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1、物 联 网,第一节 物联网技术简介,最初的狭义传感器网络指的是由传感器节点和控制节点组成的局域无线网络，后来将互联网加入到传感网的系统结构中来，能将传感器网络的信息传送给更远的用户，这样就形成了广义的传感器网络的结构，将广义传感器网络的感知前端再加入更多的可以感知信息的部件（主要是RFID，以及所有其他能有助于物与物或人与物之间交换信息的感知部件），就构成了当前讨论的物联网的概念。,将来的物联网也必须是智能化的物联网，所依赖的技术应该包含前端技术（传感器、RFID等）、数据传输技术（无线通信、互联网等）、智能化处理技术（数理统计、模式识别等）、终端技术（给用户呈现信息的软、硬件技术）。,第二节
2、 传感网技术,图3-1 传感器节点示意图,第二节 传感网技术,一、传感网节点,传感网是由大量部署在作用区域内、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点，通过自组织方式构成能根据环境自主完成指定任务的分布式、智能化网络系统。,传感网节点的组成和功能包括以下四个基本单元：感知单元（由传感器和模/数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）以及电源部分，如图3-2所示。,图3-2 传感器节点结构,第二节 传感网技术,传感网的每个节点可以配备一个或多个传感器、一个无线电收发器、一个微控制器和一个能源（通常为电池）。单个传感器节点
3、的尺寸大到一个鞋盒，小到一粒尘埃。,加州大学伯克利分校主持开发的低功耗无线传感器节点Mica，Mica节点上可感知多个不同物理量：光强度、温度、地磁强度等。,二、传感网系统结构,包括三个方面的技术：感应、通信、计算（硬件、软件、算法）。,典型的传感网的体系结构包括分布式传感器节点（群）、sink节点、互联网和用户界面等。,传感网的系统结构如图3-3所示。,第二节 传感网技术,图3-3 传感网的系统结构,第二节 传感网技术,三、传感网协议,无线传感器网络协议也大致包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层上的协议。,1物理层,无线传感网物理层通信协议主要解决传输介质选择、传输频段选择、无线电
4、收发器的设计、调制方式等问题。,2数据链路层MAC协议,传感网的MAC协议旨在为资源（特别是能量）受限的大量传感器节点建立具有自组织能力的多跳通信链路，实现公平优先的通信资源共享，处理数据包之间的碰撞，重点是如何节省能量。,1）基于随机竞争的MAC协议,2）基于TDMA（时分多址）的MAC协议,第二节 传感网技术,3网络层路由协议,1）基于聚簇的路由协议 2）基于地理位置的路由协议 3）以数据为中心的路由协议 4）能量感知路由协议,4传输层协议,传感网的传输层与传统的网络传输层担负的任务大致相同，负责端到端的传输控制。,第二节 传感网技术,四、传感网操作系统,节点是传感网中部署到研究区域中用于
5、收集和转发信息、协作完成指定任务的对象。每个节点上运行的程序可以是完全相同的，唯一不同的是其ID。,存在的问题：应用程序开发的难度大大增加 ，程序员无法继承现有的软件成果 ，无法形成规模化开发 。,在传感网中，传感器节点有两个很突出的特点：, 并发性很密集。 传感器节点模块化程度很高。,TinyOS中引入了四种技术：轻线程、主动消息、事件驱动和组件化编程。,第二节 传感网技术,五、传感网中间件,中间件在软件系统中起到承上启下的作用。中间件是构件化软件的一种表现形式，它抽象了典型的应用模式，应用软件制造者可以基于标准的中间件进行再开发，这种操作系统方式其实就是软件构件化的具体表现。,传感网的特点
