WSN、RFID与物联网.ppt

无线传感网、RFID与物联网WSN、RFIDProceedingsofTheIEEE:2003,91(8);IEEEWirelessCommunications:2004,Dec.;IEEESignalProcessingMagazine:2006,23(4);WSN相关的国际会议WirelessCommunicationsandNetworkingConferenceWirelessCommunications,NetworkingandMobileComputingISCITICASSPISSCS,无线传感器网络现状,2002年Berkeley大学启动NEST计划，开发NEST(NetworkEmbeddedSystemsTechnology)开放式软、硬件实验平台，加速发展面向应用多样化的算法、服务和体系构架。美国国防高级研究计划局DARPA(DefenceAdvancedResearchProjectAgency)意识到传感器网络的巨大应用价值。10年前启动了分布式传感器网络计划DSN（DistributedSensorNetworksprogram），2001年启动传感器信息技术计划SensIT（SensorInformationTechnologyprogram）。2004年在美国国家自然科学基金NSF、国家健康协会NHA资助下，哈佛大学启动CodeBule平台研究计划，把无线传感器网络技术应用于医疗事业领域，包括医疗救急、灾害事故的快速反应、病人康复护理等方面。2003年Intel和BerkeleyUniver.研究中心启动WSN异构传感器网络研究嵌入式处理在异构网络中的应用。其中，MOTE计划开发下一代自组织WSN节点，设计出更强处理能力、更大存储容量、更高带宽和可靠射频能力的节点。TASK计划研发TinyApplicationSensorKit（TASK），为用户快速开发和部署WSN应用，提供简单实用的开发套件。,无线传感器网络现状,欧洲2002年启动EYES研究计划,EYES研究计划的体系结构,无线传感器网络的发展现状,欧洲EYES计划构造的传感器网络节点平台,WSN标准化工作,无线传感器网络研究现状,2004年国家自然科学基金委员会将无线传感器网络列为重点研究项目；2005年开始传感网标准化研究工作；国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020在支持的重点领域及其优先主题“信息产业及现代服务业”中列入了“传感器网络及智能信息处理”,在前沿技术中重点支持“自组织传感器网络技术”2008年9月启动16个重大专项中03专项,设立7个方向，WSN为第6个“短距离无线互联与传感器网络研发”,WSN特点和结构,无线传感器节点结构模块,WSN特点和结构,WSN两种组网结构：,WSN通信体系平面结构,1，平面拓扑结构:所有的网络节点处于相同的平等地位,不存在任何的等级和层次差异,所以也被称为对等式结构。,WSN特点和结构,WSN的逻辑分层结构,2，逻辑分层结构:网络节点按照某种规则（如地理位置、应用需求）分成各个簇，每个簇由簇头和成员节点构成。,WSN技术热点,1,网络拓扑控制技术内容：满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和节点选择，生成高效的数据转发的网络拓扑结构。目的：网络拓扑控制能够提高路由协议和MAC协议效率,有利于节省节点的能量以延长网络生存期。热点：通过激活选定的节点集合，以能量有效的方式进行网络拓扑控制。GAF（从等效路由的角度选择工作节点）、SPAN（从维护WSN骨干传输网的角度选择工作节点）等算法,WSN技术热点,2，节点的连接和覆盖技术定义两种连接：纯连接（任意两个节点都能通信，包括直接和多跳，这是物理基础）、路由连接（节点间通过某种路由算法连接，主要考虑能够快速传递数据、能耗最小，即考虑优化）；建立的连接模型主要涉及节点密度、通信距离、跳数、连接度覆盖问题指为了保证整个区域都在监测范围内，需要按照一定规则或者密度在目标区域布置传感器，通常认为传感器传感范围是以节点为中心的园，基本要求是相邻传感器覆盖范围连通，同时考虑到通信要求。