模块三无线传感器网络课件

1、物联网技术在物流中应用 模块三 无线传感器网络技术第一节 传感技术及其应用传感技术概念传感技术在物联网中的作用与地位传感技术在物流管理中的应用 以仓储管理中对湿度的要求 介绍湿度传感器在物联网介绍中应用一、简介湿度测量技术：湿度测量技术发展已有200多年历史；人们对湿敏元件的认识是从1938年美国F.W.Dummore研制成功浸涂式LiCl湿敏元件才开始的，从此以后，已有几十种湿敏元件及传感器应运而生。（可参湿度测量一书）毛发湿度计干湿球湿度计 湿度检测的重要性湿度与科研、生产、人们生活、植物生长有密切关系，环境的湿度具有与环境温度同等重要意义。目前人们对湿度的重视程度远不及对温度的重视。因此

2、湿度测量技术的研究及其测量仪器远不如温度测量技术与仪器那样精确与完善。由于对湿度监测不够精确，致使大批精密仪器与机械装置锈蚀、谷物发霉等，每年因此造成巨大损失。二、湿度及湿度传感器1、湿度及其表示方法2、湿度传感器及其特性参数3、湿度传感器的分类 1、湿度及其表示方法 在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。 大气中含有水汽的多少，表示大气的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度是表示大气干湿程度的物理量。 大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对湿度。相对湿度是气体的绝对湿度(V)与在同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度(W)之比，常表示为RH其表达

3、式为相对湿度= (V/W)100%RH根据道尔顿分压定律，空气中压强PPa十PV(Pa为干空气分压，PV为湿空气气压)和理想状态方程，又可将相对湿度用分压表示：相对湿度 (PV/PW)100%RH 式中：PV一待测气体的水汽分压； Pw一 同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。2) 相对湿度2、湿度传感器及其特性参数湿度传感器是指能将湿度转换为与其成一定比例关系的电量输出的器件式装置。主要特性参数有：湿度量程感湿特征量灵敏度湿度温度系数响应时间湿滞回线和湿滞回差保证一个湿敏器件能够正常工作所允许环境相对湿度可以变化的最大范围，称为这个湿敏元件的湿度量程。湿度量程越大，其实际使用价值越大。理想的湿敏元件

4、的使用范围应当是0100RH的全量程。1) 湿度量程2） 感湿特征量相对湿度特性曲线每一种湿敏元件都有其感湿特征量，如电阻、电容、电压、频率等。斜率应适当，因为斜率过小，灵敏度降低；斜率过大，稳定性降低，这些都会给测量带来困难。 PI电容式湿度传感器湿度特性图 3） 灵敏度定义：湿敏元件的灵敏度，就其物理含义而言，应当 反映相对于环境湿度的变化，元件感湿特征量的变化程度。表示法：直线的斜率。因此，它应当是湿致元件的感湿特性曲线斜率。在感湿特性曲线是直线的情况下，用直线的斜率来表示湿敏元件的灵敏度是恰当而可行的。然而，大多数湿敏元件的感湿特性曲线是非线性的在不同的相对湿度范围内曲线具有不同的斜率

5、。因此，这就造成用湿敏元件感湿特性曲线的斜率来表示灵敏度的困难。普遍采用的灵敏度的方法目前，虽然关于湿敏元件灵敏度的表示方法尚未得到统一，但较为普遍采用的方法是用元件在不同环境湿度下的感湿特征量之比来表示灵敏度。如日本生产的MgCr2O4TiO2湿敏元件的灵敏度，用一组电阻比R1%R20%，R1%R40%，R1%R60%，R1%R80%及R1%R100%表示，分别为相对湿度在1，20，40，60，80及100时湿敏元件的电阻值之比。4）湿度温度系数湿敏元件的湿度温度系数是表示感湿特性曲线随环境温度而变化的特性参数。在不同的环境温度下，湿敏元件的感湿特性曲线是不相同的，它直接给测量带来误差。湿敏

6、元件的湿度温度系数定义为；在湿敏元件感湿特征量恒定的条件下，该感湿特征量值所表示的环境相对湿度随环境温度的变化率。由湿敏元件的湿度温度系数值，即可得知湿敏元件由于境环温度的变化所引起的测湿误差。 MgCr2O4TiO2 湿敏元件的温度特性205）响应时间响应时间反映湿敏元件在相对湿度变化时输出特征量随相对湿度变化的快慢程度。一般规定：响应相对湿度变化量的63.2时所需要的时间为响应时间。在标记时，应写明湿度变化区的起始与终止状态。人们希望响应时间快一些为好。 K2O一Fe2O3湿度敏感器件的响应特性曲线Mn3O4- TiO2湿敏器件在80时的湿滞回线湿滞回线定义：湿滞现象可以用吸湿和脱湿特征曲

