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1、1,走出物联网教学四无困境,无线龙通讯科技（集团）公司 副总经理 软件工程师 郑裕侠 北京 2011年1月,全国高校物联网专业骨干教师培训 2011年1月10日（北京）,2,课程内容,第一部分：当前国内高校物联网教学现状 第二部分：无线网络技术引领 “ 物联网时代 ” 第三部分：USN网络与RFID 第四部分：物联网技术政、产、学、研 第五部分：物联网/传感网解决方案解析,3,全国高校物联网教学现状,教什么？ 拿什么教？ 怎样教？,无师资 无教材 无设备 无明确的就业岗位,4,校企合作,5,国产化物联网教学设备的发展 结合全球大型企业“大学计划”,美国TI公司已经与国内无线龙公司签署战略同盟，
2、同时指定为中国设计中心与大学计划合作伙伴，让国际领先的物联网技术和大学计划全面融入高校物联网专业建设。,6,完整教学资源体系 教学设备和教材一体化,7,国产化物联网教学的发展 全面培训物联网设备使用骨干教师,2010年11月起，在无锡和西安同时举办物联网骨干教师培训班； 培训高校掌握和使用国产教学设备； 2011年预计在全国12个城市举办骨干教师培训班； 高校实验室人才培养是国产化教学实验设备快速推广的关键；,8,物联网专业毕业生就业方向,生产制造、测试工程师 市场、技术服务工程师 产品、项目开发工程师 企业级核心技术研发工程师 国家级核心、基础技术科研人才,传感层：电子、通讯、嵌入式/单片机
3、、自动化等； 网络通信层：计算机网络、信息/通信工程、移动通信、卫星通信等； 应用层：软件工程、计算机科学与应用等；,9,我们期待更多的高校通过校企合作 走出高校物联网教学四无困境,10,课程内容,第一部分：当前国内高校物联网教学现状 第二部分：无线网络技术引领 “ 物联网时代 ” 第三部分：USN网络与RFID 第四部分：物联网技术政、产、学、研 第五部分：物联网/传感网解决方案解析,11,第一部分：无线网络技术引领 “ 物联网时代 ”,12,性能比较,13,回顾无线网络技术关键是什么？,网络通讯协议 无线网络技术灵魂 芯片组 无线网络技术肉身,14,短距离无线通讯芯片,单芯片无线收发机 n
4、RF905、nRF2401、CC1100、CC2420、CC2500、CC2520、MJ2440 无线单片机（SoC） nRF9E5、nRF24E1、nRF24L01、CC1010、CC1110、CC2430/1(较稳定)、 CC2510、CC2530/1、MC13224(ARM7)、ZIC2410(音频)、EM250、GS1010/1011(WiFI),15,无线网状网络 网络协议,首先是对无线网状网络的理解。 然后讨论如何比较不同网状网络？ 安全性、可靠性、电源管理、可扩展性、数据移动和成本。 最后评价不同标准的无线网状网络。 Wireless HART 、6LoWPAN、DigiMesh
5、 、 ZigBee ,16,基本的网络拓扑,17,无线网状网络 网络协议,首先是对无线网状网络的理解。 然后讨论如何比较不同网状网络？ 安全性、可靠性、电源管理、可扩展性、数据移动和成本。 最后评价不同标准的无线网状网络。 Wireless HART 、6LoWPAN、DigiMesh 、 ZigBee ,18,不同网状网络比较一 安全性,Security. 第一是加密 保护信息本身。现代加密至少一个算法（128位密钥）AES128。 其次是身份验证。用户（或节点）是谁，这通常是处理密钥交换和认证证书。 最后是授权。批准与有正确的密钥或证书相关联。且需要分配密钥匙、授权和相关的其他因素缓解认证
6、机制。,19,不同网状网络比较二 可靠性,Reliability. 无线网状网络的可靠性必须评估以下几点： Frequency agility 调频。这是发现、适应及对抗网络周围潜在干扰的最好办法。 Message loss potential 信息传输可靠性。信息从不同的路径在网络传输，网络必须非常小心，以确保信息不会丢失，同时要确保通讯路径的可靠性。 Adaptability 弹性和适应性。网络必须具有很强的弹性和快速改变能力，以适应路由节点和其他节点的故障，同时还要防止丢失的信息。如果这些情况发生，网络需要最有效的方法迅速的排除这些故障。 Single points of failure
7、 单点故障。简单地说，明确网络中是否存在单一故障点，故障的原因是什么，以及如何即时处理和恢复？,20,不同网状网络比较三 电源管理,Power Management. 最常见的问题是无线传感器网络用户要求多久的电池寿命？ 电源管理是在分析网络结构、终端节点、路由器和网络协调器的前提下，进行有效管理。最重要的是如何使终端节点更省电，使路由器也更省电。同时关注电池供电的路由器睡眠架构的灵活性。 协调器通常总是供电。所以，在节点可以休眠的背景下，我们主要看他们的平均功耗是多少。这是在评估最佳组合，包括：如何唤醒，唤醒的间隔，总的发射时间和总的接收时间。 由于最消耗功率的过程是无线收发，因此重要的是要
8、保持这个无线收发的时间缩短到最低限度。,21,不同网状网络比较四 网络扩展性,Scalability. 网络最大有多少节点就会失效？至少在实际层面，所有的网络都有最大的物理极限，但我们网络的实际设计总是要小得多。 网络可扩展性很大程度决定于网络数据的类型和数据量。网络流量可以分为三类，正常数据，突发数据和流数据。正常数据是周期性的，突发数据是不经常的和缓慢的，而流数据是不变化的，是一个很大的常量。 一个网络可以很大，前提是网络不会拥挤，网络有足够带宽。休眠的网络可以传输一定数据量，并能够使用各种数据流。,22,不同网状网络比较五 数据移动,Data Movement. 数据传输速率 延迟 数据
