1、上講回顧 掌握傳感器的作用及定義 掌握傳感器的工作原理 掌握無線傳感器網絡的定義及應用 了解無線傳感器網絡的關鍵技術1第1頁/共33頁2本講提綱 無線網絡協議對比 藍牙技術的簡介 藍牙的通信連接過程 藍牙網絡的應用第2頁/共33頁3無線傳感器網絡的定義服務器服務器用戶用戶WSN（Wireless Sensor Network）：一種新型的無基礎設施網絡，它綜合了傳感器技術、嵌入式處理技術、現代網絡以及無線通信技術等，能夠通過各個傳感器節點進行實時監測、感知和采集各種現場信息。它的節點是傳感器這種特殊的嵌入式設備，它們靜態地隨機分布于某一區域。監測區域監測區域傳感器節點傳感器節點有線或無線網絡有

2、線或無線網絡有線或無線網絡有線或無線網絡ZigBee等等網關網關第3頁/共33頁無線傳感器網絡特性 無線傳感器網絡特性 Sensor node: 緩存小 CPU計算速度慢 無線通信傳輸 電池耗電 可能具備定位功能 Sink node 傳感器網絡的控制中心，能夠收集 sensor node的所有數據。第4頁/共33頁101001,00010,000101001,00010,000100,000速率kbpsGSM802.11a/gGPRSEDGE20002003-42005Bluetooth3GHiperLAN/2Bluetooth 2.0距離（米）802.11bZigBeeWiMediaBlue

3、tooth 1.5常用的無線技術常用的無線技術第5頁/共33頁2.4GHz ISM 2.4GHz ISM 頻段頻段 ISM頻段：Industry Science and Medical Band （工業、科學、醫學）第6頁/共33頁常用的短距離無線技術比較7第7頁/共33頁藍牙概述8第8頁/共33頁什么是藍牙技術 藍牙技術采用高速跳頻擴展技術FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）,跳頻速率為每秒1600次，每次傳送一個封包，封包大小從126bit-2871bit皆可，而且其封包內容可以是包含數據或語音等不同的資料。資料封包可借助自動重送（ARQ）機制來加

4、以保護，而聲音封包因采用CVSD（連續可調變斜面三角器波形編碼）方式編碼而可以不在重送以增加效率。其設備采用的是GFSK調制技術，其最高傳輸速率為1Mbps，實際數據有效速率為721Kbps，話音采用連續可變斜率調制CVSD（Continuous Variable Slope Delta Modulation 連續可變斜率調制）編碼方式，CVSD方式抗干擾能力很強，即使在誤碼率達到4%時仍然有可以接受的話音質量。9第9頁/共33頁藍牙技術的特點藍牙技術的特點 藍牙是一種短距離無線通信的技術規范，它最初的目標是取代現有的掌上電腦、移動電話等各種數字設備上的有線電纜連接，其特點如下：第10頁/共3

5、3頁藍牙技術的特點藍牙技術的特點很好的抗干擾很好的抗干擾能力和安全性能力和安全性可建立臨時可建立臨時對等連接對等連接全球范圍全球范圍適用適用同時傳輸同時傳輸語音數據語音數據近距離通信近距離通信功耗低功耗低體積小體積小藍牙技術特點l藍牙工作在2.4GHz的ISM頻段，全球大多數國家ISM頻段的范圍是2.4-2.4835GHz。l藍牙采用電路交換和分組交換技術，支持異步數據信道、三路語音信道以及異步數據與同步語音同時傳輸的信道。l主設備是組網連接主動發起連接請求的藍牙設備，幾個藍牙設備連接成一個皮網（Piconet）時，其中只有一個主設備，其余的均為從設備。l藍牙采用了跳頻（FrequencyHo

6、pping）方式來擴展頻譜，抵抗來自這些設備的干擾。l提供了認證和加密功能，以保證鏈路級的安全。l藍牙設備在通信連（Connection）狀態下，有四種工作模式：激活（Active）模式，呼吸（Sniff）模式保持（Hold）模式，休眠（Park）模式，Active 模式是正常的工作狀態，另外三種模式是為了節能所規定的低功耗模式。 l藍牙技術通信距離為10m,可根據需要擴展至100m，以滿足不同設備的需要。第11頁/共33頁藍牙系統的組成藍牙系統的組成系統組成描述了鏈路控制器，實現了基帶協議和其他的底層連接規程- 媒體接入控制(MAC)-差錯控制-認證與加密鏈路管理器（LM）軟件實現鏈路的建立

7、認證及鏈路配置等-通過連接管理協議（LMP）建立通信聯系。- LM 利用鏈路控制器（LC）提供的服務實現上述功能。天線發射功率符合 FCC 關于 ISM 波段的要求。 -發射功率：100mW-跳頻速率：1600 跳/秒藍牙規范是為個人區域內的無線通信制定的協議，它包括兩部分： 核心（Core）部分和協議子集（Profile）部分。協議棧仍采用分層結構，分別完成數據流的過濾和傳輸,跳頻和數據幀傳輸,連接的建立和釋放,鏈路的控制,數據的拆裝等功能。第12頁/共33頁藍牙系統的技術特點工作在2.45GHz頻段射頻特性射頻特性收發機配置符合IEEE 802標準48位地址數據頻率為1Mbs使用擴頻和跳頻