7、线所构成的回线来表示，我们称这一回线为湿滞回线。湿滞回差定义：在湿滞回线上所表示的最大量差值为湿滞回差。人们希望湿敏元件的湿滞回差越小越好。 理想化的湿敏器件所应具备的性能参数：使用寿命长，长期稳定性好灵敏度高，感湿特性曲线的线性度好使用范围宽，湿度温度系数小响应时间短湿滞回差小能在有害气氛的恶劣环境中使用器件的一致性和互换性好，易于批量生产器件感湿特征量应在易测范围以内四、半导体及陶瓷湿度传感器按其制作工艺分类：涂覆膜型烧结体型薄膜型MOS型五、有机物及高分子聚合物湿度传感器1、胀缩性有机物湿敏元件2、高分子聚合物薄膜湿敏元件第二节 通信技术通信技术概念通信技术在物联网中的作用与地位通信技术

8、在物流管理中的应用通信与我们生活息息相关生活中的通信经历了从有线到无线的发展这个变化对人们生活也有着重要的影响在讲无线通信之前我们就先从下面几个有趣的例子里去看看生活中的通信的变化吧无线通信技术很多很多年前我们只能用飞鸽、马、船等交通工具传信件跟物品我们要更好的通信方式1.古时候听妈妈说打电话很方便我们需要无线电话2.有线电话时代手机进入了我们的生活发短信也很方便无线通信太好了！3.无线电话时代 “无线通信（Wireless communication）是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展速度最快、应用最广的就是无线通信技术了。在移动

9、中实现的无线通信又称为移动通信，人们把二者合成为无线移动通信。”那究竟什么是无线通信呢？现在生活中我们常接触无线通信无线通信在经历150年发展已经融入了我们的生活的每个角落无线通信技术的应用已经深入到人们生活和工作的各个方面。在当代社会，无线通信也不仅仅简单地应用于普通移动通讯了，本世纪最热门的无线通信科研方向是3G、WLAN、UWB、蓝牙、宽带卫星系统。无线通信能够走进千家万户 这一切还得从很多年前的那个夜晚那个实验室里那个城市里那个人说起1864年 麦克斯韦经过多年的努力终于从理论上证明电磁波的存在从此掀开了无线通信技术研究的序幕1888年 赫兹证明电磁波的存在1895年 马可尼成功试验数

10、百米的无线通信1901年 马可尼又成功试验了跨越大西洋的无线通信1938年 里斯本首次采用了PCM无线通信方式七八十年代 开启了无线局域网的新时代手机等无线通讯工具也逐渐普及到人们的生活无线通信系统的基本工作原理发射设备的基本原理和组成接收设备的基本原理和组成无线电波的基本特点简单介绍:1、无线通信系统的基本工作原理无线通信系统组成框图 各部分作用信息源：提供需要传送的信息变换器：待传送的信息（图像、声音等）与电信号之间的互相转换发射机：把电信号转换成高频振荡信号并由天线发射出去传输媒质：信息的传送通道（自由空间）接收机：把高频振荡信号转换成原始电信号受信人：信息的最终接受者1、无线通信系统的

11、基本工作原理2、发送设备的基本原理和组成信号在空间直接发送存在的问题天线尺寸 天线尺寸与被辐射信号的波长相比拟时（波长的1/101），信号才能被天线有效的辐射出去。对于音频范围20Hz20kHz来说，这样的天线不可能实现。信号选择 如果直接发射，多家电台的发射信号频率范围大致相同，接收机无法区分。问题的解决调制什么是调制？ 把待传送信号“装载”到高频振荡信号上的过程。三种信号 调制信号、载波信号和已调信号三种方式 调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）2、发送设备的基本原理和组成典型发送设备的组成框图2、发送设备的基本原理和组成3、接收设备的基本原理和组成信号的“卸载”解调什么是解调？ 从高

12、频已调波信号中“取出”调制信号的过程。解调的三种方式 对调幅波的解调检波 对调频波的解调鉴频 对调相波的解调鉴相典型接收设备的组成框图3、接收设备的基本原理和组成4、无线电波的基本特点无线电波是一种电磁波，其传播速度与光速相同，且有=c/f。无线电波具有直射、绕射、反射与折射等现象。无线电波的三种传播途径（如图）：无线电波的波段划分表：4、无线电波的基本特点波段名称波长范围频段名称频率范围主要用途长波LW103104m低频(LF)30300kHz长距离点与点通信中波MW102103m中频(MF)3003000kHz广播、船舶、飞行通信短波SW10102m高频(HF)330kHz短波广播、军事通

