1、物聯網導論Introduction to Internet of Things第3章 無線傳感網Small is beautiful. - Jack Ma2 第2章對常見的自動識別方法和技術做了介紹，包括：光學符號識別技術、語音識別技術、生物計量識別技術、IC卡技術、條形碼技術和RFID射頻技術 第2章重點講述了RFID技術，包括RFID歷史和現狀、RFID技術剖析和RFID在物聯網中的應用。3 3.1 發展歷史 3.2 硬件平臺 3.3 操作系統 3.4 組網技術 3.5 典型應用4 定義 我國國家標準（GB7665-2005）對傳感器的定義是：“能感受被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信

2、號的器件或裝置”。 傳統傳感器的局限性 網絡化、智能化的程度十分有限，缺少有效的數據處理與信息共享能力 現代傳感器 特點：微型化、智能化和網絡化 典型代表：無線傳感節點5 無線傳感節點的組成：電池、傳感器、微處理器、無線通信芯片；相比于傳統傳感器，無線傳感節點不僅包括傳感器部件（左上圖），還集成了微型處理器和無線通信芯片等，能夠對感知信息進行分析處理和網絡傳輸。6 無線傳感器的“三化”發展方向7微型化網絡化智能化 3.1 發展歷史 3.2 硬件平臺 3.3 操作系統 3.4 組網技術 3.5 典型應用89加州伯克萊分校SmartDust項目微型化傳感器節點對無線傳感器的研究始于20世紀90年代

3、加州洛杉磯分校LWIN項目低功耗無線傳感節點1996年，LWIM團隊將多種傳感器、控制和通信芯片集成在一個設備上，開發了LWIM節點1998年，LWIM團隊和Rockwell科學中心合作開發了WINS節點1999年，該校發布了WeC節點 之后，該校又發布了一系列節點，包括Mica、Mica2、Mica2Dot，MicaZ 加州大學伯克利分校2002年 美國大鴨島（Great Duck Island） 32個MICA節點 數據采集內容：溫度、濕度、光照和大氣壓力 監測目的：持續監測海燕在繁殖季節的習性，收集相關環境數據供動物學家分析。10 前哈佛大學計算機系教授，現任谷歌研究中心資深研究員的Ma

4、tt Welsh認為，最早的無線傳感器網絡原型系統是美國軍方于1967年在越南戰爭期間部署的“雪屋”系統（IGLOO WHITE）11 計算機硬件的發展通常遵循摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數量，約每隔18個月增加一倍，性能也將提升一倍。 無線傳感器節點并沒有像摩爾定律預測的速度發展！12時間硬件能力摩爾定律預測的曲線傳感器節點發展曲線2004 功耗的制約：無線傳感節點一般被部署在野外，不能通過有線供電。其硬件設計必須以節能為重要設計目標。 價格的制約：無線傳感節點一般需要大量組網，以完成特定的功能。其硬件設計必須以廉價為重要設計目標。 體積的制約：無線傳感節點一般需要容易攜帶，易于部署。

5、其硬件設計必須以微型化為重要設計目標。 13低成本與微型化 低成本的節點才能被大規模部署，微型化的節點才能使部署更加容易 節點的軟件設計也需要滿足微型化的需求 。例如TelosB節點的內存大小只有4KB，程序存儲的空間只有10KB。因此，節點程序的設計必須節約計算資源，避免超出節點的硬件能力 14低功耗 在硬件設計上采用低功耗芯片 例如TelosB節點使用的微處理器，在正常工作狀態下功率為3mW，而一般的計算機的功率為200到300W 軟件節能策略來實現節能 軟件節能策略的核心就是盡量使節點在不需要工作的時候進入低功耗模式，僅在需要工作的時候進入正常狀態 15靈活性與擴展性 傳感器節點被用于各

6、種不同的應用中，因此節點硬件和軟件的設計必須具有靈活性和擴展性 節點的硬件設計需滿足一定的標準接口，例如節點和傳感板的接口統一有利于給節點安裝上不同功能的傳感器 軟件的設計必須是可剪裁的，能夠根據不同應用的需求，安裝不同功能的軟件模塊 16魯棒性 魯棒性是實現傳感器網絡長時間部署的重要保障 對于普通的計算機，一旦系統崩潰了，人們可以采用重啟的方法恢復系統，而傳感器節點則不行 ，就整個網絡而言，可以適當增加冗余性，增加整體系統的魯棒性 17 3.1 發展歷史 3.2 硬件平臺 3.3 操作系統 3.4 組網技術 3.5 典型應用18傳感器 有許多傳感器可供節點平臺使用，使用哪種傳感器往往由具體的

