《物联网》课件-第二章03物联网中的信息感知

目录123网络信息感知0无线传感器WSN前端数据感知与采集3.1前端数据感知与采集3.1.1传感器11.常见传感器传感器是物联网中获得信息的主要设备，其作用尤为突出。它利用各种机制把被观测量转换为一定形式的电信号，然后由相应的信号处理装置来处理，并产生响应的动作。温度传感器

常见的温度传感器包括热敏电阻，半导体温度传感器，以及温差电偶。热敏电阻主要是利用各种材料电阻率的温度敏感性，根据材料的不同，热敏电阻可以用于设备的过热保护，以及温控报警等等。压力传感器

常见的压力传感器在受到外部压力时会产生一定的内部结构的变形或位移，进而转化为电特性的改变，产生相应的电信号。湿度传感器

电阻式湿度传感器（湿敏电阻），利用氯化锂、碳、陶瓷等材料的电阻率的湿度敏感性来探测湿度。

电容式湿度传感器（湿敏电容），利用材料的介电系数的湿度敏感性来探测湿度。3.1.1传感器21.常见传感器光传感器

光敏电阻主要利用各种材料的电阻率的光敏感性来进行光探测。

光电传感器主要包括光敏二极管和光敏三极管，这两种器件都是利用半导体器件对光照的敏感性。

集成光传感器把光敏二极管和光敏三极管与后续信号处理电路制作成一个芯片方便使用。光传感器的不同种类可以覆盖可见光，红外线（热辐射），以及紫外线等波长范围的传感应用。霍尔（磁性）传感器

霍尔传感器是利用霍尔效应制成的一种磁性传感器。霍尔效应是指：把一个金属或者半导体材料薄片置于磁场中，当有电流流过时，由于形成电流的电子在磁场中运动而收到磁场的作用力，会使得材料中产生与电流方向垂直的电压差。可以通过测量霍尔传感器所产生的电压的大小来计算磁场的强度。结合不同的结构能够间接测量电流、振动、位移、速度、加速度、转速等。3.1.1传感器32.微机电传感器微机电压力传感器该传感器利用了传感器中的硅应变电阻在压力作用下发生形变而改变了电阻来测量压力；测试时使用了传感器内部集成的测量电桥。

微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS)，是一种由微电子、微机械部件构成的微型器件，多采用半导体工艺加工。目前已经出现的微机电器件包括压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等等。微机电加速度传感器该传感器主要通过半导体工艺在硅片中加工出可以在加速运动中发生形变的结构，并且能够引起电特性的改变，如变化的电阻和电容。微机电气体流速传感器该传感器可以感知有气流通过时的温度分布变化来确定气体流速，可用于空调等设备的监测与控制。3.1.1传感器43.智能传感器智能传感器（smartsensor）是一种具有采集、处理、交换信息能力的传感器，目前多采用把传统的传感器与微处理器结合的方式来制造。智能传感器能够显著减小传感器与主机之间的通信量，并简化了主机软件的复杂程度，使得包含多种不同类别的传感器应用系统易于实现；此外，智能传感器常常还能进行自检、诊断和校正。智能传统Honeywell公司开发的PPT系列智能压力传感器Sensirion公司推出的SHT11/15温湿度智能传感器Honeywell公司推出的AMPS-10G型智能液体浑浊度传感器3.1.1传感器54.传感器板

为了便于使用，常常在一块电路板上集成多个传感器，比如，可以包括光强传感器、温度传感器和磁力传感器等，这样的电路板便称为传感器板（SensorBoard）。

目前，市场上出现了许多配合传感器网络节点使用的传感器板，其中，以Crossbow公司的传感器板影响较大，下面是Crossbow公司的典型传感器板和数据采集板。传感器板数据采集板3.1.2数据采集6数据采集方式及发展过程数据采集方法数据自动采集数据手工采集IC卡射频标签RFID磁卡条形码二维条形码一维条形码数据采集(DAQ)，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采非电量或者电量信号，送到上位机中进行分析，处理。3.1.2数据采集71.条形码条形码是一种信息的图形化表示方法，可以把信息制作成条形码，然后用相应的扫描设备把其中的信息输入到计算机中。条形码分为一维条码和二维条码，下面分别介绍。一维条形码条形码扫描器

