第4讲-传感器网络与物联网

1、1通信新技术讲座通信新技术讲座第第4 4讲：传感器网络与物联网讲：传感器网络与物联网2通信通信技术与业务的发展趋势技术与业务的发展趋势网络的融合两化融合（工业化+信息化）三网融合新一代宽带无线移动技术-移动互联网传感器网络 - 物联网云计算大数据时代3第四讲：传感器第四讲：传感器网络与物联网网络与物联网4第四部分：传感器网络与物联网 4.1 无线传感器网络 4.2 物联网 4.3 物联网的发展趋势54.1 4.1 无线传感器网络概述无线传感器网络概述 无线传感器网络（wireless sensor network, WSN），简称传感网，是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集

2、成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。 6无线传感器无线传感器网络网络 无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）就是由部署在检测区域内大量的廉价传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知的对象信息，并发送给观察者。 构成WSN的三要素： 传感器、感知对象、观察者。7WSNWSN的优势：成本优势的优势：成本优势布线成本是制约系统应用的瓶颈问题布线成本是制约系统应用的瓶颈问题工程布线投资和使用成本过高2001年全球工业用传感器的

3、市场份额是110亿美元，而安装和使用成本（主要是布线成本）超过1000亿美元。有线有线无线无线硬件成本硬件成本$1k$1.5安装成本安装成本$2k20k$1k维护成本维护成本可忽略可忽略$0.5k(更换电池更换电池)合计合计$3k21k$3k单个节点的成本8WSNWSN的网络结构的网络结构 结构入上图所示，传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node），汇聚节点（sink node），和管理节点。大量传感器节点随机的部署在检测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点检测的数据沿着其它节点逐跳的进行传输，其传输过程可能经过多个节点处理，经过多跳后到达汇聚节点，最后通过互

4、联网和卫星到达管理节点，用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布检测任务以及收集检测数据。9传感器节点结构传感器节点结构 从右图我们可以看到一个典型的传感器节点由传感器模块，无线通信模块和能量供应模块四部分组成。每一个模块的功能如下所示：1)传感器模块：负责监视区域内信息的采集和数据转换。2)处理器模块：负责控制整个传感器节点的操作，存储处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据。3)无线通信模块：负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。4)能量供应模块：为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。10WSNWSN的关键技术的关键技术 网络的拓扑控制 网络协议

5、 网络安全 时间同步 定位技术 数据融合 11无线传感器网络的特征无线传感器网络的特征 大规模网络 自组织网络 动态性网络 可靠性网络 应用相关网络 以数据为中心的网络12（1）通信能力有限 节点带宽窄，而且经常变化 节点通信覆盖范围只有几十到几百米， 而且经常变化WSNWSN的局限与挑战（的局限与挑战（1 1）13（2）多源、多跳是主要通信方式 多个传感器节点向一个目标传送信息 一次多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径WSNWSN的局限与挑战（的局限与挑战（2 2）14（3）节点移动、断接频繁 在移动网络中，节点移动频繁 节点间通信的断接频繁，导致通信失败. 经常受到高山、建筑物、

6、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响, 因此传感器可能会长时间脱离网络, 离线工作WSNWSN的局限与挑战（的局限与挑战（3 3）15（4）电源能量有限 传感器的电源能量极其有限 由于电源能量的原因经常失效或废弃 电源能量约束是传感器网络应用的障碍 现有电源部件不能满足传感器网络的需要 传感器传输信息比执行计算更消耗电能 传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令WSNWSN的局限与挑战（的局限与挑战（4 4）16（5）计算能力有限 传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器，具有计算能力 但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限WSN

7、WSN的局限与挑战（的局限与挑战（5 5）17彭明盛：智慧的地球彭明盛：智慧的地球智慧地球智慧地球IBM CEO彭明盛:世界不仅正变得更小、更扁平，而且“更智慧”。 首先，高科技应用越发普遍；其次，世界将连为一体；最后，所有的事物都变得智能。 从互联网到“物联网”(the Internet of things)时代，世界的智慧化将实现“无所不在的连接无所不在的连接”。4.2 4.2 物联网物联网18传感网传感网= =物联网？物联网？传感器网络：是利用各种传感器（光、电、温度、湿度、压力等）加上中低速的近距离无线通信技术构成一个独立的网络。是由多个具有有线/无线通信与计算能力的低功耗、小体积的微

