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物联网及其应用第一章软件层应用层服务网络层 第二章模式识别框架:以语音识别为例 [color=rgba(0, 0, 0, 0.75)]开始我的操作确认?结束yesno
RFID运作原理通过射频,经过空间耦合,切割磁场,产生交变电流,出发芯片,读取信息。半主动式标签(Semi-active Tag)RFID技术分析:频率RFID频率是最主要的技术参数
根据频率的高低,分为三类: - 低频率(Low Frequency)30-300KHz
- 高频率(High Frequency)13.56MHz
- 超高频(Ultra High Frequency) 2.45GHz、5.3GHz
EPC编码-RFID的内容编码协议目前EPC编码主要分三类:EPC编码由版本号,产品域名管理,产品分类部分和序列号四个字段组成。[color=rgba(0, 0, 0, 0.75)]EPC-64
1·XXXXXX·XXXXX·XXXXXX
版本号产品域名管理产品分类序列号
[color=rgba(0, 0, 0, 0.75)]EPC-96
1·XXXXXX·XXXXXX·XXXXXX
版本号产品域名管理产品分类序列号
RFID标签与条形码相比的优点?体积小且形状多样:被动式RFID芯片仅0.4mm X 0.4mm,与一粒沙相仿。
不容易被仿制:RFID可隐藏于物体内部,除大型IC制造厂外无法被仿制。
可存储大量数据:芯片内藏96bits容量,可识别1600万种产品。
快速非接触式读取方式:间隔7米(某些超高频率设备)即可感应,每秒可读取250个标签,比条形码辨识快数十倍,无需人工手持条形码机逐个扫描。 RFID主要应用门禁卡 - 最成熟的市场
- 125KHz以及ISO15693规格(13.56MHz)主导市场
运输系统 物料追踪
RFID医疗领域应用示例·药品管理 第三章 传感器与传感网传感器技术: 是物联网的基础技术之一,处于物联网构架的感知层 传感器的基本组成结构
常用传感器原理介绍- 光敏传感器 随光线变弱,电阻降低
- 温度传感器
- 金属半导体——随温度升高电阻变大
- 锰锌半导体——随温度变化非常大,温度敏感度高
- 电容式位移传感器 可以将物体的位移转换为电容变化
- 霍尔元件 能够把电磁感应强度这个磁学量转换为电压这个电学量
- 力传感器 将力压转换为电容的变化,发生微小形变及会改变电阻
制约传感器性能提升的因素?- 功耗 的制约:无线传感节点一般被部署在野外,不能通过有线供电、其硬件设计必须以节能为重要设计目标。
- 体积 的制约:无线传感器节点一般需要容易携带,易于部署,其硬件设计必须以微型化为重要设计目标。
- 价格 的制约:无线传感节点一般需要大量组网,以完成特定的功能,其硬件设计必须以廉价为重要设计目标。
无线传感器节点[color=rgba(0, 0, 0, 0.75)]传感器模块处理器模块无线通信模块
传感器->AC/DC存储器、计算器无线传输
传感器网络结构任务管理中心<<---->>通信网络<<----->>汇聚节点<<---->>传感器节点 无线传感器网络应用军事监测中的传感器:VigilNetViglNet 系统由XSM、Mica2、Mica2dot节点构成,能够侦测到附近震动情况,200个节点自主成网,用于监测与收集移动目标的情况。智能楼宇的传感器:LoCal声控开关、智能门禁、智能厕所等等。。。医疗监控中的传感器:Mercury哈佛大学研究组改进了传统传感器,使其外形更小,适合穿戴在身上。无线网络传感器特点无线传感器网络协议[color=rgba(0, 0, 0, 0.75)]
(任务管理平台) 在一个给定区域内平衡和调度监测任务
(移动管理平台) 监测并注册传感器节点的移动,维护到汇聚节点路由
(能量管理平台) 管理传感器节点如何使用能源,考虑节能
应用层 包括一系列基于监测任务的应用层软件
传输层
网络层
网络层以上都类似传统无线网络
数据链路层
物理层
提供简单但健壮的信号调制
ZigBee协议ZigBee的起源Zigbee 又称IEEE802.15.4标准,目的是实现类似于封群的低功耗、低复杂度的通信协议
Zigbee可工作在2.4GHz(全球流行),868MHz(欧洲独占)和915MHz(美国独占),分别具有250kbit/s,20kbit/s,40kbit/s的传输速率,传输距离在10-180m的范围内(室内一般不超过60米,室外180米)。
Zigbee的特点: ZigBee协议免专利费 典型的搜索设备时延30ms
休眠激活时延15ms
活动设备接入时延15ms 1个协调器可以带最多254个节点 ZigBee的协议栈IEEE802.15.4主要规定了物理层和数据链路层 ZigBee协议主要是网络层、传输层、应用层 MAC层 采用载波侦听多路访问控制(SCMA/CA) IEEE802.15.4定义了两种器件,FFD(Full-Function Device)和RFD(Reduce-Function Device) ZigBee节点类型- ZigBee协调器(Coordinator)
