物联网核心技术和知识体系.ppt

1,物联网核心技术和 知识体系,2011年5月11日,2,我们的实训核心,RFID (HF 和UHF EPC),ZIGBEE, 嵌入式WIFI ,蓝牙，无线定位和卫星数据通讯系统；,3,物联网技术开发实力,技术资源和开发工具，从源代码到价值数万美元的开发设备； 物联网开发实验室一般都具有齐备的高频无线测试设备和仪器和各种开发系统和工具。附图其中主要物联网设计需要的高频仪器和设备。,4,物联网核心技术和知识体系主要内容,第一部分为全球物联网技术4大趋势及其代表性技术的深度分析；附带介绍美国和国外相关典型最新应用和市场； 第二部分为物联网技术教学知识体系的思考：教什么？如何教？并具体示范其中一课教学“微功耗无线简单网络”；,5,物联网 核心技术/技术趋势研究/最新应用,6,物联网核心技术,目前公认的概念：物联网由传感层，网络层，应用层组成；物联网是一个比互联网更大的网络 我们的观点一：物联网的本质是网络通讯，（网状网络）是关键； 我们的观点二：物联网核心技术是无线技术，包括无线SOC、无线网络标准、无线通讯的协议栈和其它相关嵌入式软件，数据库，中间件等； 我们的观点三：无线网络通讯中的主流技术；,卫星数据通讯,7,越来越小的无线网络节点和功耗,ZIGBEE传感器网络节点 AA电池X2 5X3CM 20-30微安电流,WIFI GS1010传感器网络节点 AA电池X1 4X3CM 电池工作5年,无线监控手表 微型电池 3X3CM 平均电流10微安,有源433MHZ电子标签 CR2032钮扣电池 直径2.2X3CM 电池工作6年,1,2,3,4,5,6,电子药丸 特殊微型电池 小于直径2.0X2CM,无源EPC电子标签 无需电池 直径1.6X1.6X0.001 CM 总量0.002克,物联网传感层,8,越来越小的无线网络终端节点 带来了全新的应用和市场空间,牙刷也上物联网,无线网络节点的微型化和微功耗化，加上SOC芯片大幅度降价：16位单片机MSP430G系列，价格下降到0.25美元， 32位M0单片机，价格下降到0.5美元；无线单片机也下降到接近1美元；而且待机功耗下降到1微安以下；这样，物联网技术将以很快的速度，进入家电和消费电子市场，衍生出全新应用；手持，轻薄，网络化，微功耗是主要特点和主要卖点；,物联网上的温度计,物联网上血糖仪,物联网上的计步器,9,越来越小的无线网络路由节点 逐步实现微功耗的能量收集运行,无线传感器网络路由节点承担路由转发任务，必须要消耗一定功率，一般设计采用外加电源供电； 但是随着路由节点功耗和体积下降，使用最新的能量收集技术，作为路由节点供电可能性逐步加大； 荒漠，草原，农业环境监测，滴灌，根灌等野外传感器网，物联网应用将逐步实现；,太阳能供电路由节点示意图,振动收集供电路由节点示意图,植物收集为无线网络 路由器供电， 实现能量收集 无线传无线感器网络 示意图 可以监视野外环境 火灾报警等,10,超高频电子标签（节点）微型化： 推动UHF EPC技术新应用1,超高频电子标签微型化的主要技术原因是： 1、读卡器输出功率增加； 2、标签芯片灵敏度提高； 标签体积微型化，将带来一系列新应用,目前我们在美国实验室测试， UHF EPC无源标签读写距离 已经可以达到3040米 这意味着货物识别将具有 更大准确性，快捷性； 将有更多的商业应用 可以实现,小型药瓶,名酒酒瓶,放心猪肉,UHF标签小型化和微型化， 为防伪应用开辟了广阔的天地； 很多体积小，价格敏感的商品 将也很容易实现跟踪和识别,11,超高频电子标签（节点）微型化： 推动UHF EPC技术新应用2,长距离UHF标签智慧公交系统,UHF微型标签可以在很远的地方 被准确读取 将大大加快智慧商业应用,长距离标签,12,物联网技术趋势研究之二 无线网络覆盖范围越来越大,低轨道 