无线传感器网络技术第1章-基础

无线传感器网络技术第1章-基础第一页，共77页。教学安排大纲及学时：第1章无线传感器网络基础(4学时)第2章无线传感器网络支持技术

(6学时)第3章无线传感器网络服务支持技术(6学时)第4章无线传感器网络应用支持技术(12学时)4.1NRF9E5无线单片机及开发平台4.2CC2430无线单片机及开发平台教材及主要参考书：1、无线传感器网络原理与应用，姚向华，高等教育出版社2、短距离无线数据通信入门与实战，北京航空航天大学出版社，李文仲等编著，20063、ZigBee无线网络技术入门与实战，北京航空航天大学出版社，李文仲等编著，20074、无线传感器网络技术，李晓维，北京理工大学出版社，2007-8-15、无线传感器网络简明教程，崔逊学，清华大学出版社6、无线传感器网络，孙利民，清华大学出版社7、智能无线传感器网络，于海斌，科学出版社第二页，共77页。教学安排教学形式及考核：1.课程教学：本课程主要通过网络、课件、视频等教学资源学习无线传感器网络相关的若干关键技术。以课堂辅导和讨论相结合的方式进行，增强与学生的互动。通过课外实验训练提高动手及工程应用能力。2.课程考核：课程考核采用卷面考核、课程论文报告及PPT、平时考勤相结合形式。

卷面考核占50%;课程论文报告及PPT占30%;平时出勤率占20%。第三页，共77页。序:课程学习之前为什么要学习这门课程?

如何才能学好这门课程?

课程对科研、就业有什么作用?

需要学习哪些无线通信知识?

第四页，共77页。为什么要学习这门课程?

无线数据通讯和无线单片机发展背景

80年代当单片机技术已经广泛普及，8051如日中天的时候，手机还是价值万元的大砖头。那时有个大哥大是身份的象征，语音通讯也只有8K/S的通讯速度，无线通讯还是像美国莫托罗拉这样大公司实验室里的明珠，还在神坛上。这种局面，维持了10多年，虽然手机市场日益扩大，无线技术也日益成熟。但小公司，个人去搞无线产品，根本不可能，这是因为：

高频电路系统工作在300MHZ–2.4GHZ的高频频段，对线路板设计，元件选择要求很严格；第五页，共77页。为什么要学习这门课程?

无线数据通讯和无线单片机发展背景

高频设计需要工作在GHZ的无线测试设备，价格昂贵；而没有这样的设备，很难直观地观察到系统工作状态；微处理器和其他数字电路对高频电路的产生强烈干扰；

无线通讯在空气中，容易被干扰，需要一系列软件处理，包括纠错，防止碰撞，通讯协议处理等等，而开发这些软件，需要有大量无线通讯方面的知识和经验。第六页，共77页。无线数据通讯和无线单片机发展背景这种情况到2003年开始有了改变。在欧洲的挪威，冒出了两家创新公司，分别是CHIPCON(2006年被TI公司2亿美元收购)。另一家是Nordic公司。这两家公司采用CMOS高频技术，将无线芯片完全集成到芯片内部，外部只有很少的元件，同时使电路板设计简化。另外，他们也将8051单片机和高频电路进行集成在一个芯片内，这就诞生了“无线单片机”。射频SoC单片机(简称无线单片机)的出现，为不具备无线通讯经验和高频电路经验的电子工程师，提供了非常简单的解决方案。这是因为：

专门的设计，将全部的高频部分电路集成到了电路内部，从无线单片机到天线之间，只有简单的滤波电路，系统设计者完成不必进行任何高频电路设计；第七页，共77页。无线数据通讯和无线单片机发展背景

采用特殊设计，使8051的微处理器和高频线路间，实现完美的配合，数字电路对高频通讯的影响减低到最小；

设置了高频通讯的若干寄存器，将高频通讯的处理，简化为对寄存器的简单读、写操作处理。

对这些寄存器进行读、写操作，就可以轻松完成无线通讯功能。第八页，共77页。未来嵌入式无线技术市场短距离/嵌入式无线通讯正在加速产品化，进入我们生活采用“蓝牙”无线耳机，在美国使用得非常广泛，几乎人手一个无线键盘和无线鼠标，基本占领了键盘鼠标市场儿童玩游戏的手柄，已经基本无线化日本任天堂最新的游戏机采用了带有无线加速度传感器的新手柄。由于无线带来的新颖、离线、动感、力感、滑感的玩法，具有场临感功能。

短距离无线通讯的新产品正在雨后春笋般的在美国和国际市场出现。无线技术进入我们的生活，改变我们的生活，成为我们生活的一部分。无线数据通讯和无线单片机发展背景第九页，共77页。高校广泛重视将嵌入式无线技术引入教学中