7、應用需求以及傳感器本身的特點決定 需要根據處理器與傳感器的交互方式：通過模擬信號和通過數字信號，選擇是否需要外部模數轉換器和額外的校準技術。1920微處理器 微處理器是無線傳感節點中負責計算的核心 ，目前的微處理器芯片同時也集成了內存、閃存、模數轉化器、數字IO等 ，這種深度集成的特征使得它們非常適合在無線傳感器網絡中使用。 影響節點工作整體性能的微處理器關鍵性能包括功耗特性，喚醒時間（在睡眠/工作狀態間快速切換），供電電壓（長時間工作），運算速度和內存大小2122通信芯片 通信芯片是無線傳感節點中重要的組成部分 ，在一個無線傳感節點的能量消耗中，通信芯片通常消耗能量最多 ，在目前常用的Tel

8、osB節點上，CPU在工作狀態電流僅500uA，而通信芯片在工作狀態電流近20mA。 低功耗的通信芯片在發送狀態和接收狀態時消耗的能量差別不大 ，這意味著只要通信芯片開著，都在消耗差不多的能量23通信芯片（續） 通信芯片的傳輸距離是選擇傳感節點的重要指標。發射功率越大，接受靈敏度越高，信號傳輸距離越遠。 常用通信芯片： CC1000：可工作在433MHz，868MHz和915MHz；采用串口通信模式時速率只能達到19.2Kbps CC2420：工作頻率2.4GHz，是一款完全符合IEEE 802.15.4協議規范的芯片 ；傳輸率250Kbps2425供能裝置 采用電池供電，使得節點容易部署。但

9、由于電壓、環境等變化，電池容量并不能被完全利用。 可再生能量，如太陽能。可再生能源存儲能量有兩種方式：充電電池，自放電較少，電能利用會比較高，但充電的效率較低，且充電次數有限； 超電容，充電效率高，充電次數可達100萬次，且不易受溫度，振動等因素的影響。 26 3.1 發展歷史 3.2 硬件平臺 3.3 操作系統 3.4 組網技術 3.5 典型應用27 節點操作系統是微型化的。 節點操作系統區別于傳統操作系統的主要特點是： 硬件平臺資源極其有限2829 TinyOS由加州伯克萊分校開發,是目前無線傳感網絡研究領域使用最為廣泛的OS (http:/) TinyOS開發語言：nesC nesC語言

10、是專門為資源極其受限、硬件平臺多樣化的傳感節點設計的開發語言 使用nesC編寫的應用程序是基于組件的 組件之間的交互必須通過使用接口 用nesC編寫的應用程序一般有一個最頂層的配置文件 3031/ BlinkC.ncmodule BlinkC uses interface Timer as Timer; uses interface Leds; uses interface Boot; implementation event void Boot.booted() call Timer.startPeriodic( 250 ); event void Timer.fired() call Le

11、ds.led0On(); 左側代碼中：BlinkC就表示一個組件，它使用了三個接口：Timer，Leds，Boot。在其實現部分，它可以調用這些接口提供的服務，如Timer.startPeriodic啟動一個以250ms周期觸發的時鐘，而Leds.led0Toggle使節點上第一個燈亮起。在上面的代碼中，注意的是，event關鍵字表示BlinkC組件處理的系統事件。32左側代碼顯示了一個典型的nesC配置文件。它必須指定當前程序使用了哪些組件。例如該程序使用了MainC，BlinkC（即代碼1顯示的組件），LedsC和TimerC組件。BlinkC組件中使用的接口到底是由哪個組件提供的，例如，

12、BlinkC組件使用的Boot接口由MainC組件提供；BlinkC組件使用的Timer接口由TimerC組件提供；BlinkC組件使用的Leds接口由LedsC組件提供。/ BlinkCApp.ncconfiguration BlinkAppC implementation components MainC, BlinkC, LedsC; components new TimerMilliC() as TimerC; BlinkC - MainC.Boot; BlinkC.Timer - TimerC; BlinkC.Leds - LedsC; TinyOS任務調度 TinyOS核心使用了事