卫星数据通讯,有源RFID网络,802.11S WIFI网状网,3G/4G电信网络,13,低轨道卫星数据通讯， 物联网连接更遥远,美国最近发射了第二代低轨道卫星； 卫星接收模块实现了微型化，容易实现全球集装箱，交通工具实时跟踪联网和监控；,低轨道卫星M2M油管远程监控实例,新一代低轨道卫星系统,14,长距离有源电子标签和网络 扩展RFID范围和功能,读卡器,网络化有源标签,读卡器和唤醒基站,标签具有网络 和定位功能,15,典型UHF 有源标签硬件和协议软件,UHF 有源标签工作距离： 10 - 2000 m (1.2 mi) 频率：433 MHz 速率：28 kbps 标签容量：数千个 标签具有 multi-hop, sensors, security, IPv6和很多功能,软件协议C语言 代码1万行 编译后执行代码 典型8 - 16KB,长距离有源电子标签和网络： 标签结构性能和软件,有源标签电路板,16,长距离有源电子标签和网络 广阔的应用范围和全球市场,17,802.11S WIFI网状网络 无线网络覆盖范围越来越大,802.11S网络拓扑,802.11S都市无线网络,802.11S车载无线网络,18,WI-FI 网状网实际应用举例： 智慧医院急诊室无线定位系统,802.11S路由器,802.11S 路由器2,输液器标签 WIFI SOC GS1010,工作人员标签 WIFI SOC GS1010,病人标签 WIFI SOC GS1010,1,4,3,2,5,6,19,物联网技术趋势研究之三 无线SOC结构越来越复杂,无线单片机（无线SOC）处理器内核从8位到16位，到32位到多处理器，结构越来越复杂； 不仅实现了系统在芯片，而且实现了无线网络在芯片； 我们从分析GS1010 WIFI 无线单片机来看这个技术趋势；,GS1010 WI-FI无线单片机结构,20,无线SOCGS1010 单芯片实现WIFI传感器网络节点,轻松实现WIFI无线传感器网络,21,无线SOCGS1010 嵌入软件实现WIFI传感器网络在芯片,22,无线SOCGS1010 需要完备的软件编译开发平台,USE UCOS-II 实时操作系统； KEIL 编译和调试平台； 加上完备的源代码包和软件资源；,23,物联网技术趋势研究之四 无线网络协议栈设计越来越难,低功耗蓝牙协议栈,24,IEEE-802.11 协议栈,802.11 协议栈,25,802.15.4 ZIGBEE 协议栈,ZIGBEE 协议栈,26,物联网 教学体系和知识体系,27,物联网教学体系和知识体系,前面论述了物联网核心技术和四大主要趋势，物联网教学体系和知识体系显然必须围绕这个核心技术来培养物联网人才； 我们已经初步建立了一个物联网教育体系和知识体系的框架；并且以物联网技术概论为起步，开始了12本物联网专业教材的编辑准备工作。,28,物联网技术教学体系要解决教什么？,物联网初级教育,物联网技术概论，,无线传感器网基础,RFID技术基础,教学设备开发生产企业提供支撑平台包括： 教学用物联网实验箱，大型物联网演示系统，物联网开发系统，实验实训系统和教师培训，技术支持,物联网高级教育体系,教育部 组织全国高校技术和 教育专家教授编写 系列物联网 技术专业教材 教学大纲、题库 实验指导书 系统库和考试大纲 目前已经规划 专业课教材12本,传统电子， 信息， 计算机， 通讯，控制 课程体系 桥接到 物联网核心 课程,教材编写体系,高频电路和微波、卫星通讯,3G/4G/TD远程网络和基站,蓝牙/WIFI/ZIGBEE,RFID和EPC,无线传感网和OS,广播电视和光纤网络,车载无线网络和汽车电子,29,物联网技术教学知识体系主要结构,物联网技术 基础知识体系 25个知识点 每个知识点涵盖 一个物联网 技术方向,传感层使用基础RF 2510/2480/2431 