一维条形码或者条码（barcode）是将宽度不等的多个黑条和空白，按一定的编码规则排列，用以表达一组信息的图形标识符。二维条形码二维条形码是在二维空间水平和竖直方向存储信息的条形码。它的优点是信息容量大，译码可靠性高，纠错能力强，制作成本低，保密与防伪性能好。3.1.2数据采集82.磁卡磁卡（magneticcard）：一种卡片状的磁性记录介质，利用磁性载体记录字符与数字信息，用来识别身份或其他用途。IC卡（integratedcircuitcard）：也叫做智能卡（smartcard），它是通过在集成电路芯片上写的数据来进行识别的。IC卡与IC卡读写器，以及后台计算机管理系统组成了IC卡应用系统。3.IC卡3.1.2数据采集94.RFIDRFID的全称为RadioFrequencyIdentification,即射频识别，俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，主要用来为各种物品建立唯一的身份标识，是物联网的重要支持技术。RFID的系统组成包括：电子标签，读写器（阅读器），以及作为服务器的计算机。其中，电子标签中包含RFID芯片和天线。电子标签、读写器和所有这些组件共同工作，组成了完整的解决方案。RFID系统组成电子标签外观3.1.2数据采集104.RFIDRFID标签的组成 RFID电子标签一般由天线、调制器、编码发生器、时钟及存储器等模块组成。分为有源标签和无源标签。有源标签是指内部有电池提供电源的电子标签。无源标签是指内部没有电池提供电源的电子标签。电子标签的结构RFID读写器 RFID读写由天线、射频模块和控制模块组成，各种读写器虽然在耦合方式、通信流程、数据传输、频率范围等方面具有很大的差别，但是在功能原理上，以及由此决定的结构设计上，各种读写器十分类似。RFID读写系统3.1.2数据采集114.RFID电子标签外观

工作原理

每个RFID芯片中都有一个全球唯一的编码；在为物品贴上RFID标签后，需要在系统服务器中建立该物品的相关描述信息，与RFID编码相对应。当用户使用RFID阅读器对物品上的标签进行操作时，阅读器天线向标签发出电磁信号，与标签进行通信对话，标签中的RFID编码被传输回阅读器，阅读器再与系统服务器进行对话，根据编码查询该物品的描述信息。

RFID标签分为有源和无源标签，有源标签采用电池供电，工作时与阅读器的距离可以达到10m以上，但成本较高，应用较少；目前实际应用中多采用无源标签，依靠从阅读器发射的电磁场中提取能量来供电，工作时与阅读器的距离大约在1m左右。3.1.2数据采集124.RFIDRFID应用

RFID的典型应用领域包括：门禁考勤，图书馆，医药管理，仓储管理，物流配送，产品防伪，生产线自动化，身份证防伪，充物身份识别，等等。两个RFID的应用案例：1.铁路车号自动识别系统（ATIS）国内最早应用RFID的系统，也是应用RFID范围最广的系统，开发于上世纪90年代中期；该系统可实时，准确无误地采集机车、车辆运行状态数据，如机车车次、车号、状态、位置、去向和到发时间等信息，实时追踪机车车辆；该系统已遍及全国及18个铁路局、7万多公里铁路，超过55万辆机车和车厢安装了无源RFID标签。2.北京奥运会门票北京奥运会期间，共发售了1600万张RFID门票；这种门票防伪性能良好，观众入场时手持门票通过检票设备即可，省去了人工验票过程；门票使用了国内自主开发的最小的RFID芯片，芯片最小面积0.3平方毫米，厚度最小达到50微米，可嵌入到纸张内。目录123网络信息感知13无线传感网WSN前端数据感知与采集3.2无线传感网3.2.1网络节点14感知节点：主要作用为数据采集。网关节点：负责数据融合或数据转发。传感器网络是一种由传感器节点组成的网络，其中每个传感器节点都具有传感器，微处理器，以及通信单元，节点之间通过通信联络组成网络，共同协作来监测各种物理量和事件。目前的传感器网络中以无线传感器网（WirelessSensorNetwork，WSN）发展最为迅速，被列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一，受到了普遍的重视。无线传感器网络几种传感器节点3.2.1网络节点151.节点组织结构传感器节点一般由：微控制器模块、无线通信模块、传感器模块和电源管理模块四个部分组成。