近几年，美国等世界各地高校都非常重视嵌入式无线的科研和教学工作，广泛开设相关课程。最引人注目的是美国UC加州大学Berkeley，是嵌入式无线研究/教学开展较早的美国高校。研发的无线模块被称为Mote，是知名的的一种无线传感器网络产品，由Crossbow公司生产。最基本的Mote组件是MICA系列处理器/无线模块，工作在868/916、433和315MHz三个频带，数据速率为40Kb/s，通信范围可达1000英尺。其配备了128KB的编程用闪存和512KB的测量用闪存，4KB的EEPROM。为无线网络开发了一个属于自己的操作系统—TinyOS，和专门的C语言编译工具。美国麻省理工学院等很多学校，也开设了相关课程。中国各地高校同样重视无线单片机网络课程、物联网专业教学和相关科研和产品开发。技术应用将日益广泛、普及。无线数据通讯和无线单片机发展背景第十页，共77页。如何才能学好这门课程？

学习这门课程的主要基础是什么？

8051单片机和C51语言

对这门课程,如何才能灵活掌握?

只有通过一定量动手实践，上机实习，调试学习这门课程,还有那些好方法?

将学到的东西，和自己新创意相结合，敢于创新、实践和应用，培养自己兴趣第十一页，共77页。单片机基础差,能够学会吗？

如果你对8051单片机不熟悉，花时间没有学不会的。无线单片机也是单片机，和单片机有完全相同的指令系统，也是使用相同的编译环境。从头学起，通过认真分析，读懂代码，做好实验，同样可以掌握。如果你不懂51汇编语言，没有任何关系，样板代码（例子程序）全部是用C51写成。C51也是标准的C语言，你懂得C语言，学习C51应该是很容易的。关键在于C51的语句更多的是在执行实际的控制功能。第十二页，共77页。单片机基础差,能够学会吗？

需要学习掌握新知识——嵌入式技术。从C语言入门，掌握嵌入式技术，应该是一条学习单片机的好办法。无线单片机技术丛书，都是按照这个新思路来完成的，具体办法是:了解芯片的基础结构，从C51的高度，来进行编程控制。你照样可以成为单片机和嵌入式系统应用的高手!第十三页，共77页。实战学习课程学习重点是实战，即以实际动手，来体验什么是无线通讯、什么是无线网络。这是学习无线通讯和无线单片机的关键。无论是简单的点对点，还是复杂的无线网络，都是有多个单片机节点的无线通讯过程。通讯过程有同步问题，数据在空气中传输，有媒体竞争问题，抗干扰问题等。要理解其中的原理，必须要从多个无线节点内部的代码分析中，在实际运行测试中掌握。关键是自己动手写程序，实际调试程序，观察程序运行情况，观察实际通讯效果。每个环节，都需要动手去做，才能真正理解；光看书，听课，仅有模糊的影象；只有亲自手做一做，改一改，试一试，才能明白其中的奥妙，才能学会。本课程内容：50%理论+50%的实验训练。第十四页，共77页。学习敢于创新

尝试用学到的单片机和无线通讯的知识，结合各种无线应用，设计一些自己感兴趣的应用项目。无线单片机应用范围非常广泛。用在无线家庭设备，报警设备，遥控设备等。依据课程的相关电路和软件代码程序，根据自己的应用对象修改设计，形成新的功能、新的产品。在这个修改、动手设计过程中，会遇到很多困难，需要解决很多意想不到的难题，克复这些困难，就理解了这些基本内容的实质。

通过不断地思考-动手-再思考-再创新的循环，就能精通掌握。

也可以通过参加各种竞赛和设计项目，来丰富自己的知识面，加深对这门课程的理解。第十五页，共77页。课程对科研、就业有何作用?

对就业帮助：招聘时，要求会做具体开发工作企业招聘电子设计工程师，关键是看你会不会做项目，具体而言：会不会用C语言写程序?会不会画电路图?有没有相关调试基础?懂不懂单片机、无线单片机、无线网络、嵌入式技术等。关键看你会不会干活!

现场考试，让你上机和远程上网，现场编程，考技术问题如何解答。很多招聘单位都是要有工作经验，做实验室项目也是经验。其实，要的是你能很快胜任工作，有培养基础。真正动手去实践、去做也是很容易。实践-动手-再实践=有能力。现在人人有电脑，学习、实践很方便。万事开头难！第十六页，共77页。课程对科研、就业有何作用?