基础RF WSN/PS实验箱 网络层使用感知RF 912/2440实验箱 应用层使用创新RF 101/102系统 完成全部直观化课堂演示和实验,物联网技术 高级课程 沿着25个知识点 深度扩展 重点在协议栈 和 微功耗无线网络 核心软件,物联网专业实验室 RFID实验室 蓝牙实验室 WIFI实验室 ZIGBEE实验室等,电信网络 广播电视 光纤网络 3G/4G/TD无线基站 车载网络 WIFI 网状网络 知识点扩展,物联网技术知识库,新一代 专业实验室设备,30,物联网技术专业教材规划12本,31,物联网技术导论教材,按照物联网技术教育规划了25个知识点。 计划由年底由北理工出版社出版，作为教育部物联网技术应用工程师培训教材和高校物联网基础教材； 同时配备各种实验箱；,物联网技术导论,32,物联网技术教学必须解决如何教？,物联网知识体系前面15个知识群，是要打下必要基础，初步明白单片机，C语言编程和简单电子电路和高频电路基础； 610个知识群，是应用前面的基础，建立无线传感器网络初步概念；主要教学方法是采用C语言编程为骨干来串接无线，高频，通讯和网络技术； 1115个知识群，是进一步加入比较复杂的网状网络；网络通讯算法和原理，循序渐进，由浅入深，每将复杂的高频技术，进行难点分散到相关课程中，主要教学方法是采用C语言编程为骨干组织教学； 1725个知识群，加入物联网网络层知识，仍然主要教学方法是采用C语言编程为骨干，加入了实时操作系统的技术和概念； 以软件编程技术为核心，以无线SOC为基础，以协议栈和网状网络算法为关键，多种网络进行大范围覆盖和交互路由，这个物联网教学知识体系，完成符合物联网技术发展的4大趋势和潮流；,33,物联网技术教学知识体系知识点 15,1 高频技术基础,信号和噪声 传输和损耗 频率和频道，ISM波段 典型的无线收发系统,2 数字模拟电路,3 微控制器,4 无线SOC,5 无线数字通讯基础,多路访问，FDMA TDMA，CSMA FHSS,单片机和SOC内核 单片机C语言 编译和调试工具,34,物联网技术教学知识体系知识点610,6无线传感器,传感器技术 单片机传感器接口 无线传感器系统,7 无线网络微功耗,8 简单无线网络,9 感知层节点设计,10 无线网络拓扑,微功耗无线网络 拓扑和路由,典型无线网络协议栈 解剖麻雀,35,物联网技术教学知识体系知识点1115,11 ZIGBEE,ZIGBEE的物理层和网络拓扑； ZIGBEE的协议栈,12无线通讯加密,13 高频RFID,14 超高频RFID,15 无线定位,WIFI/ZIGBEE 无线定位,电子标签国际标准 电子标签原理 读写器原理和设计；,36,物联网技术教学知识体系知识点1721,17 标准和协调器,IEEE802.11 IEEE802.15.4 IEEE802.15.1,18 远程网络,19 M2M 网络,20 多网络路由和互联,21 数据库和中间件,程序设计语言； 数据库知识 企业级应用系统,GSM/GPRS 3G网络 TD和CDMA,多网络融合 软件设计编程技术,37,物联网技术教学具体如何做？ 典型课程“微功耗简单无线网络”,讲原理 讲理论 打基础,概念1：什么是微功耗无线无线网络？ 概念2：什么是网络拓扑？ 概念3：什么是星状拓扑？ 概念4 ：什么是节点类型？,典型的简单无线网络SimpliciTI 网络,知识点介绍： 典型的简单无线网络 SimpliciTI 网络 终端节点，路由节点，网关节点概念 各种实际拓扑和原理,38,典型课程“微功耗简单无线网络” 如何使用无线单片机构建节点？