6、：,网络节点体积非常小，能量、资源有限，节点很容易出现功能失效。 由于节点本身的移动、能量耗尽或环境影响造成的节点失效，导致网络拓扑动态变化。 由于节点部署往往数量庞大，人工部署和维护不大可能，需要网络自配置和自维护。大量节点使网络更加健壮，但同时会造成数据冗余问题，需要数据的网内融合。 网络往往由许多体系结构、计算能力、存储能力、能量级别各不相同的异构节点组成，网络设计时也要考虑异构性问题。,第二节 传感网技术,图3-4 传感网系统分层结构,第二节 传感网技术,传感网中间件是完成实时网络协同和控制，实现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，在传感网节点间分配应用任务并确定优化任
7、务调度策略，兼容不同传感节点操作系统等任务。传感网中间件需要满足可靠性、自适应性、可扩展性、分布式计算、能耗优化等技术指标。,RFID中间件分为读取接口、处理模块及应用程序接口三个部分。,六、其他传感网技术,1拓扑控制 2时间同步 3节点定位 4网络安全 5服务质量（QoS）管理 6数据管理,第三节 传感网向物联网的扩展,物联网是将世界上所有和人类社会生活相关的东西进行网络连接，以便及时获取信息和实施管理。可见，物联网是互联网的延伸。现有的两类成熟技术构成了物联网的两大技术核心，这就是互联网和传感网。互联网技术赋予物联网远程连接的能力，传感器技术赋予物联网无处不在的能力。由于互联网在物联网中只
8、起到远程数据传输的作用，对物联网的建设和应用而言，其技术可以是透明的，而且互联网被大家所熟知。,在传感网的基础上，按照物联网的理念和应用需求进行技术、部件等的扩展就可以形成预期中的物联网。可进行扩展连接的部件包括了所有有利于将“物”连接入网的技术和设备，如RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，以及所有有助于现实应用模式的无限网络标准、协议、接入技术等。,第四节 “感知”前端,一、RFID和EPC,RFID解决了个体识别的问题。,图3-5 RFID应用,第四节 “感知”前端,条码技术的应用实现了对物品的数字化管理，也改善了供应链的管理水平，如图3-6所示。,图3-6 条码
9、技术应用,第四节 “感知”前端,RFID是一种利用无线射频识别技术识别目标对象并获取相关信息的技术。RFID从硬件设备讲主要包括电子标签和识读器两部分。当电子标签通过由识读器产生的射频区域时，识读器发出询问信号并向电子标签提供电磁能量，标签获得能量后向识读器返回芯片内存存储的EPC数据信息。因此，在RFID射频系统中识读器不需要“看见”就能读取信息。,RFID特点：快速读写、距离远、长期跟踪管理等。,1条码标识技术的局限性,（1）条码只能识别一类产品，而无法识别单品。 （2）条码是可视传播技术，即扫描仪必须“看见”条码才能读取它，这表明人们通常必须将条码对准扫描仪才有效。 （3）如果印有条码的
10、横条被撕裂、污损或脱落，就无法扫描这些商品。 （4）传统一维条码是索引代码，必须实时和数据库联系，从数据库中寻找完整的描述数据。,第四节 “感知”前端,（5）没有做到真正的“一物一码”，对每一个商品的管理不到位，更无法实现产品的实时追踪。 （6）传统的条码技术不便于推广开发基于互联网的应用。 （7）没有分类和属性信息，不能实现分类查询、统计等应用，在电子商务中的应用受到限制。,2RFID标识技术及其优越性,条码与RFID的功能对比，在标签信息容量大小、一次读取数量、读取距离远近、读写能力更新（标签信息可反复读写R/W）、读取方便性（读取速度与可否高速移动读取）、适应性（全方位穿透性读取，在恶劣
11、环境下仍可读取，全天候工作）等方面都大大优于条码。,RFID是一种新兴的自动识别技术。,射频识别技术最突出的特点如下：,（1）可以非接触识读，距离可以从十厘米至几十米。 （2）信息容量大，唯一标识每个物体。,第四节 “感知”前端,（3）可识别高速运动物体。 （4）抗恶劣环境。 （5）保密性强。 （6）可同时识别多个对象等。,3EPC概念和技术的产生及其技术特性,1）EPC概念和技术的产生,EPC码采用一组编号来代表制造商及其产品，不同的是EPC还用另外一组数字来唯一地标识单品。EPC是唯一存储在RFID标签微型芯片中的信息，这样可使得RFID标签能够维持低廉的成本并保持灵活性，使在数据库中无数