对科研的帮助：科研包括理论（原理）研究、性能分析和实验验证无线单片机网络技术是新型试验手段和方法，是今后实验技术发展的趋势第十七页，共77页。还需要学习哪些无线通信知识?电子工业中，无线是近年来技术发展最快的一个方面。无线技术中，短距离无线数据通讯又是发展最快的一个分支。短距离无线通讯，目前向两个方面发展：

一是高速度，每秒数据传输量几十/几百M位。

二是低功耗，一个小小电池，可以用5-10年，象ZIGBEE网络。这些发展又在不断地孵化出崭新的应用和产品。新标准，新技术，每时每刻都在涌现，我们必须注意跟踪。第十八页，共77页。课程重点课程以目前世界上已经广泛应用的8051内核无线片上系统(SoC)NRF9E5及CC2430为中心，介绍无线通讯和无线网络的原理和实战。课程重点不是讲无线通讯原理。重点是了解掌握无线通讯和无线传感器网络的应用。希望通过亲自动手，体验什么是无线通讯，什么是无线传感器网络，如何组建一个低成本、高效率无线传感器网络……实践训练，即自己动手进行项目试验。第十九页，共77页。课程重点(2)从动手搭建一个无线系统开始。从点对点，点对多点，到网状无线网络(中间穿插介绍相关无线通讯和无线传感器网络的关键技术FDMA/TDMA/CSMA/FHSS等)循序渐进。课程一个主要特点是：将复杂的无线通讯原理和无线网络原理，转变为一个纯粹的软件开发过程，一切都变成了用C51编写的源程序。第二十页，共77页。第1章

无线传感器网络基础1.1概论及应用前景1.2无线信道及ISM开放频带1.3典型的无线网络结构和工作原理1.4短距离无线网络的国际标准1.5无线信道访问目的：了解嵌入式无线通信与无线网络应用前景

了解无线通信频谱

理解无线通信系统

了解典型无线网络结构

了解短距离无线网络标准

第二十一页，共77页。1.1概论及应用前景无线传感器网络(WSN)概念利用大量微型传感器来跟踪各种活动，对气候、光和热等周围环境进行评估。功能特点这些传感器收集有用信息时，开通低功率的发射机，将数据传送到附近的另一个装置，传送距离可在10米-300米之间。综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,能够协调地进行实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,传送到需要这些信息的用户。是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。第二十二页，共77页。1.1概论及应用前景(2)WSN节点组成由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源模块组成。数据采集单元:由传感器及其信号调理电路、AD转换器件组成，被监测物理信号的形式决定了传感器的类型；数据处理单元:由存储器、微处理器及其应用系统组成，处理器通常选用嵌入式CPU,如Motorola的68HC16,ARM公司的ARM7等；数据传输单元:由网络通信及射频模块组成，主要由低功耗、短距离的无线通信模块，比如RFM公司的TR1000等；电源模块:由电池及电源管理电路等组成。第二十三页，共77页。1.1概论及应用前景(3)WSN节点特点节点采用电池供电，一旦电源耗尽，节点就失去了工作能力；硬件要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源；软件设计各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。因为需要进行较复杂的任务调度与管理,系统需要一个微型化的操作系统。第二十四页，共77页。1.1概论及应用前景(4)WSN节点类型在网络中充当数据采集、中转或簇头节点(cluster-headnode)：数据采集节点,收集周围环境的数据(如温度、湿度),通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站(basestation)或汇节点(sinknode);数据中转节点,接收邻居节点的数据,将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点;簇头节点,负责收集该类内所有节点采集的数据,经数据融合后,发送到基站或汇节点。第二十五页，共77页。1.1概论及应用前景(5)WSN体系结构典型体系结构如图

所示。节点以自组织形式构成网络,通过多跳中继方式将监测数据传到sink节点，最终借助长距离或临时建立的sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。第二十六页，共77页。1.1概论及应用前景(6)WSN特点常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad-hoc网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点：(1)硬件资源有限。节点计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。决定了节点操作系统、协议层次不能太复杂。(2)电源容量有限。网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。在传感器网络设计过程中，任何技术和协议的使用都要以节能为前提。(3)无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何结点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。(4)自组织。节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。第二十七页，共77页。1.1概论及应用前景(7)WSN特点常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络、Ad-hoc网络等，与这些网络相比，无线传感器网络具有以下特点：(5)多跳路由。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内，节点只能与它的邻居直接通信。希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。(6)动态拓扑。无线传感器网络是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，具有动态拓扑组织功能。(7)节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域。节点分布密集，利用节点之间高度连接性保证系统的容错性和抗毁性。第二十八页，共77页。1.1概论及应用前景(8)WSN发展WSN是继Internet之后对人类生活方式产生重大影响IT热点技术。

