物联网综述

陈先生528

物联网及其应用第一章软件层应用层服务网络层

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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。

• 1
  

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
  • 感应距离短，读取速度慢，穿透能力强
    
• 高频率（High Frequency）13.56MHz
  • 感应距离稍短，读取速度一般，穿透能力较强
    
• 超高频（Ultra High Frequency） 2.45GHz、5.3GHz
  • 感应距离大约1米，读取速度快，穿透能力低
    
  
  

EPC编码-RFID的内容编码协议目前EPC编码主要分三类：

• 64位

• 96位

• 128位

  
  

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

  • ISO14443规格（13.56MHz）主导
    

• 物料追踪

  • UHF以及2.45GHz
  • 超市门禁
    
  
  

RFID医疗领域应用示例·药品管理

• 医师流程——
  • RFID标签贴在瓶子上
  • 医师开处方
  • 管制性药品管理
    
• 患者流程——
  • 患者病历卡
  • 一卡通（门禁卡、消费卡）
  • 人员追踪流程图
    
  
  

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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。

• 1
  

智能楼宇的传感器：LoCal声控开关、智能门禁、智能厕所等等。。。

• 1
  

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。

• 1
  

无线网络传感器特点

• 大规模网络
• 自组织网络
• 多跳路由
• 动态性网络
  

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：

• 低成本
  

ZigBee协议免专利费

• 时延低
  

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

• 网络容量大
  

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）
  • 管理网络，组网
    
• 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）
  • 把传感器的数据发送出去
    
  
  

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：

• 采样监听：规定周期性的苏醒进行采样
• 同步采样周期
  

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。

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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

• 优点：

  • 精度高（相对的）
  • 全球覆盖，可用于险恶环境
    

• 缺点：

  • 启动时间长
  • 室内信号差
  • 需要GPS接收机
    
  
  

蜂窝基站定位

• GSM蜂窝网络：
  • 通讯区域被分割为蜂窝小区
  • 每个小区对应一个基站
    
  
  

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：

• 定位精度相对低
• 基站需要有专门硬件，造价昂贵
  

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

• 类似于基站定位方式
  

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

• 位置信息内涵丰富且隐私息息相关
  

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第五章 无线接入

无线网络分类：

• 10米内，个域网 PAN
  IEEE 802.15 速率大概为1Mbps
  802.15.3 UWB

• 100米左右，局域网 LAN
  IEEE 802.11 a/b/g/n/ac 速率大约为10~450Mbps

• 百米到公里，广域网 WAN

  
  

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
  • 脉冲宽度一般在亚纳秒级
    
• 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：

• 设备之间必须互相可见
• 对障碍物的衍射较差
  

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

• LoRa
  主要特征

  • 工作在ISM免费频段。美国采用915MHz；欧洲采用868，亚洲采用433MHz
  • 网络速率较低。LoRa协议能够达到的典型通信速率为0.3~22kbps
  • 通信距离可达3千米
    

• NB-IoT
  NB-IoT支持蜂窝连接。相比GSM，NB-IoT将覆盖能力提升了20-30dB，支持每平方米10万台设备连接，终端电池寿命长达5-10年。

  • 最初以沃达丰和华为提出的NB M2M为基础；
  • 在高通加入以后，发展为NB-CIOT；
  • 随后，NB-CIOT与爱立信的NB LTE合并，最终形成了NB-IoT；
  • 目前，NB-IoT已经进入了3GPP标准化工作的阶段。
    
  
  

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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。