8、技術，噪音環境也能工作工作范圍約10m，可加至100m第13頁/共33頁藍牙標準的發展 V1.1(1991年年)V1.2 V2.1(2004年年)V2.2 V3.0(2009年年) V4.0(2010年年)第14頁/共33頁15藍牙藍牙4.0V1.1(1998年)為最早期版本，傳輸率約在748810kb/s，因是早期設計，容易受到同頻率的產品干擾下影響通訊質量V2.1(2004年)改善了裝置配對流程，短距離的配對方面，具備了在兩個支持藍牙的手機設備之間互相進行配對與通訊傳輸的NFC機制，具備更佳的省電效果V3.0(2009年)全新的交替射頻技術，允許藍牙協議棧針對任一任務動態地選擇正確射頻。傳

9、輸速率更高，功耗更低。V4.0(2010年)包括三個子規范，即傳統藍牙技術、高速藍牙和新的藍牙低功耗技術。藍牙4.0的改進之處主要體現在三個方面：電池續航時間、節能和設備種類。有效傳輸距離最大達到100m第15頁/共33頁16 藍牙4.0設備種類 2.4G藍牙低功耗系統 消費類電子產品 移動電話外圍擴展設備 運動和休閑設備 健康醫療用品(血壓計、體溫計.) 汽車電子設備 人機接口設備(鍵盤、鼠標、遙控器) USBDongle藍牙藍牙4.0設備種類設備種類第16頁/共33頁 信道數：79 個 （0-78） 范圍：2.402GHz - 2.480GHz 信道間隔：1MHzGeographyRegu

10、latoryRangeRFChannelEurope/USA/Japan 24002483.5MHzf=2402+kMHz,k=0,78France2446.52483.5MHz f=2454+kMHz,k=0,22藍牙的頻道劃分藍牙的頻道劃分第17頁/共33頁藍牙建立通信的過程藍牙建立通信的過程 藍牙系統有三種主要狀態：待機狀態，連接狀態和節能狀態。從待機狀態向連接狀態轉變的過程中，有7個子狀態：尋呼、尋呼掃描、查詢、查詢掃描、主響應、從相應、查詢相應。第18頁/共33頁藍牙建立通信的過程藍牙建立通信的過程Standby(Standby(缺省缺省) )Inquiry(Inquiry(查詢查詢

11、) )( (unknown addressunknown address) )Page(Page(尋呼尋呼) )( (known addressknown address) )ConnectionConnection. .Active power(Active power(活動活動) ) Sniff( Sniff(呼吸呼吸) ) Hold( Hold(保持保持) ) Park( Park(休眠休眠) ) Standby Standby 等待加入一個微微網。等待加入一個微微網。 InquiryInquiry 邀請周圍的無線連接。邀請周圍的無線連接。 PagePage 連接一個明確的無線鏈路。連接

12、一個明確的無線鏈路。 ConnectedConnected 加入一個皮網加入一個皮網( (主設備或主設備或者從設備者從設備) )第19頁/共33頁第20頁/共33頁第21頁/共33頁masterf9inquiry stateInquiry scan stateWait random timeSends 48 bits address，clkFHS packet:f9slaveSlave hosts 48-bit Bluetooth addressFunction FHopping sequence3, 56,7,23,44,page scan state藍牙建立通信的過程藍牙建立通信的過程第2

13、2頁/共33頁masterPage statePagescanstate(1) 48-bit address(2) Clock offset(3) AMA(Active Member address)=001slaveFHS packet(1)48-bitaddressofmasterFunctionFHoppingsequenceofmasterandslave7,36,22,28,55,藍牙建立通信的過程藍牙建立通信的過程第23頁/共33頁藍牙數據包的格式藍牙數據包的格式接入碼包頭內容72b54b0-2745b第24頁/共33頁PREAMBLESYNCWORDTRAILER46443424

14、6LSBMSBBCHLAPBRK接入碼藍牙數據包的格式藍牙數據包的格式第25頁/共33頁包頭AM_ADDRHEC318AM_ADDRTYPEFLOWARQNslaveactivememberaddresspayloadtypeLCflowcontrolACK/NAKparameterinformationFLOW1ARQN1SEQNTYPE4SEQNretransmitorderingHECheadererrorcheck藍牙數據包的格式藍牙數據包的格式第26頁/共33頁微微網（皮網）微微網（皮網）MasterSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlave一個微微網可由

15、一個微微網可由8 8個藍牙設備組成。個藍牙設備組成。在同一個微微網中，主設備為所有的在同一個微微網中，主設備為所有的設備提供時鐘和跳頻同步序列。設備提供時鐘和跳頻同步序列。在同一個微微網中，所有的設備有同在同一個微微網中，所有的設備有同樣的跳頻序列。樣的跳頻序列。1臺主設備和1臺以上從設備構成的網絡稱為微網（皮克網）（Piconet）。一個藍牙單元作為微網的主單元，其余的可作為從單元看待。在一個微網中最多可有七個活動從單元。另外，更多的從單元被鎖定在休眠狀態中。這些處于休眠狀態的從單元在該信道中不能被激活，但對主單元來講它們仍由主單元同步。無論對激活或休眠狀態來講，信道訪問都由主單元控制第27

16、頁/共33頁分散網分散網MasterSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveSlaveMaster兩個或更多的微微網在重疊的區兩個或更多的微微網在重疊的區域可以建立特殊的呼叫。域可以建立特殊的呼叫。具有重疊復蓋域的微網之間存在設備間的通信，形成一個擴散網絡（ Scatternet）結構。每個微網只能具有一個單獨主單元，然而從單元可分享基于時分多址的不同微網。另外，在一個微網中主單元可視為另一個微網的從單元。且各微網間不再是以時間或頻率同步，各微網有自己的跳頻信道。第28頁/共33頁微微網的應用（一拖七）微微網的應用（一拖七）第29頁/共33頁藍牙技術的應用藍牙技術的應用l電子付帳系統，賓館接待處的電子登記服務等。l家庭和辦公室自動化、家庭娛樂、電子商務、工業控制、