传感器模块节点的传感单元由能感受外界特定信息的传感器组成，相当于传感器网络的“眼睛”和“鼻子”。根据传感器感受信息性质的不同，可以把传感器分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器。物理量传感器能感受声、光、热、磁和图像等信息，化学量传感器通常对某种气体敏感，而利用生物量传感器可对微生物进行快速检测，这对于军事、医疗、食品卫生等方面意义重大。此外，根据传感器提供的信号不同，可分为模拟量传感器和数字量传感器。

微控制器模块目前，许多前端感知节点都使用ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，以及TI公司生产的MSP430系列处理器。而汇聚节点则采用了功能强大的处理器，比如，ARM处理器、8051内核处理器或PXA270处理器等。16无线通信模块无线数据可以通过激光、红外线和射频三种介质进行传输。激光与红外线具有能耗低、无需天线和保密性好等优点，但定向传输的特性限制了它们的应用范围，不适合传感器节点的随机布置行为。射频通信具有易于使用和易于集成等优点，使其成为理想的传感器节点通信方式。目前，传感器网络节点多采用射频芯片构建通信模块。缺点：不易微型化、保密性差。1.节点组织结构3.2.1网络节点电源管理模块节点的供电单元通常由电池和直流转直流电源模块(DC/DC)组成，DC/DC模块是为传感器节点的用电单元提供稳定的输入电压。某些电源管理IC芯片能够监视电池的剩余容量，这使得节点清楚当前的能量状态。传感器网络可根据节点的能量状态动态调整网络的拓扑结构，使剩余能量多的节点承担较繁重的任务，剩余能量少的节点则转为低功耗状态，以平衡节点间的能量开销。3.2.1网络节点17通俗地讲，从一个网络向另一个网络发送信息，必须经过一道“关口”，这道关口就是网关(Gateway)。网关又称为网间连接器、协议转换器，网关在传输层及以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。——究其本质而言，网关是一种进行功能转换的计算机系统，在使用不同通信协议、数据格式，甚至体系结构完全不同的两种网络之间，实现功能的互通。传感器网络的网关节点通常是一个嵌入式硬件设备，其硬件部分通常由微处理器单元、存储单元、无线射频收发模块和以太网通信模块等组成。存储单元无线通信模块微处理器以太网通信模块2.网关节点3.2.1网络节点183.典型传感器平台特定传感器平台

特定传感器平台侧重于节点，超低功耗和体积微型化设计，但同时也决定了其处理能力和传输能力非常有限。通用传感器平台UCBerkeley的Mica系列节点为典型代表，主要包括Rene、Mica、Mica2、Mica2dot和MicaZ等不同版本，还包括性能增强版本IRIS节点。另外，还包括SUN公司生产的SUNSPOT节点，我国中科院计算技术研究所宁波分部设计生产的GAINSJ系列节点。高性能传感器平台Imote2集成了Intel公司低功耗的PXA271XScaleCPU和兼容IEEE802.15.4的CC2420射频芯片。可工作于低电压（0.85V）、低频率（13MHz）的模式，可进行低功耗操作，该处理器支持几种不同的低功耗模式，如睡眠和深度睡眠模式。3.2无线传感网19WSN特点：低成本，低功耗，低速率，短距离。优点：传感器节点数量大且分布范围广网络动态性强自组织网络感知数据流量大以数据为中心应用相关