13、信米波110m甚高频(VHF)30300MHz电视、调频广播、雷达分米波110dm特高频(UHF)3003000MHz电视、雷达、移动通信厘米波110cm超高频(SHF)330GHz雷达、中继、卫星通信毫米波110mm极高频(EHF)30300GHz射电天文、卫星、雷达如何组建共享无线网络应该来说，组建局域网并不难。要求：1.两台装有支持802.11b/g无线网卡的笔记本电脑2.其中一台能连接到Internet的笔记本作为发射端，另外一台作为接收端3.操作人员需懂得一点点电脑常识Part one：发射端笔记本设置Part two:接收端笔记本设置进入网络和共享中心-更改适配器设置-右键点击无线

14、网络连接-选择协议版本4（TCP/IPv4）-属性-更改各项设置如下（192-168-1-12和255-255-255-0和192-168-1-1和192-168-1-1）IPV4设置里面设置好IP、子网、网关和DNS地址IP当然要和笔记本的网段一样，不要和别的电脑重复了-然后点击确定-点击确定接下来就只剩下connect的工作了重新打开如下的窗口-找到之前发射端笔记本设置的网络名-连接点击连接后-电脑弹出如下窗口-输入之前设置的安全密钥-点击确定等待发射端笔记本的网络识别成功后就可两台笔记本同时上网了至此，笔记本共享无线上网的报告完毕第三节 无线传感器网络技术目录传感器网络概述传感器网络应用

15、传感器网络协议传感器网络研究进展传感器网络影响力什么是计算机网络计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计算机系统。 所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的无线局域网（WLAN），与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。 什么是传感器网络WSN-Wireless Sensor Networks基础微电子技术、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解释1由部署在观测

16、环境附近的大量的微型廉价低功耗的传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳的无线网络系统。什么是传感器网络解释2：传感器网络是由一组传感器以特定方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布給观察者。传感器网络的三个基本要素：传感器，感知对象，观察者传感器网络的基本功能协作地感知、采集、处理和发布感知信息 传感器接近感知对象 传感器仅产生数据流 传感器无计算能力 无传感器间通信能力SensorsObject信号分析传统的感知方法有线/无线连接现代感知方法Sensing AreaObjectUser端 传感器网络覆盖感知对象区域 每个传感器完成其临

17、近感知对象的观测 多传感器协同完成感知区域的大观测任务 使用多跳路由算法向用户报告观测结果SinkInternet或通信卫星Sensor networkUser端传感器网络的网络结构sink -汇聚点sensor node -传感器节点sensor field -监测区域传感器网络的实体传感器节点功能：采集、处理、控制和通信等网络功能：兼顾节点和路由器资源受限：存储、计算、通信、能量Sink节点功能：连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管理节点的监测任务，转发收集到的数据。特点：连续供电、功能强、数量少等现代微型传感器感知能力计算能力通信能力体积小

18、能耗小由六部分组成传感器节点传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制、数据处理、网络协议无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据能量供应模块：提供能量传感器网络的特点大规模网络：地理区域大；部署密集提高信噪比；提高监测精度；增强容错性；减少盲区自组织网络：不确定性；拓扑结构变化资源受限：计算、存储、通讯、能量动态拓扑：节点故障；通讯故障；移动性；节点加入可靠网络：适应环境条件；鲁棒性、容错性应用相关：没有统一的通信协议平台以数据为中心传感器节点的限制电源能量有限通信能力有限计算和存储能力有限传感器网络概述与ad hoc的不同WSN结点数量更为庞大多数节点为静止节点分布更为密集能

19、量约束结点更容易出错拓扑结构变化频繁Ad hoc几十至上百个节点局域网节点全移动结构变化（移动）能量可连续提供点到点通信 以数据为中心传感器网络不是通常的网络用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件用户很少询问“A节点到B节点的连接是如何实现的？”用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？”传感器网络不是以地址为中心的用户不会询问“地址为27的传感器的温度是多少？”用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？”数据传输以聚集方式进行,而不是地址到地址的路由 传感器网络是以数据为中心的网络把传感器视为感知数据流或感知数据源把传感器网络视为感知数据空间或数据库把数据管理和处理作为网络的应用目标需要