13、件驅動的單線程任務調度機制，這和傳統OS的多線程調度機制截然不同 任何一個時刻，處理器只能執行一個任務。因此，如果當前正在執行一個任務，處理器必須等這個任務處理完畢，才能開始處理另一個任務 在單個TinyOS任務中不能有IO等阻塞的調用 3334 3.1 發展歷史 3.2 硬件平臺 3.3 操作系統 3.4 組網技術 3.5 典型應用35 傳輸成功每個包需要的總傳輸次數（ETX, Expected Transmission Count)Link throughput 1/Link ETX36Delivery Ratio100%50%33%Throughput100%50%33%Link ETX

14、123 假設鏈路有ACKs和重傳: P(TX success) = P(Data success) P(ACK success) Link ETX = 1 / P(TX success)= 1 / P(Data success) P(ACK success) 實際計算ETX: P(Data success) measured fwd delivery ratio rfwd P(ACK success) measured rev delivery ratio rrev Link ETX 1 / (rfwd rrev)37 擴展到路徑的情形 Route ETX = Sum of link ETXs

15、38Route ETX12235Throughput100%50%50%33%20% Collection Tree Protocol 初始化階段: 網絡中每個節點廣播自己到匯聚節點的路徑的ETX。 每個節點收到廣播包之后，依據鄰居節點廣播的路徑ETX，動態選擇父節點，使得自己到匯聚節點的路徑ETX盡量小。 經過不斷更新，網絡中的每個節點都能夠選擇到一條到匯聚節點ETX之和最小的路徑。 CTP在TinyOS中實現的考慮 鏈路質量：綜合了來自多方面的信息。CTP不僅通過主動交換控制包來估計鏈路質量，而且通過被動偵聽數據包來動態更新鏈路質量； 同時CTP協議不僅考慮了鏈路層信息，而且考慮了網絡層隊

16、列是否溢出的信息，以此來避免擁塞的節點。 在控制包發送方面，使用了Trickle算法來自適應的控制發包的頻率。3940數據收集協議數據分發協議 Trickle Timer 在網絡穩定的時候，Trickle算法二進制增長發包間隔，以減少發送包的數量。 在發生環路或其他異常情況時，Trickle算法縮短發包間隔至最小，使網絡能及時恢復到正常狀態。 優點： 網絡不變化，發送包數量很少 網絡一旦變化，迅速更新整個網絡41 Drip Drip為每一個數據項分配一個版本號，版本號越高的數據為越新的數據。網絡中每個節點周期性的廣播關于一個數據項的版本信息。 當一個Drip節點發現自己的數據需要更新時，則向鄰

17、居借點發送請求包。 Drip節點在收到請求包后即廣播關于被請求數據項的包。 數據分發協議與洪泛協議的本質區別 數據分發協議維護了每一個數據項的版本信息，保證該數據的最新版本能夠可靠地擴散到整個網絡。42 路由協議是數據傳輸的基礎 研究方向 自組織、低功耗路由 基于鏈路和節點特點的路由 自適應的穩定路由 異構網絡互聯43 3.1 發展歷史 3.2 硬件平臺 3.3 操作系統 3.4 組網技術 3.5 典型應用44 VigilNet是由美國弗吉尼亞大學研制的用于軍事監測的無線傳感系統，該系統由XSM，Mica2和Mica2Dot節點構成，其規模最大達200個節點；節點通過電池供電，鋪設在道路旁邊，

18、用于檢測與收集移動目標的情況。 應用特點 節點自主成網、多跳傳輸 節點通過電池供電，通過軟件節能機制延長網絡的生命周期 節點智能感知、協同工作，向上提供預警的功能 45 20042007年，香港科技大學的研究團隊以煤礦安全生產和緊急救援為應用目標，提出無線傳感器網絡煤礦監控系統。 應用特點 事故預警 緊急救援與導航 客觀的安全評估與建議 傳感器網絡本身具有魯棒性 克服地下信號傳播困難，采取多跳傳輸 網絡自愈，克服煤礦事故對網絡拓撲產生的影響46WSN PrototypeEnergy EfficiencyReliable RoutingReliable RoutingMulti-Sink DeploymentMulti-Sink DeploymentGeocastingGeocastingData AggregationData AggregationCompression Event Compression Event DetectionDetectionLocation Sensing ID Assignment 傳感器的另一個重要應用是醫療監控 ，哈佛大學研究組改進了傳統傳感器，使得其外形更小，適合穿戴在身上