,WSN技术热点,3，问题节点的探测和隔离技术对传感器网络中问题节点（包括已经失效和性能降低）的探测及其隔离，研究安全路由策略，规避问题节点，如SEAD、SPINS、SNEP、SAR、改进AODV等；路由空洞问题（路由空洞节点指那些所有的邻居节点，距离sink的距离都比自己远的节点），这样如果采用贪婪（GF）算法，数据就无法传送到控制节点。,WSN技术热点,4，路由技术WSN路由技术分类：TableDrivenProtocolOnDemandRouting(RouteDiscovery,RouteMaintenance)以数据为中心的路由协议，如SPIN、RumorRouting等路由算法；分层路由协议，如LEACH、TEEN等路由算法；基于节点位置的路由协议，如MECN、GAF等路由算法；基于QoS路由协议，考虑数据传输的时延、可靠性等QoS指标，如MLER、SPEED等路由算法；基于节能的路由;,WSN技术热点,5，媒质接入控制技术指标：能耗、带宽需求、冲突避免和维持网络连接分类：基于调度算法（Schedulingbased）MAC协议，如SMACS、DE-MAC等协议算法；非碰撞（Collisionfree）MAC协议，如IP-MAC、TRAMA等协议算法；基于竞争（Contention-based）MAC协议，如S-MAC、T-MAC等协议算法；混合（Hybridscheme）MAC协议，如混合TDMA-FDMA等协议算法；,WSN技术热点,6，媒质接入控制标准1998年3月，IEEE标准化协会成立802.15工作组，制定WPAN覆盖数m到10mMAC和PHY标准。下设4个任务组：IEEE802.15.1即蓝牙，是中速率，近距离WPAN，用于手机、PDA等近距离通信；IEEE802.15.2研究802.15.1与WLAN（802.11）共存问题；IEEE802.15.3研究高速WPAN；IEEE802.15.4（Zigbee）研究低能耗、低速率（20、40、250kbps）、低成本WPAN。,WSN技术热点,7，定位技术特点WSN节点一般都是随机放置在需要探测的区域，不预先知道自己的位置；没有位置信息的监测信息通常是没有实际意义的，定位技术是WSN中一项关键技术；方案节点分为信标节点和位置未知节点；信标节点可以根据GPS技术或者其他方式获知自己的位置，其他节点通常会采用传统的三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定自己的位置。,WSN技术热点,8，节能技术特点：WSN中节点一般使用电池供电，布设以后很难更换，因此能量有效性成了首要问题，直接关系到网络的使用寿命；分类：节点级(nodelevel)节能：网络内节点的软硬件节能设计及系统的节能架构；节点间(internodelevel)节能：节点间协同工作及节点间能量的协调控制；网络级(networklevel)节能：延长网络寿命而采用的能量均匀消耗措施；,WSN技术热点,9，鲁棒性特点：应用必须自适应于节点故障和信道质量波动；分类：应对节点故障的鲁棒性，如多径路由算法、单径路由修复算法；应对无线信道波动的鲁棒性，建立适合于WSN的传输层协议算法，如PSFQ(PumpSlowly,FetchQuickly)；,面向未来WSN,1，WSN在无线通信框架中位置,面向未来WSN,2，WSN和其他无线通信技术的融合,面向未来WSN,3，WSN应用前景：,RFID工作原理,RFID工作原理,阅读器通过天线发射射频信号，当标签进入阅读器工作区域时，其天线产生感应电流，标签获得能量被激活，并向阅读器发射自身编码信息；阅读器接收来自标签的载频信号，对接收信号进行解调和解码，并送至计算机系统处理计算机系统根据逻辑运算判断标签的合法性，并进行数据处理和逻辑控制，发出指令信息；标签的数据解调单元从接收到的射频脉冲中解调出数据并送至控制逻辑，完成指令存储发送数据和其它操作；,RFID？,RFID-RadioFrequencyidentification，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信对目标进行识别，有无线射频身份识别、感应式电子芯片、感应非接触卡等；由标签，阅读器和计算机系统组成。