- ZigBee路由器(Router)
- 非必须,主要用于大型网络,是在树状拓扑中管理子节点
- ZigBee终端节点(End-device)
ZigBee介质访问控制- ZigBee协调器地址必须为)0x0000
- 最耗能的地方为无线收发模块
如何降低能耗?解决办法: 链路质量问题?不对称链路(asymmetric link) 通信双方的链路质量可能是一个方向非常好,一个方向非常差。 网络层功能:路由(最重要的一个功能,决定转发的路径),新节点的发现,决定一个节点属于某一个子网络等。 ZigBee网络层采用距离矢量协议(AODV) ETX:路径选择指标 ETX:(expected) 路径ETX
通过把传输代价最小化,ETX提高了带宽利用率,有效减少了传感网能量消耗。 数据收集协议:CTP CTP(collection tree protocol)是目前最广泛使用的数据收集协议之一,可在TinyOS中实现。 基本过程:
✔初始化阶段:网络中每个节点广播自己到汇聚节点的路径的ETX
✔每个节点收到广播包之后,依据邻居节点广播的路径ETX动态选择父节点,使得自己到汇聚节点的路径ETX尽量小。
✔经过不断的更新,网络中的每个节点都能够选择到一条到汇聚节点ETX之和最小的路径。 数据分发协议:Drip 数据分发协议的作用是将数据包可靠传输到网络中的每个节点,无线传感网中广泛使用的是Drip协议。 应用层该层主要负责把不同的应用映射到ZigBee ZigBee 应用层组件ZigBee设备对象(ZDO,ZigBee Device Object)主要负责定义每个设备的功能和角色。 第四章 定位系统为什么需要定位? 基于位置的服务:- 自动导航
- 搜索周边服务信息
- 基于位置的社交网络:Four Square
现存主流的定位系统- 卫星定位GPS
- 蜂窝基站定位
- 无线室内环境定位
- 新兴定位系统
卫星定位各国的卫星定位系统: - 美国:GPS
- 俄罗斯:GLONASS
- 欧盟:伽利略
- 中国:北斗一号(区域)、北斗二号(全球)
GPS是目前世界上最常用的卫星导航系统 GPS:系统结构- 宇宙空间部分
24颗卫星 - 地面监控部分(全部在美国)
1个主控中心
GPS:主要优缺点蜂窝基站定位单基站定位法- COO定位(Cell of Origin)
- 将移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置
- 精度直接取决于基站覆盖的范围
- 基站分布疏松的地区误差巨大
多基站定位法- (Time of Arrival, Time Difference of Arrival)
- 需要三个基站才能定位
- 稀疏地区可能无法收到3个基站信号
基于距离的定位(ToA)距离测量方法
距离d = 波速v*传播时间m 方法一:
利用波速差
发送端同时发送一道电磁波和声波 接收端记录:
电磁波到达时间t0;
声波到达时间t1; 距离 d=v1*v2(t1-t2)/(v1-v2) 方法二:
测量波的往返时间
发送端与时刻t1发送波
接收端收到波后,等待Δt后返回同样的波
发送端记录收到的回复的时间t2
距离 d=v(t1-t2-Δt)/2 方法三:
多边测量(也称为多点测量) 基站定位的优缺点优点: - 不需要GPS接收机,可通讯即可定位
- 信号穿透力强,室内亦可接收
缺点: 典型应用: 美国E-911系统拨打报警电话后,自动通过基站定位手机位置,接到最近警局 无线室内环境定位室内一般使用短波来进行定位 RSS定位技术: 利用信号强度进行定位 - 不需要额外设备
- 原理:信号强度随传播距离衰减
- 问题:理想环境下才可使用,实际环境有障碍物及信号衰减问题
- 解决办法:
- 将信号强度看做“特征”
- 预先布置N个参考点
- 测出参考点强度,得到一个N维向量
- 事先测出区域中参考点特征
利用已有的无线网络
新兴的定位系统A-GPS(Aisted Global Psitioning System 辅助GPS定位) - GPS定位和蜂窝基站定位的结合体
- 利用基站定位确定大致的范围
- 连接网络查询当前位置可见的卫星
- 大大缩短搜索卫星的时间
无线AP(Arrive point)定位 网络定位 - 用于无线传感网,自组织网络
- 通过少量位置已知节点,定位出全网络节点的位置
物联网下定位技术的新挑战信息安全与隐私保护 第五章 无线接入无线网络分类: 无线网络接入特点- 信号强度衰减:
无线信号能量随传输距离增长而减弱 - 非视线传输:
- 若发送接受之间有阻挡,则称为非视线传输
- 无线信号可能被阻挡吸收
- 信号干扰:
