洛杉矶分校研究了传