9、包大小 分包 传输距离,23,不同网状网络比较六 网络成本,Cost. 成本的衡量标准是单个节点成本以及网络维护的代价。往往是网络维护的成本 很难量化，而网络部署成本往往被遗忘。最容易量化的只是每个节点收发器系统的实际采购成本。 比较困难评估的是电池供电的休眠节点成本。网络节点，特别是低功耗网络的成本，很大程度取决于每个节点的性能，高质量的无线节点，可以实际上降低网络成本。,24,无线网状网络 网络协议,首先是对无线网状网络的理解。 然后讨论如何比较不同网状网络？ 安全性、可靠性、电源管理、可扩展性、数据移动和成本。 最后评价不同标准的无线网状网络。 Wireless HART 、6LoWPA
10、N、DigiMesh 、 ZigBee ,25,网络结构：点对多点,使用同样频率，也可以跳频；数据都通过中心节点交换。 优点：没有路由，简单实用。 缺点，网络容量小，通讯比较拥挤。,26,网络结构 ：Wireless HART网络拓扑,27,网络结构 ：6LoWPAN,28,网络结构 ：DigiMesh,29,网络结构 ：ZigBee,30,不同网状网络的比较,31,ZigBee无线传感网络 ZigBee Wireless Sensor Network,32,ZigBee特征,可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自
11、动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。 ZigBee的媒体接入控制层（MAC层）采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。 时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。 网络容量大：可支持达65000个节点。 安全：ZigBee提供了数据
12、完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密。,33,ZigBee特征,数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。 功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。 成本低：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且ZigBee协议免收专利费。 优良网络拓扑能力：ZigBee具有星、树和网状网络结构的能力。ZigBee设备实际上具有无线网路自愈能力，能简单地覆盖广阔围。 有效范围大
13、：有效覆盖范围1075米之间(通过功放可在低功耗条件实现1000米以上通信距离)，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通家庭或办公室环境。 工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。 ZigBee技术和RFID 技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。今后若干年，将是ZigBee技术飞速发展的时期。ZigBee已成为事实上的无线传感网通信技术标准。,34,ZigBee版本比较,35,ZigBeePRO 高可靠网络的三大改进,为了实现商业和工业级的高可靠网
14、络，ZIGBEEPRO 网络在自组织，自管理和提高网络可靠性上，进行了三个重要改进： 自动跳频 （frequency agility） 非对称高频链路质量处理（Asymmetric link handling） PAN号码自动识别冲突解决方案 （PAN ID conflict resolution）,36,ZigBee 2007 PRO 主要改进,ZigBee 规格的演进，从ZigBee 1.0、ZigBee 2006 及目前的ZigBee 2007 Pro，并非原本的规格设计有问题，迫使ZigBee 联盟改锦规格，相反也正是ZigBee 应用越来越广泛，使原本的设计必需在不同的应用方面进行调
15、整和适应，如ZigBee联盟目前积极推广的市场 如家庭自动化(Home Automation)、 商业大楼自动化(Building Automation) 自动读表系统(Automatic Meter Reading) 多种应用的差异极大，使得新版的ZigBee Pro 必须进行功能上的调整，如在ZigBee Pro中移除CSKIP 位置配置(Address Assignment)、数状路由(Tree Routing)等2006版的功能；新增的功能则包括随机位址分配(Stochastic Address Assignment)、多对一/源节点路由(Many to One Routing/Sou
16、rce Routing )、组播(Multicast)、频率捷变(Frequency Agility)、分割/重组(Fragmentation/Re-assembly)及标准和高安全模式(Standard and High Security Modes)等。,37,二、ZigBee 芯片,单芯片无线收发机：CC2420、CC2520、MJ2440 无线单片机（SoC）：CC2430/2431、CC2530/2531、MC13224、ZIC2410、EM250 ,38,39,40,ZigBee无线传感网络开发,ZigBee无线传感器网络开发和产品应用化，与普通单片机开发流程是大致相同的，只要具备对单片机和C语言的开发能力，即可开始我们的物联网设计之旅。,41,Wi-Fi（802.11）无线个域网解决方案 GS1010/1,42,无线协议： IEEE 802.11 b/g 兼容 。 天线端口： 平衡电阻100欧姆。 电源： 1.8V的供电电压 。 实时时钟控制器/看门狗定