随着个人计算机、计算机网络的普及，因特网对人们生活方式影响越来越巨大，将继续在未来的各领域持续发挥其影响力。集成了传感器技术、微机电系统（MEMS）技术、无线通信技术和分布式信息处理技术的WSN使因特网从虚拟世界延伸到物理世界。因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式，而WSN将改变人与自然交互的方式。1999年和2003年著名的美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将其列为21世纪最具影响的21项技术和改变世界的10大新技术之一。第二十九页，共77页。1.1概论及应用前景(8)WSN发展物联网(TheInternetofthings)是新一代信息技术的重要组成部分。顾名思义，就是“物物相连的互联网”。有两层意思：物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。物联网定义：通过传感器、射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。第三十页，共77页。1.1概论及应用前景(9)WSN应用前景WSN有着十分广泛的应用前景，在工业、农业、军事、环境、医疗，数字家庭，绿色节能，智慧交通等传统和新兴领域有具有巨大的运用价值，无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。第三十一页，共77页。WSN应用示例——家庭安全系统

一套家庭安全系统，可由若干个无线节点系统组成一个无线网络：所有节点均采用电池供电，安装在屋顶的自动烟雾传感器节点，安装在厨房的煤气泄漏监视传感器节点，安装在门窗上的防盗监视传感器节点等。每各节点都是一个智能的系统，并通过无线网络保持双向联系。所有节点无线汇集到家庭中心无线服务器，中心服务器连接电话线和INTERNET网络，实现远程异地管理服务。第三十二页，共77页。WSN应用示例——街头停车收费系统

繁华中心区，你会看到成千上万的各种汽车，停泊在马路两边。几辆车中间，有一个自动停车收费系统，你需要投入硬币或刷卡，收费系统会打印出一张发票，你将发票放到车窗前，作为你存车依据。

智能公共交通与智能城市第三十三页，共77页。WSN应用示例——无线读表系统

每个表都采用智能无线系统，自动完成水/电/煤气/热量计量，自动储存在系统储存器中。那么，在需要查表时，查表员不用进入家门，无线电波穿墙而过，查表人员就可以在瞬间轻松完成读表。由于每个家庭中无线智能表已经和邻居家的无线智能表自动连接成为无线网络，就像接力赛跑一样，一个无线节点双向通过另一个无线节点组成网状数据链，将整个大楼的无线智能表都连接在同一个无线网络上。查表人员可以不用上楼下楼，仅仅通过大楼入口处的任何一个无线节点，便可以通过无线网络迅速完成整栋大楼查表工作。

第三十四页，共77页。WSN应用示例——轮胎压力监视系统

有汽车驾驶经验的人都知道保持汽车轮胎压力的重要性，如果在高速驾驶中，轮胎突然失去压力或车轮胎破裂，处理不当会造成重大事故。所以，实时监视轮胎压力对安全驾驶非常重要。但是，轮胎在高速旋转，安装任何有线的传感器，那将非常困难的。采用无线轮胎压力监视系统，由单片机、无线收发电路、压力传感器，电池组成无线节点，无线节点被放置在汽车每个轮胎中，靠电池为能源工作。当轮胎高速旋转时，每个节点的单片机控制传感器定时监测轮胎内的压力，并通过无线网络，以无线方式将监测到的轮胎压力信息传输到驾驶台上的轮胎压力显示系统，如果轮胎压力异常，将会发出报警信号。第三十五页，共77页。WSN应用示例——货物跟踪管理系统

集装箱运输目前非常流行，每天有成千上万的集装箱在卡车上，轮船上。监视这些移动中的货物，是货主和运输公司共同的需要。像信用卡大小的无线节点，作为电子标签，粘贴在每个集装箱上，每个无线节点都有一个独特的电子编码，这个电子编码可以是全球统一标准的EPC编码。同时，无线节点还可以储存更具体运输信息，货物信息，客户信息等。当卡车、火车、轮船到达，收到调度中心查询要求，便可以迅速通过车上、无线网络，向这个电子标签的无线节点进行查询，得到相关信息。加上车船上现有的卫星定位信息，调度中心可以立即了解到该货物的具体位置。同时，通过统一系统，客户也可以通过INTERNET、卫星通讯，快速方便的查询货物的位置，得知收到货物的准确时间。第三十六页，共77页。WSN应用示例——农作物环境监测系统

由8位单片机构成的无线农作物环境监测节点，在每个节点配置不同的传感器，包括温度/湿度/光照等。每个节点可以相互间距离百米，上千米的，然后以成百上千个这样的无线节点组成的无线网络，覆盖几十、几百亩的土地。每个节点既是一个传感器节点，可以实时监视该点附近的温度/湿度/光照情况。而且每个节点也是以个无线路由器，传发器，可以无线双向中转，将信息传输到天线范围内的其他节点。一旦某节点故障，聪明的节点会通过其他节点，建立另外的通讯链路，确保通讯畅通。第三十七页，共77页。1.2无线信道及ISM开放频带无线信道无线信道是一种较弱的媒体，易受噪声、干涉、屏蔽、多路等影响，这些信道障碍会因为用户的移动而随时间改变。无线系统使用大气层作为传输媒体。无线信号通过尺度与信号波长大致相同的天线产生一系列足够的振幅来穿过传输媒体。第三十八页，共77页。1.2无线信道及ISM开放频带无线信道无线传输特点:传送信号在传送器和接收器之间有一个被削弱或阻塞的直路成分。同时存在其它成分(称为多路成分):通过周围物体反射、散射、衍射到达接收器，相对于直路信号，振幅、相位和时间都会发生变化。(a)无线电波沿地面传播;(b)通过电离层反射第三十九页，共77页。1.2无线信道及ISM开放频带(2)无线通讯的频谱RF(RadioFrequency)频谱RF是区别各种电波的一个重要依据。常见的调频收音机、各种手机、无线电话、无线卫星电视等，从几十兆到几千兆的频谱上，集中了各种不同的无线应用，都使用同一个通讯传输媒介——空气。国内无线电广播、电视常用的无线电波的波段是：中波广播550-1605kHz；短波广播2-24MHz；调频广播87-108MHz。