标签（Tag）：标签是射频识别系统的核心是射频识别系统真正的数据载体。标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；依据射频标签供电方式的不同可以分为有源标签和无源标签。,阅读器（Reader）：阅读器用以产生发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，有时阅读器也可以写信息到标签。阅读器可被设计为手持式或固定式。天线（Antenna）：天线是为标签和阅读器提供射频信号空间传递的设备。阅读器的天线可以内置也可以外置。,RFID特性,1，数据可读写通过RFID阅读器可不需接触，直接读取信息至数据库內，且可一次处理多个标签，並可以将物流处理的状态写入标签，供下一阶段物流处理的读取判断之用。2，小型化、形狀多样RFID在读取上並不受尺寸大小与形状限制，不需读取精确度而固定其尺寸和印刷质量。,RFID特性,3，鲁棒性强：纸张一受污染就看不清楚，但RFID对水、油和药品等物质有很强抗污性。RFID在黑暗或脏污的环境之中，也可以读取数据。4，可重复使用：由于RFID为电子数据，可反复被覆盖写入，可回收标签重复使用。如无源RFID，不需要电池就可以使用，沒有维护保养需要。,RFID特性,5，良好穿透性：RFID若被纸张、木材和塑料等非金属或非透明材料包裹，也可进行穿透性通讯。6，数据记忆容量大。7，RFID身份是全球唯一的，地球上一粒沙子也可以分配一个ID。,RFID形状和结构,RFID阅读器,RFID工作频率,按照国际电信联盟ITU规范，RFID使用频率有6种：135KHz(比较大的磁场强度，适合无源电感融合）、13.56MHz（适合无源）、433.92MHz、860M-930MHz（UHF）、2.45GHz、5.8GHz。ISMIndustrialScientificMedical工业、科学和医疗（6.78、13.56、27.125、40.68、433.92、869和915MHz),RFID与条形码比较,RFID应用,1，交通：高速不停车、出租车管理、公交车枢纽管理、铁路机车识别等。2，军事：弹药、枪支、物资、人员、卡车等识别与追踪。3，医疗：医疗器械管理、病人身份识别、婴儿防盗等。4，生产：生产过程的生产数据实时监控、质量追踪自动化生产、个性化生产等。5，零售：商品的销售数据实时统计、补货、防盗等。,RFID应用,6，物流：物流过程货物追踪、信息自动采集、仓储管理应用、港口应用、邮政包裹、快递等。7，航空：飞机制造、飞机零部件保养及质量追踪、旅客机票、快速登机、旅客包裹追踪。8，资产管理：各类贵重或数量大相似性高危险品管理、实时监控等。9，食品安全：水果、蔬菜、生鲜等食品保鲜度管理。10，动物识别：驯养动物、畜牧牲口、宠物等的识别管理，动物的疾病追踪、畜牧牲口个性化养殖等。,IOT(InternetofThings),利用RFID、WSN、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的巨大信息网络。具体地说，把各种感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，形成M2M、P2M相互联接的信息网络，然后将此物联网与现有的互联网融合起来，让物体自己说话，基于网络中强大的中心计算机群，实现对人员、机器、设备和基础设施的实时智慧管理和控制，改善人与自然间关系。,IOT(InternetofThings),相对于人际间信息交流的互联网，物联网是物与物、人与物之间的信息互联网络。当今社会已开始出现许多“M2M”联网的应用：如装有GPS卫星定位系统的运输车辆，以及装有RFID射频识别芯片的集装箱，可自由通过不停车收费站，在无人化码头自动完成装卸。预测：到2011年，内嵌芯片、传感器、无线射频“智能物件”可能超过1万亿个。据独立市场研究机构Forrester预测：物联网产业成熟时其产值将是互联网产业的至少30倍。,IOT发展动态,1995年：比尔.