缺点：节点能量有限节点通信能力有限节点计算能力有限3.2.2WSN特点及挑战

网络通信基础设施中间件技术数据管理技术节点技术及其嵌入式软件系统WSN挑战：由于WSN的特点及其广阔的应用前景，WSN已经成为21世纪的一个新研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性问题。20物理层：核心问题是解决如何省电。传输介质：无线电、红外线、光波。传输频段：433MHz、915MHz、916MHz、2.4GHz无线电收发器的设计：TI2420/2520/2430、Microchip、Freescale、Dordic调制方式：PSK、FSK数据链路层：数据链路层的研究主要集中在MAC协议方面，研究重点依然是如何节省能量。基于随机竞争的MAC协议：S-MAC，T-MAC。基于TDMA的MAC协议：DEANA、TRAMA、DMAC、SMACS、ERA、Dozer。3.2无线传感网3.2.3WSN的网络通信传感器网络协议栈213.2.3WSN的网络通信传感器网络协议栈网络层路由协议：

基于聚簇的路由协议、基于地理位置的路由协议、能量感知路由协议、以数据为中心的路由协议、容错路由协议基于聚簇的路由协议：LEACH、PEGASIS、TEEN基于地理位置的路由协议：贪心路由协议、GPSR（右手规则）、GEM、MAP以数据为中心的路由协议：定向扩散路由协议、Rumor-routing、TTDD支持移动sink（网格）能量感知路由协议：能量感知路由协议、GEAR传输层协议：当WSN与Internet或其他网络相连接时，传输层协议尤其重要。WSN的能量受限性、节点命名机制、以数据为中心等特征，使其传输控制很困难。WSN的传输层需要特殊的技术和方法。22基础设施时间同步节点定位能量管理网络安全拓扑控制QoS管理

3.2.4WSN的基础设施研究3.2无线传感网23WSN拓扑控制的问题是在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制或层次拓扑控制，最小化网络的能量消耗。统一功率分配算法COMPOW；基于节点度数的算法LINT/LILT和LMN/LMA；基于邻近图的近似算法CBTC，LMST，RNG，DRNG和DLSS；层次拓扑控制成簇算法TopDisc；虚拟地理网格分簇算法GAF；自组织成簇算法LEACH和HEED。1.拓扑控制WSN拓扑控制的研究仍需深入，要以实际应用为背景，研究多种机制，强调网络拓扑控制的自适应和鲁棒性，在保证网络连通性和覆盖度的前提下提高网络通信效率，最大限度地节省能量，延长网络的生存期。3.2.4WSN的基础设施研究在LEACH算法中，每一轮循环都要重新构造簇，而构造簇的能量开销比较大。其次，远离汇聚节点的簇头节点可能会由于长距离发送数据而过早耗尽自身能量，造成网络分割。另外，LEACH算法没有考虑簇头节点当前的能量状况，如果能量很低的节点当选为簇头节点，那么将会加速该节点的死亡，影响整个网络的生命周期。24定期向相邻节点广播RBS，POST-FATO(RBS改进，有事件才同步)全网络时间同步的机制TPSN，轻量级时间同步算法mini-Sync和tiny-sync，一种实现全网络时间同步的机制DMTS，计算开销小，需要传输的消息条数少，能够与外部标准时间同步，但同步精度较低。在TPSN的基础上提出了LTS同步机制，只需要与其父节点同步，同步次数是节点与根节点距离的线性函数，降低了交换信息量。洪泛时间同步机制，综合考虑了能量感知、可扩展性、鲁棒性、稳定性等方面的要求。2.时间同步待解决的关键问题：同步精度与能量有效性之间的平衡、局部同步和全网同步之间关系、抗外来侵扰的同步机制、同步机制的性能估计、安全时间同步机制等。3.2.4WSN的基础设施研究25基于距离的定位方法：首先使用测距技术测量相邻节点间的实际距离或方位，然后使用三角计算、三边计算、多边计算、模式识别、极大似然估计等方法进行定位。测距技术主要有如下4种：测量无线信号的到达时间（TOA）测量无线电信号强度（RSSI）测量普通声波与无线电到达的时间差（TDOA）测量无线信号到达角度（AOA）与测量距离无关的定位方法：首先确定多个包含待定位节点的多边形，然后计算这个多边形区域的质心，待定位节点与信标节点之间的估计距离，再利用三边测量法或极大似然估计法计算待定位节点的坐标。主要包括： APIT算法、质心算法、DV-Hop算法、Amorphous算法。3.节点定位