第四十页，共77页。1.2无线信道及ISM开放频带(2)无线通讯的频谱RF(RadioFrequency)电视广播使用的频率包括“甚高频段VHF”和“特高频段UHF”。

VHF有12个频道：1-5频道VL48.5-92MHz，6-12频道VH为167-223MHz。

UHF有56个频道，其频道范围是从13-68频道，相对应的频率范围是470-958MHz。国际上规定卫星广播电视有6个频段，主要频段是12000MHz。在这个波段里，卫星广播电视业务受到保护。第四十一页，共77页。常用波段划分序号频段符号波长范围频率范围应用范围1超长波(甚低频)VLF100000-10000m3-30kHz1.海岸——潜艇通信；2.海上导航2长波(低频)LF10000-1000m

30-300kHz1.大气层内中等距离通信；2.地下岩层通信；3.海上导航。3中波(中频)MF1000-100m300kHz-3MHz1.广播；2.海上导航4短波(高频)HF100-10m3-30MHz1.远距离短波通信；2.短波广播5超短波(甚高频)

VHF10-1m30-300MHz1.电离层散射通信30-60MHz；2.流星余迹通信30-100MHz；3.人造电离层通信30-144MHz；4.对大气层内、外空间飞行体(飞机、导弹、卫星)的通信；电视、雷达、导航、移动通信。6分米波(特高频)UHF1-0.1m300-3000MHz1.陆地移动系统对流层工散射通信（700-1000MHz）；2.小容量（8-12路）微波接力通信（352-420MHz）；3.中容量（120路）微波接力通信（1700-2400MHz）。7厘米波(超高频)SHF10-1cm3-30GHz1.大容量（2500路、6000路）微波接力通信（3600-4200MHz，5850-8500MHz）；2.数字通信；3.卫星通信；4.波导通信8毫米波(极高频)EHF10-1mm30-300GHz穿入大气层时的通信第四十二页，共77页。为了保证各种无线通讯之间不相互干扰，需要对无线频道的使用进行管理。各国的无线电管理机构负责管理RF频道的使用，美国管理机构是美国联邦通讯委员会(FCC)，欧洲是欧洲电信标准化协会（ETSI）,中国是中国无线电管理委员会。频道管理最基本的规则是无线发送器的使用需要获得许可。1.2无线信道及ISM开放频带(3)第四十三页，共77页。红外和无线电比较红外的频率要远远高于无线电的频率，约为100GHz。长距离的红外传输需要很大的发射功率或很高的定向天线。有两种红外传输方式：定向和非定向。定向比非定向有更高的数据速率。红外的频谱是不受管制的。红外系统不受无线电的影响。红外不能穿透墙壁和其他不透明物体，因此只局限于其信号源所在的房间内。符号间干涉是高速红外系统的主要问题，一般采用均衡法来消减符号间干涉。红外系统还会受到周围相近频率光线的影响。不适用于室外系统。1.2无线信道及ISM开放频带(3)第四十四页，共77页。1.2无线信道及ISM开放频带(4)各国的无线管理部门也规定了某些频带不需许可就可以使用，以满足不同的需要。这些频带通常包括ISM(IndustrialScientific,andMedical工业医疗科学)频带。各国的无线电管理不尽相同。在美国，FCC管理无线电频谱的分配。可用的免许可证的频带包括：27MHz、260MHz至470MHz、902MHz至928MHz和最常用的2.4GHz频带。其中260MHz至470MHz频带对数据传送的类型有所限制，而其它频带则没有这样的限制。ISM频道在欧洲所分配到的频率为433MHz、868MHz和2.4GHZ。中国目前可以使用的ISM频率是：433MHZ和2.4GHZ。第四十五页，共77页。1.2无线信道及ISM开放频带(4)除了ISM频带以外，在中国整个低于135kHz，在北美、南美和日本低于400kHz，也都是可以使用的免费频段。各国对无线频谱资源的管理，不仅规定了相关的ISM开放频道的频率，同时也严格规定了在这些频率上所使用的发射功率。实际使用这些频率时，需要查阅各国无线频谱管理机构的具体技术要求。第四十六页，共77页。典型的长距离无线通讯系统典型的长距离无线通讯系统如图，包括：发送端，接收端，中继站三大部分。发送端向外界发送数据信息，如果传输距离比较远，出现信号衰减就需要安装中继站来提高信号传送的质量，接收端把信息接收下来分析，处理使用。广泛应用于军队、武警、公安、交通运输、石油勘探、森林防火、抗洪抢险、国土勘查、电视台现场直播、海关缉私、港口作业……等多种领域，实现灵活组网及高速实时图像、语音和各种数据信息传输。大部分需要申请固定的无线频道，通信距离可以从几十米到几千公里，并可以由许多无线基站组成各种无线网络。1.3典型无线网络结构和工作原理第四十七页，共77页。短距离无线通信和长距离无线通信区别，主要特征如下：1)无线发射功率在几微瓦到小于100微瓦；2)通信距离范围在几厘米到几百米；3)主要在房间内使用；4)使用全向天线和线路板天线；5)不需要申请无线频道；6)高频操作；7)电池供电的无线发射器和无线接收器。