- 相同无线频段的信号会互相干扰,例如2.4GHz
- 外部环境的电磁噪声,如微波炉
- 多径传播:
- 无线信号由于阻挡反射,到达接收端的时候可能监听不到
- 隐藏终端问题:(Hidden Terminal)
- A——B之间可以通讯
- B——C之间可通讯
- A——C之间不可通讯
- A——C可能同时向B传输且意识不到彼此之前的干扰
WIFI:无线局域网WiFi IEEE 802.11
抓包工具(wireshork) 802.11架构:组成部分- 信道:
- 802.11b/g:将85MHz分为11个不同的频段信道
- 不相互干扰的信道中间必须间隔4个信道
- 用户与接入点关联(基站模式):
- 接入点广播的“识别帧”(包含了接入点的MAC地址和服务集表示符(SSID))
- 用户根据收到的“识别帧”选择与其中一个接入点建立关联
- 识别帧扫描方式:
- 被动扫描,接入点周期性广播“识别帧”(路由器广播自己的SSID,SSID可见)
- 主动扫描,首先无线用户主动广播“识别帧”,然后收到“探测帧”的接入点以“回应帧”响应,最后用户根据“回应帧”选择接入点(路由器不广播SSID,终端设备主动添加需要接入的SSID)
补充UWB技术简介FCC对UWB系统所使用的频谱范围规定为3.1G-10.6GHz UWB技术特点: - 传输速率高(带宽越宽传输速率越高)
C = B*log2(1+S/N) - 通信距离短,小于10米通信范围
- 系统共存性好,通信保密度高
- 极低的功率谱密度(上限仅为-41.3dBm/MHz)
- 噪声电平低,与传统的窄带系统有良好的共存性
- 具有很强的隐蔽性
- 定位精度极高,抗多径能力强
- 体积小、功耗极低
总结:UWB主要用于解决室内的,短距离的,高速的无线传输需求 Wimax架构与802.11架构类似 - 基站以点到多点连接为用户提供服务,这段被称为最后一公里
- 基站之间或与上层网络以点对点连接(光纤、电缆、微波),成为“回程”
Wimax 关键技术 - OFDM
- AAS自适应天线系统
- AAS实现系统参数的自动调整,主要实现方式(波束定向)
- MIMO多输入多输出
- MIMO技术是一种多天线技术,利用各发射接收天线间的通道响应独立,创造出多个并行空间信道,空时编码形成多个信息子流。
- AMC自适应调制编码
- 通过自适应切换调制方式和编码方式来使吞吐量-信噪比曲线达到最佳。
- 调制方式:BPSK、QPSK、16QAM、64QAM
- ARQ自动重发请求:接收端发起重发请求,提高吞吐量
- 带宽动态分配
低速无线协议为什么需要低速网络协议? 适应物联网中哪些能力较低的节点 √低速率 √低通信半径 √低能耗 红外(Infrared)红外通信技术——利用红外线传输数据,比蓝牙更早 特点: - 红外采用的是875nm左右波长的光波通信,通信距离一般为1米左右。
- 设备体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势。
缺点: 应用:各种家用电器遥控器 蓝牙(Bluetooth)蓝牙名字来源于- 10世纪丹麦国王Harald Blatand。英译为Harold Bluetooth。
- 1994年,瑞典爱立信公司开发了一种基于个人操作空间(personal operating space,POS)的短距离无线通信技术,并用蓝牙命名。
- 1998年3月,蓝牙技术成为IEEE 802.15.1标准
- 蓝牙技术的物理层采用跳频扩频结合的调制技术,频段范围是2.402GHz-2.480GHz,通信速率一般能达到1Mbps左右。
- 蓝牙设备可能有两种角色,分别为主设备和从设备
- 同一个蓝牙设备可以在这两种之间转换
- 一个主蓝牙设备可以最多同时和7个从设备通信
蓝牙的发展截止2010年7月,蓝牙共推出6个按本V1.1\1.2\2.0\2.1\3.0\4.0,以通讯距离来在不同版本可再分为Class A(1)/Class B(2)。 同时蓝牙的通讯距离也提高到100米,传输速率提高到24Mbps
特点:建立连接时间长、功耗高、安全性不高 蓝牙技术在穿戴设备领域存在着极为广阔的应用前景 传统蓝牙和低功耗蓝牙对比 [color=rgba(0, 0, 0, 0.75)]技术规范传统蓝牙低功耗蓝牙
无线电频率
移动互联网从模拟语音到数字通信
从2G到5G - 5G
- 大规模多天线技术
- 高频段多天线技术
- 密集网络接入技术
新兴无线传输技术Li-Fi - 低成本
- 丰富的频谱资源
- 安全性
- 无电磁干扰
- 无电磁辐射
- -容易被遮挡
- -光源间断问题
- -频繁切换
低功耗广域网技术的发展- 物联网之后,远距离、低功耗、低带宽的协议迸发出了新的生机
- 物联网的典型场景:智能环境监控
低功耗广域网技术
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