节点定位问题的研究还很不完善，基于测量距离的定位方法需要附加的硬件设备，与测量距离无关的定位方法精度低！目前还有很多关键问题需要解决，如定位精度评估、信标节点自身位置误差对定位精度的影响、测量距离的误差对定位精度的影响、网络拓扑结构对定位的影响等问题。3.2.4WSN的基础设施研究26密钥管理、身份认证和数据加密由于资源消耗较大，公钥密码系统无法应用于WSN！目前使用的主要是基于密钥预分配的对称加密技术和利用基站管理密钥的非对称加密技术！预分配密钥方法的缺点是无法有效地支持节点的加入；而且，当部分节点被敌方捕获后预分配的密钥也将失效！TinySec发现RC5和Skipjack适合于在嵌入式控制芯片上利用软件实现！攻击检测与抵御在许多WSN的应用中，传感器节点常常布置在人们易于接近的环境中。因此，容易受到各种恶意的攻击，例如干扰服务、节点捕获等。安全路由协议在WSN中的路由协议有很多安全弱点，容易受到攻击！敌方可以向WSN中注入恶意的路由信息使网络瘫痪。隐私问题

WSN的隐私包括位置隐私、时间隐私和数据隐私。4.网络安全WSN安全问题的研究工作相对较少，亟待解决的挑战性问题还很多，如使用有限内存空间管理大量预分配密钥、支持新节点加入的密钥预分配技术、低能耗加密方法、入侵模型和入侵抵御方法、安全路由方法、安全网内数据处理技术等问题。3.2.4WSN的基础设施研究27WSN的服务质量QoS是其可用性的关键。所以，QoS管理的理论和技术是一个重要的研究领域。一种基于中间件的QoS机制，支持多Sink的多种QoS需求，利用节点的冗余保障网络操作的容错性，并能够以较低的开销为应用提供实时性服务！路由协议的QoS问题，提出一个包发送协议，称为多路径多速度路由协议，保证路由的实时性和可靠性！该协议通过设置多包发送速度，提供多级别的实时保证！通过选择多路径，提供各种各样的可靠性保证！把网络连通可靠性和感知覆盖度结合起来作为WSN的QoS度量，提出评估这种面向覆盖的WSN可靠性的方法！5.QoS管理WSN的QoS管理问题很多，研究成果较少，需要系统深入的研究。3.2.4WSN的基础设施研究283.2无线传感网3.2.4WSN其他关键技术中间件的定义：独立的系统软件或服务程序。应用于客户机、服务器的操作系统，管理计算机资源和网络通信。连接两个独立应用程序或独立系统的软件，使相连接的系统即使具有不同的接口，利用中间件仍然能相互交换信息。执行的关键途径是信息传递。1.WSN的中间件技术在物联网中采用中间件技术，以实现多个系统和多种技术之间的资源共享，最终组成一个资源丰富、功能强大的服务系统。基于目的和实现机制，可分为：远程过程调用中间件面向消息的中间件对象请求代理中间件29NEST是一个实时网络协同和控制中间件组件，它把操作系统与应用程序员之间的界面抽象为一个高级界面，能够完成服务的自复制、迁移、分组等操作。中间件组件MiLAN实现了以满足应用系统性能要求为目标的网络资源动态管理机制。Mate是一个建立在TinyOS之上的中间件组件，提供了单个传感器节点上的高级程序界面，以通信为中心，支持WSN经常性的重编程工作。Agilla中间件系统提高了网络的灵活性，同时还简化了应用的开发，并实现了多个应用共享同一个WSN。中间件系统框架TinyCUBUS，包含一个数据管理