短距离无线通信系统

第四十八页，共77页。典型的短距离无线通信系统：无线发射器：包括数据源，调制器，RF源，RF功率放大器，天线，电源无线接收器：包括数据接收电路，RF解调器，译码器，RF低噪声放大器，天线，电源发射器的数据通过无线发射出去，接收器天线接收后，进行处理，得到正确的、经过校验的正确数据。短距离无线通信系统

第四十九页，共77页。典型的无线网络结构和原理

以太网结构

属于一种基带总线型局域网总线(Bus)是两个或两个以上设备通讯的共享物理通路，是信号线的集合.各种设备通过总线进行数据交换。以太网中同轴电缆被作为网络媒体,即总线.各种设备使用收发器与网络媒体进行连接.以太网中所有与网络媒体连接的工作站都可以接收网络上的信息。每个工作站都要确认该信息是不是发送给自己的，一旦确认是发给自己的，工作站将接收数据并把它发送到高一层的协议层进行处理。第五十页，共77页。典型的无线网络结构和原理(2)

无线网络(WirelessNetwork)由许多独立的无线节点通过无线电波相互通讯而构成的无线通信网络广义的说，凡是采用了无线传输媒体的网络都可以称作无线网络传输媒体可以是无线电波、光波或者红外线等等无线网络具有无需布线，一定区域内可漫游，运行费用低廉等优点，这些优点使得它在许多应用场合发挥出了不可替代的作用，无线网络在配制上分为“点到点”和“主从”两种。网络拓扑:星状连接方式

、超级星状连接方式和网状连接第五十一页，共77页。网状连接的无线网络网状连接方式又称为:点到点到点(point-to-point-to-point)，它和传统的点到多点连接方式最大的不同是：网状连接方式中的每一个节点都有无线微处理器，所以无需无线路由器就可以实现与另一节点之间的互连。每个无线节点不仅可以收发信息，还可以自动转发信息到网络中的其他任意节点。由于网状连接方式中每个节点的智能化，所以，当网络中任一节点故障时，附近的无线节点会自动代替该故障的节点，继续进行信息的传输和转发，从而大大提高了系统可靠性。由于任意无线节点之间通过无线连接，就如接力赛跑一样，信息可以通过无线节点组成的网络，传输到更远的地方。第五十二页，共77页。1.4短距离无线网络国际标准几种热门的短距离无线网络国际标准：无线局域网(WLAN)蓝牙(Bluetooth)技术HomeRFZigBee第五十三页，共77页。1.4短距离无线网络国际标准(2)无线局域网(WLAN)无线局域网WirelessLocalAreaNetworks,简写为WLAN支持无线网络标准IEEE802.11a，数据传输速率可达到54Mbps,同时支持更多无线用户和增强的移动多媒体应用,如数据流视频。在无阻塞的5GHz频带上运行，减少了与无绳电话之间的干扰。另一标准IEEE802.11b,数据速率可达到11Mbps蓝牙(Bluetooth)技术取自十世纪统一了丹麦的国王哈拉德二世的名字,目的是期望统一.是一种短距离无线通信技术，数据与语音通信的开放性全球规范.一般由无线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组成。将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统及家用电器无线联接起来.传输距离为10cm～10m，如果增加功率或加上某些外设可达到100m.采用2.4GHz频段调频、跳频技术，使用权向纠错编码、ARQ、TDD和基带协议.第五十四页，共77页。1.4短距离无线网络国际标准(3)HomeRFHomeRF工作组1997年由美国家用射频委员会领导成立，主要工作任务是为家庭用户建立具有互操作性的话音和数据通信网。推出的HomeRF标准集成了语音和数据传送技术，在安全性方面主要考虑访问控制和加密技术。HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进。当进行数据通信时，采用IEEE802.11规范中的TCP/IP传输协议，当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。但该标准与802.11b不兼容，且占据了与802.11b和Bluetooth相同的2.4GHz频率段，所以多应用于家庭网络。