20、多种多样的感知器物理传感器生物传感器化学传感器其他问题传感器的投放或撒播理论与技术传感器的定位问题时钟同步问题 组网连通可靠性研究和探测覆盖率研究 传感器网络安全性问题和抗干扰问题信号的协作处理传感器网络的协议栈（1）能源管理平台： 管理传感器节点如何使用能量； 移动管理平台： 检测和注册传感器节点的移动，维护到汇聚点的路由，使得传感器节点能够跟踪它的邻居； 任务管理平台： 在一个给定的区域内平衡和调度监测任务传感器网络的协议栈（2）传感器网络物理层（1）传输媒体建议采用ISM （工业、科学和医学）频段短距离的无线低功率通信最适合传感器网络红外不需要许可证，抗干扰要求收发双方在视线之内光不排除

21、用光作为通信媒体传感器网络物理层（2）频率选择，载频发生，信号检测，调制，数据加密信号传播传播信号需要的最小发送功率和传输距离d的n次方（ ）成正比，2= n 4.为了减小传输距离，传感器网络采用多跳（multihop）通信方式传感器网络MAC协议的功能（1）功能无线信道的使用 建立传感器网络的基础结构考虑因素节省能量可扩展性链路带宽分配的公平性、带宽利用率、延时性能等 目前普遍认为这三个方面的重要性依次递减MAC协议的能量浪费因素（2）空闲侦听：节点不知道邻居节点何时向自己发送数据，射频收发模块必须一直处于工作状态，消耗大量能源，是无效能耗的主要来源。 冲突：同时向同一节点发送多个数据帧，信

22、号相互干扰，接收方无法准确接收，重发造成能量浪费串扰：接收和处理发往其他节点的数据属于无效功耗。控制开销：控制报文不传送有效数据，消耗的能量对用户来说是无效功耗。 传感器MAC协议的节能策略（3）尽量让传感器节点处于睡眠状态； 减少传感器节点之间的碰撞； 减少接收到自己不需要接收的数据分组；（overhearing） 减少控制消息的开销。WSN MAC协议（4）基于竞争S-MAC/T-MAC/Sift基于TDMA的DEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息调度其它SMACS/EARCSMA/CA和CDMA结合WSN路由协议（1）已有网络ad hoc、蜂窝主要目标通信服务质量 带宽利用率传感器

23、网络主要目标高效使用能源 延长网络系统的生存期WSN路由协议（2）特点基于局部拓扑信息数据为中心（不知道目的节点的编号，甚至向哪个区域）要求能量高效（协议简单|开销小|节省能量/均衡消耗）可扩展性（网络范围/节点密度）鲁棒性（节点变化|拓扑变化）快速收敛性WSN路由协议（3）能量感知路由能量路由/能量多路径路由查询路由定向扩散路由(DD)/谣传路由地理路由GPRS/GEAR/ GEM/边界定位路由可靠路由ReInform/SPEED /多路径路由WSN传输层（1）当传感器网络中的系统需要接入Internet 或其它外部网络时，传输层的功能是必要的目前关于传感器网络传输层机制和协议的建议很少存在

24、的问题硬件的限制（例如有限的电能和存储量）使传感器节点不能像Internet中的服务器那样存储大量的数据TCP的应答方式开销太大将来有可能在传感器网络中使用类似于UDP的协议，而在Internet和卫星网络中使用TCP/UDP协议WSN传输层（2）一种TCP分段（TCP splitting） 的方法可能使传感器网络和其它网络（如Internet)互通WSN应用层应用层协议还处于探索阶段三种可能的应用层协议传感器管理协议 Sensor management protocol (SMP)任务分配和数据通告协议 task assignment and data advertisement proto

25、col (TADAP)传感器询问和数据分发协议 Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP)WSN 时间同步（1）时间同步是传感器网络的基本功能MAC/跟踪/监测时间同步需要的多样性（目标跟踪例子）传感器网络时间同步的性能参数最大误差同步期限同步范围效率代价和体积WSN时间同步机制（2）TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）RBS（Reference Broadcast Synchronization）TINY/MINI-SYNCDMTS （Delay Measurement Time Synchronization）PCS （Probabilistic Clock Synchronization ）WSN定位机制（1）定位是传感器网络的基本功能报告事件发生的地点目标跟踪和定位协助路由进行网络管理WSN定位机制（2）特殊性体积、成本（GPS不能普遍适用）能耗有限、可靠性差节点的规模大、随机布放无线模块通信距离有限环境要求（室内、室外）WSN定位机制（3）基于距离的定位机制到达时间定位算法（TOA）不同到达时间定位算法（TDOA）到达角度定位定位算法（AOA）接收信号强度定位算法（RSSI）距离无关的定