,讲电路 讲设计方法 无线网络节点电路板和模块硬件设计和高频设计知识；,无线单片机构成了SimpliciTI 网络的基本部件， 包括：网关（AP），终端节点（ED） 转发节点（RE） ，设计这些节点涉及 电路，PCB 设计，无线单片机， 天线和电磁辐射等知识综合知识点,CC2510无线单片机电路图,简单无线网络高频电路板设计,2.4GHZ天线 设计和选择,39,“微功耗简单无线网络”课堂演示,需要器材PC机1套，基础RF-1试验箱中RF2510模块,现场演示 所见所得 实际感受无线网络；,实验系统结构,PC软件直观观察和演示,基础RF-1实验箱,40,“微功耗简单无线网络” 深度课程， 解剖麻雀 理解协议栈要素,做,分析典型协议栈； 讨论关键算法和源代码实现 深度代码分析；,SimpliciTI协议栈功能结构,SimpliciTI协议栈软件分层,SimpliciTI协议栈软件接口和数据格式,41,“微功耗简单无线网络” 深度课程， 分析理解如何实验C代码写协议栈,做,协议栈C代码23万行源代码； 理解如何使用C语言代码实现一个完整的无线网络协议栈功能；,协议栈C典型源代码分析,SimpliciTI组网流程图,SimpliciTI协议栈源代码结构,NWK_DELAY(1); SMPL_Ioctl(IOCTL_OBJ_RADIO, IOCTL_ACT_RADIO_RSSI, (void *) ,42,大量实验实训让学生动手做软件硬件 设计自己的无线网络协议栈,打,使用基础RF,理想RF,感知RF进行各种动手实验实训； 目前规划4组实验，每组38个实验； 通过实验，让学生能够自己设计无线网络协议栈和相关应用；,使用在板仿真器调试和下载,C编译调试环境,课程实验组一 课后作业和实验 应用实验组二 学生练习和实训 毕业实验组三 工程项目实验 竞赛实验组四 传感器和扩展实验,协议分析仪跟踪空中数据包装,43,让学生使用简单无线网络协议栈，构建各种物联网应用项目,打,使用学习到的简单网络基本技术和协议栈，动手构建应用实训项目； 外加传感器和一些结构件，就可以构成各种应用平台和简单传感器网络；,物联网智能家居系统,物流RFID 有源标签系统,SimpliciTI 安防，无线抄表应用系统,44,参考： 物联网教学实验新产品介绍,45,基础RFPS/2510 短距离无线和无线传感实验箱,实验箱由无线龙RF-2510和PS两组产品拼装完成，以无线方式互联； PC软件进行整合，使用一套软件可以适应两套系统原来实验； 每个高校专业实验室建议配备30套； 支持无线单片机丛书全部实验和RF-2510全部实验； 产品命名：基础RF-PS/2510; 完善配合物联网技术概论教材；,RF-2510 传感器 网络节点,光盘,C51RF 仿真器,RF2510 网关 模块,PS 节点 模块,PS 网关 模块,PS 扩展模块,RF-2510 传感器 网络节点,RF-2510 传感器 网络节点,RF-2510 传感器 网络节点,PS 扩展模块,PS 扩展模块,PS 节点 模块,PS 节点 模块,PS 扩展模块,46,基础RFWSN/2431/2480 ZIGBEE/无线定位/传感网实验箱,实验箱由无线龙RF-2480和C51RF-WSN两组产品拼装完成，WSN节点改用CC2530以无线方式互联； PC软件进行整合，使用一套软件可以适应两套系统原来实验； 每个高校专业实验室建议配备30套； 产品命名：基础RF-WSN/2480/2431 完善配合物联网技术概论教材；,RF-2480 传感器 网络节点,光盘,C51RF 仿真器,DA300 模块,RF-2480 网关 模块,PS 节点 模块,WSN 网关 模块,RF-2480 传感器 网络节点,RF-2480 传感器 网络节点,RF-2480 传感器 网络节点,WSN DA100 模块,WSN DA100 模块,WSN DA100 模块,WSN DA100 模块,WSN DA100 模块,47,创新RF-101 嵌入式WIFI实训实验箱,实验箱由两组GS1010/GS1011传感