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物联网综述

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  • TA的每日心情

    2019-11-26 15:20
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    [LV.1]初来乍到

    跳转到指定楼层
    1#
    发表于 2020-8-19 13:10 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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    x
    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。
    • 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


    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。


    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

    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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    发表于 2020-8-19 13:52 | 只看该作者
    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。
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