12、的动态数据能够与EPC标签链接。,EPC技术是由美国麻省理工学院的自动识别研究中心开发,2003年11月1日，国际物品编码协会（EAN-UCC）正式接管了EPC在全球的推广应用工作，成立了电子产品代码全球推广中心（EPCGlobal）,第四节 “感知”前端,2）EPC技术特性,EPC标签芯片的面积不足1mm2，可实现二进制128字节信息存储，它的标识容量上限是：全球2.68亿家公司，每个公司出产1600万种产品，每种产品生产680亿个。,EPC的优势不仅在超强的标识能力，一秒钟可以识别50150件物品。,3）EPC系统组成与物联网,一个完整的EPC工作系统由EPC标签、识读器、Savant服务
13、器、Internet、对象名称解析服务器（ONS）、PML（物理标记语言）服务器，以及众多的数据库组成。,在全球互联网的基础上，EPC通过管理软件系统、ONS和PML实现全球“实物互联”。,第四节 “感知”前端,4RFID与EPC以及EAN-UCC体系的关系,1）EPC与EAN-UCC之间的关系,EPC是EAN-UCC系统的延续和拓展，主要表现在以下两个方面：组织上由EAN和UCC负责EPC在全球的推广与实施，技术上EPC结构与现行的EAN-UCC系统中的GTIN是兼容的，也就是说GTIN是EPC编码结构中的重要组成部分。二者之间既有区别又有联系，整体上必须维护EAN-UCC系统的一致性和连续
14、性。,2）EPC与RFID的关系,EPC与RFID科学的逻辑关系应该是： EPC代码RFIDInternet=EPC系统。,EPC系统是一个复杂、全面、综合的系统，包括RFID、EPC编码、网络、通信协议等，RFID只是其中的一个组成部分。EPC是RFID技术的应用领域之一，只有特定的低成本的RFID标签才适合EPC系统。,第四节 “感知”前端,5EPC网络,EPC网络的组成：EPC编码标准、EPC标签、阅读器、Savant系统、对象名称解析服务器（ONS）及物理标记语言（PML）。,当RFID标签进入阅读器的阅读范围时，阅读器发送电磁波，RFID标签从中获得能量并将存储在其内部的数据传回。阅
15、读器接收到数据后便将其EPC代码传送到Savant服务器，该代码进入公司局域网或互联网上的对象名称解析服务器（ONS），检索与该EPC相关的产品信息存放的数据库服务器。,二、传感器,1根据传感器的工作原理分类,可分为物理传感器和化学传感器两大类,2按照传感器的用途分类,1）力敏传感器 2）位置传感器 3）液面传感器,第四节 “感知”前端,4）速度传感器 5）热敏传感器 6）加速度传感器 7）射线辐射传感器 8）振动传感器 9）湿敏传感器 10）磁敏传感器 11）气敏传感器 12）真空度传感器 13）生物传感器 14）转速传感器 15）电流传感器 16）电压传感器 17）霍尔传感器 18）空气流
16、量传感器,3按传感器的输出信号分类,模拟传感器、数字传感器、膺数字传感器、开关传感器,4按传感器所应用的材料分类,按照其所用材料的类别分：金属、聚合物、陶瓷、混合物。 按材料的物理性质分：绝缘体、半导体、磁性材料。 按材料的晶体结构分：单晶、多晶、非晶材料。,第四节 “感知”前端,5按照传感器的制造工艺分类,1）集成传感器 2）薄膜传感器 3）厚膜传感器 4）陶瓷传感器,三、摄像头,1摄像头分类,数字摄像头和模拟摄像头,2摄像头工作原理,景物通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像传感器表面，然后转为电信号，经过A/D（模/数）转换后变为数字图像信号，送到数字信号处理芯片（DSP）中加工处理，再通过USB接口传输到计算机中进行处理和显示。,3摄像头技术要点,1）镜头（LENS） 2）感光芯片（SENSOR） 3）视频捕获能力 4）调焦能力,第四节 “感知”前端,5）图像解析度/分辨率 6）自动白平衡调整（AWB） 7）图像压缩方式 8）彩色深度（色彩位数） 9）输出/输入接口 10）主控芯片（DSP）,4红外摄像,特点：有