ZigBee第五十五页，共77页。1.4短距离无线网络国际标准(4)

ZigBeeZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE无线个人区域网工作组的IEEE802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。ZigBee并不仅仅只是802.15.4的名称，IEEE只处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。主要应用在短距离范围内以及数据传输速率不高的各种电子设备之间，因此非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。典型的传输数据类型有周期性数据（如传感器），间歇性数据（如照明控制）和重复低反应时间数据（如鼠标）。目标功能是自动化控制，采用跳频技术，使用的频段分别为2.4GHz(ISM)、868MHz(欧洲)及915MHz（美国）。而且均为免执照频段，有效覆盖范围10~75m。当网络速率降低到28kb/s时，传输范围甚至可以扩大到134m，具有更高的可靠性。

第五十六页，共77页。1.4短距离无线网络国际标准(5)

ZigBeeZigBee主要技术特点数据传输速率：10k字节/秒到250k字节/秒；功耗低：低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6月到2年；成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，大大降低了成本；网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备。时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。有效范围小：有效覆盖范围10～75米之间；使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)为免执照频段。

第五十七页，共77页。1.4短距离无线网络国际标准(6)ZigBeeZigBee技术目标应用

ZigBee低成本、低功耗、低传输率、安全性好的特点，很适合应用于对家用电器和小型电子设备的无线控制领域。空调系统，温度控制器,灯光、窗帘等家庭自动系统；手持紧急呼叫器；遥控器,无线键盘、滑鼠、摇杆，玩具；无线传感器；RF-ID智慧型标签。第五十八页，共77页。1.5无线信道访问由于无线频谱的不足，在不同的应用中共享带宽的有效技术显的很必要。对于持续的传输（如视频和语音），一般分配专用信道。在专用信道中，共享带宽称为多路访问。对于突发性的数据传输，使用随机信道分配，使用随机信道分配来共享带宽，称为随机访问。多路访问多路访问技术通过带宽分割将专用信道划分给多个用户。划分频谱的方法包括频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)以及这些方法的结合。FDMA:系统总带宽被划分为频率不重叠的正交信道，并将其分配给不同的用户。TDMA:将时间划分为不重叠的时隙，并将其分配给不同的用户。CDMA:时间和带宽同时被不同的用户使用，通过正交或半正交扩展编码进行调制。第五十九页，共77页。1.5无线信道访问(2)

CDMA多路访问通过正交编码的CDMA，接收器将所需的信号从其他的CDMA用户中分离出来，用户间没有干涉。而半正交扩展编码，用户间还存在残余干涉。直接序列扩频经常被用来生成半正交CDMA信号。FDMA是几种多路访问技术中最简单的。TDMA稍微复杂一点，它需要所有的用户间的时序保持同步。另外，TDMA中用户间的正交性会受到符号间干涉的影响。半正交CDMA是多路访问方法中最复杂的一种。第六十页，共77页。1.5无线信道访问(3)随机访问在大多数无线数据网络中，只有一部分很少的、不可预知的以及时常变动的用户群会随时有数据发送。给每个用户分配专用信道会很低效，而随机分配信道，对信道的访问没有保证，因此需要一个随机访问协议。随机访问协议主要有两类：ALOHA技术和预留或按需分配协议。纯ALOHA无论何时有数据，发送器都马上往信道发送数据分组。这导致在接收端大量的数据发生冲突。发生冲突的分组必须在下一个时间内重发。ALOHA信道最大吞吐量（正确接收分组的速率）是数据速率的18%。时隙ALOHA将时间分成独立的时隙，分组传输限制在这些预先决定好的时隙中，冲突发生会很少，因为这时没有分组重叠。这种对纯ALOHA的改进称为时隙ALOHA。时隙ALOHA的吞吐量是纯ALOHA的2倍。带载波监听的ALOHA(CSMA/CD)带载波监听的ALOHA一般使用于有线网络（如以太网），用来避免分组冲突。载波监听和冲突检测一般结合使用，但在无线信道中不是很有效率，原因是有通路损失。假定两个发送用户分别在一个接收器的两侧，虽然接收器也能正确的对两个用户发来的分组进行解码，但用户之间不能检测到对方发送的分组，因为两者距离太远了。第六十一页，共77页。1.5无线信道访问(4)随机访问冲突避免（MACA）当前在无线局域网中使用的是冲突避免。在冲突避免中，当接收器接收一个分组时，广播一个“忙信号”通知所有邻近的发送器。需要发送分组的发送器在忙信号结束后等待一段随机的时间，然后发送分组。冲突避免显著增长了ALOHA的吞吐量。但其效率会受到忙信号的通路损失、屏蔽和多路衰减的影响。预留协议