盖茨在未来之路书首次提出IOT；1999年：EPCglobal联合100多企业成立IOT联盟；1999年：中科院上海微系统和信息技术研究所开始相关研究；2005年：我国开始传感网标准化研究工作；2005年11月：在突尼斯举行的信息社会世界峰会WSIS上，国际电联ITU发布ITU互联网报告2005：物联网，指出无所不在“物联网”通信时代即将来临2007年底：ISO/IECJTC1成立传感网研究组；2008年底：ISO/IEC成立传感网标准化研究组；,IOT发展动态,2008年底和2009年1月：IBMCEO彭明盛、美国总统奥巴马提出“智慧地球”的概念，其中包括美国要形成智慧型基础设施“物联网”；2009年5月：欧洲科研人员、官员和企业家聚布鲁塞尔，就物联网新科技的发展前景做广泛讨论；2009年8月7日：温家宝总理到中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心视察，提出尽快建立感知中国中心”；2009年8月：中国移动提及，物联网将会成为中国移动未来的发展重点；2009年9月11日：中国传感网国家标准化工作组成立。,从Internet到IOT,IOT原理,近距离通信,因特网,跟踪定位,高速数据网络,智慧的供应链,智慧的气象,智慧的食品系统,智慧的货币,智慧的运输,智慧的水资源管理,智慧的城市,智慧的电网,智慧的医疗,智慧的社会，智慧的生活,丰富多彩物联网应用,物联网管理平台,移动POS,金融,供应链,智能运输,工业自动化,智能建筑,消防,公共安全,环境保护,气象,数字化医疗,遥感勘测,军事,农业,林业,水务,电力,煤炭,石化,物流、零售、自动服务,设备、安全、节能,生产、安全、防灾、水电油气,防火、勘察、报警,污染检测、报警,水质、水量、污染、安全,大棚、土壤、灌溉、环境、跟踪,抄表、监控、节能,设备、临床、辅助诊断、病程,险情、油井、运输、管线,联动、消防栓、定位、调度,照明、信号、应急、灾害、识别,大地勘测、森林、地震、海洋,侦查、监控、定位、评估,降水、防洪、远程设备,交易、订单、跟踪、识别,通风、瓦斯、救灾定位,库存、车队、监控、导航、识别、货物,电子支付、实时信息,物联网应用,物联网有三层功能，第一层智能化，第二层互联互通第三层感知。1，智能电网应用：美国电网利用率55%，2009年损失790亿美元。奥巴马宣布出资建立智能电网投资基金，预计安装4000万个智能电网，覆盖1/4-1/3美国家庭，将在三年内完成。到2030年，智能电网将为美国节省4%电。到2020年，美国可再生能源资源利用率可以提高20%。2，智能交通应用：提前3秒预警，能有效避免交通事故；提前1.5秒提醒驾驶人员，能防止90%以上事故；提前0.5秒刹车，能减少50%碰撞能量。3，交通拥堵应用：可能造成GDP1.5-4%损失。美国每年损失汽油相当于58个超大型油轮装载量，折合780亿美元。瑞典斯德哥尔摩在18个路边用激光、摄像和系统技术，对车辆进行探测和识别，将交通流量降低20%，等待时间减少25%，尾气排放减少12%。,物联网应用,4，智能物流应用：2006年日本物流成本占GDP是11%，美国是8%，欧盟是7%，中国是18%。中国运输成本占50%，存储成本占30%。物流是大仓库倒到小仓库，小仓库倒到商店的仓库，来回倒，每次都要用车，每次都要用劳动力。中远公司近年采用信息化管理，智能物流，把全世界分销中心数量从100个减少到40个，成本降低23%，燃料用量降低25%，碳排放量减少10-15%。5，智能医疗应用：看病有病历卡，如到外地，病历卡就不能用。如果有电子医疗记录，随身携带，无论到哪里，医生就能查到病历，可节省很多成本。美国准备把医疗保险市场变成振兴经济的重要市场。在工业发达国家，医疗保健占到GDP9.2%。6，建筑节能降耗应用：如在大型的建筑物中装20000个传感器，并且和IPV6联网，可以节省整个运行能耗30%。,CPS(CyberPhysicalSystems)译信息物理融合系统,综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统，通过3C技术：计算、通信和控制有机融合与协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。通过计算、通信与物理系统的一体化设计，使系统可靠和高效。CPS借用技术手段实现人在时间、空间等方面控制的延伸，CPS本质是人、机和