8、小传感器节点构成的网络系统，它一般提供局域或小范围物与物之间的信息交换。是物联网末端采用的关键技术之一。19物联网：是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力或执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联。其中末端网包括各种实现与物互联的技术，例如：传感器网络、RFID、二维码、短距离无线通信技术、移动通信模块等。物联网是继电信网和互联网实现人与人通信之后，着重连接物理世界的应用及相关产业。传感网传感网= =物联网？物联网？20物联网离我们很远物联网离我们很远英国生命信托基金会计划建设全智能化老年公寓，使

9、老人在未来可以不受养老院束缚，在自己家中过上高质量生活。公寓将采用电脑技术、无线传输技术等手段，在地板和家电中植入电子芯片装置，使老人的日常生活处于远程监控状态。如果老人走出房屋或摔倒，地面安全传感器会立即通知医护人员或亲属；冰箱里的牛奶翻倒撒出，或是锅在炉灶上无人看管，冰箱和厨房的传感器也会发出警报；自动化“药剂师”会提醒老人准时吃药；娱乐传感器则在老人进门时自动播放主人喜爱的音乐，并适时调节暖气和灯光。预计这种智能化老年公寓的雏形最早可在2028年问世，技术成熟则要到2048年。21物联网离我们很近物联网离我们很近 物联网的部分应用已经存在在我们的生活之中。基于物体识别技术的应用M2M应用

10、二代身份证ETC（ElectronicToll Collection），电子不停车收费系统营运车辆监控和调度无线POS22温总理：感知中国温总理：感知中国 随后，温总理又在政府工作报告中指出，中国要大力培育战略性新兴产业，并特别提出要加强物联网物联网的研发应用。 “物联网=传感器网络+互联网” 2009年8月，温总理指出，要尽快突破核心技术，把传感技术传感技术和TD-SCDMA等通信技术的发展结合起来，尽快建立“感知中国”中心； 23应用应用互联互联感知感知标识标识物联网应用的关键环节标识：身份标识（RFID、二维条码等）、位置标识（GPS等）感知：面向生产、生活等各种应用的传感器互联：广泛的

11、物物相联，低成本、低功耗、小型化应用：由感知延伸出来的各种信息处理及应用24物联网技术体系应用层应用层信息应用信息应用智能电网智能电网 工业监控工业监控智能交通智能交通环境监测环境监测应用支撑（信息处理）子层应用支撑（信息处理）子层信息开放平台信息开放平台服务支撑平台服务支撑平台通信环境平台通信环境平台公共中间件公共中间件网络层网络层电信网增强电信网增强云计算云计算资源和存储管理资源和存储管理异构网融合异构网融合远程控制远程控制下一代承载网下一代承载网M2M无线接入无线接入移动通信网移动通信网互联网互联网感知感知/延伸层延伸层组网技术组网技术中间件中间件信息处理信息处理无线无线/有线传输有线传

12、输数据采集数据采集二维条码二维条码多媒体信息多媒体信息RFID传感器传感器网络层与感知网络层与感知/延伸层互通延伸层互通公共技术业务需求业务需求网络架构网络架构标识解析标识解析安全技术安全技术QOS管理管理网络管理网络管理25传感网-物联网-泛在网泛在网（Ubiquitous Network）： 是指基于个人和社会的需求，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络具有超强的环境感知、内容感知及其智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。4.3 4.3 物联网的发展趋势物联网的发展趋势26泛在网、物联网和传感网的关系泛在网、物联网和传感网的关系网络网络关键设备和技术关键设备和技术对象对象传感器网络传感器、近距离无线通信 -物联网传感器、条形