预留协议通过一个专用预留信道按需给用户分配信道。信道分配通过中央基站或通过运行于每个终端的公共算法。基于命令的分配对随机访问来说是一种非常有效的方法。但也会有一些问题，信道预留请求和分配过程中的一大堆的短消息初始化会加大网络开销。对于高负载系统的预留信道可能因为预留请求而拥塞。第六十二页，共77页。4.1NRF9E5无线单片机及开发平台一、8051内核9E5无线单片机简介8051内核微控制器,最新短距离收发芯片,

9E5无线单片机二、无线单片机开发平台简介三、

短距离数据无线通信入门四、巧用频率资源（频分多址——FDMA）五、时间区分避免无线通讯冲突（时分多址——TDMA）六、提高防冲突效率——载波监听与跳频通信第六十三页，共77页。C51RF-4无线单片机开发系统第六十四页，共77页。NRF9E5模块第六十五页，共77页。作业与思考题无线传感器网络(WSN)概念及功能特点？(q1什么是无线传感器网络？)WSN节点组成、类型及特点？(q4传感器节点由哪几部分组成？各部分功能？)WSN体系结构及特点？WSN应用实例分析。嵌入式无线通信与无线网络应用前景？无线信道与无线传输特点？无线通信频谱与ISM开放频带及其特点？短距离无线通信系统及工作原理？典型的无线网络结构和工作原理？ZigBee网络标准及其主要技术特点？多路访问含义及其主要技术方法？随机访问含义及其主要技术方法？第六十六页，共77页。无线传感器网络(WSN)概念及功能特点？(q1什么是无线传感器网络？)(1)是由静止或者移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。(2)功能：利用大量微型传感器来跟踪各种活动，对气候、光和热等周围环境进行评估。目的是感知、采集、处理、传输信息，发送给用户。(3)功能特点：这些传感器收集有用信息时，开通低功率的发射机，将数据传送到附近的另一个装置，传送距离可在10米-300米之间。综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,能够协调地进行实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,传送到需要这些信息的用户。是由大量无处不在的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统，能根据环境自主完成指定任务的“智能”系统。第六十七页，共77页。WSN节点组成、类型及特点？(q4传感器节点由哪几部分组成？各部分功能？)(1)WSN节点组成:由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源模块组成。数据采集单元:由传感器及其信号调理电路、AD转换器件组成，被监测物理信号的形式决定了传感器的类型；数据处理单元:由存储器、微处理器及其应用系统组成；数据传输单元:由网络通信及射频模块组成，由低功耗、短距离的无线通信模块；电源模块:由电池及电源管理电路等组成。(2)WSN节点特点:节点采用电池供电，一旦电源耗尽，节点就失去了工作能力；硬件要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务的时候，切断射频部分电源；软件设计各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲其他的一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。因为需要进行较复杂的任务调度与管理,系统需要一个微型化的操作系统。(3)WSN节点类型:在网络中充当数据采集、中转或簇头节点(cluster-headnode)：数据采集节点,收集周围环境的数据(如温度、湿度),通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基站(basestation)或汇节点(sinknode);数据中转节点,接收邻居节点的数据,将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点;簇头节点,负责收集该类内所有节点采集的数据,经数据融合后,发送到基站或汇节点。第六十八页，共77页。WSN体系结构及特点？典型体系结构如图所示:节点以自组织形式构成网络,通过多跳中继方式将监测数据传到sink节点，最终借助长距离或临时建立的sink链路将整个区域内的数据传送到远程中心进行集中处理。WSN特点:(1)硬件资源有限。节点计算能力、程序空间和内存空间比普通的计算机功能要弱很多。(2)电源容量有限。网络节点由电池供电，电池的容量一般不是很大。(3)无中心。无线传感器网络中没有严格的控制中心，所有结点地位平等，是一个对等式网络。(4)自组织。节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。(5)多跳路由。网络中节点通信距离有限，节点只能与它的邻居直接通信。无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。(6)动态拓扑。是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行；一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化，具有动态拓扑组织功能。(7)节点数量众多，分布密集。为了对一个区域执行监测任务，往往有成千上万传感器节点空投到该区域。节点分布密集，利用节点之间高度连接性保证系统的容错性和抗毁性。第六十九页，共77页。WSN应用实例分析。(1)家庭安全服务系统(2)农作物环境监测系统第七十页，共77页。嵌入式无线通信与无线网络应用前景？有着十分广泛的应用前景，在工业、农业、军事、环境、医疗，数字家庭，绿色节能，智慧交通等传统和新兴领域有具有巨大的运用价值，无线传感器网络将无处不在，将完全融入我