無線傳感器網絡關鍵技術和應用第三部分:無線傳感器網絡設計實例蔡覺平

jpcai@

/jpcai/中國電子學會2012.9提綱無線傳感器網絡設計要素無線頻譜感知網絡設計水污染監控傳感器網絡應急通信和定位系統智能交通其它應用領域無線傳感器網絡設計要素傳感器信號采集傳輸數據量和傳輸速度通信和網絡接入方式網絡路由動力系統結構設計無線通信WSN無線通信方式的確定信號傳輸速率信號覆蓋范圍功率損耗路由方式成本和可擴展性典型芯片和解決方案RFID芯片Philip

mifare

one

ZigBee射頻芯片TI

CC2420(射頻收發芯片)TI

CC2533(SoC)藍牙芯片TI

CC2560WiFi芯片Marvell公司W8787Broadcom

BCM4329GPRSGTM-900華為網絡和應用處處理器Intel

imoteMarvell(Intel2006)PXA270CC430|RF+低功耗MCUPhilip

mifare

one

RFID卡MIFAREMF1是符合ISO/IEC14443A的非接觸智能卡。其通訊層（MIFARERF接口）符合ISO/IEC14443A標準的第2和第3部分。其安全層支持域檢驗的CRYPTO1數據流加密。系統工作原理讀寫器將要發送的信息，經編碼后加載到高頻載波信號上再經天線向外發送。進入讀寫器工作區域的電子標簽接收此信號，卡內芯片的有關電路對此信號進行倍壓整流、調制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權限等進行判斷。若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關信息，經加密、編碼、調制后通過片上天線再發送給閱讀器，閱讀器對接收到的信號進行解調、解碼、解密后送至信息系統進行處理。若為修改信息的寫命令，有關控制邏輯引起電子標簽內部電荷泵提升工作電壓，提供電壓擦寫E2PROM。若經判斷其對應密碼和權限不符，則返回出錯信息。特性1.1MIFARERF接口(ISO/IEC14443A)非接觸數據傳輸并提供能源（不需電池）工作距離：可達100mm（取決于天線尺寸結構）工作頻率：13.56MHz快速數據傳輸：106kbit/s高度數據完整性保護：16BitCRC，奇偶校驗，位編碼，位計數真正的防沖突典型票務交易：<100ms（包括備份管理）1.2EEPROM1Kbyte，分為16個區，每區4個塊，每塊16字節。用戶可定義內存塊的讀寫條件數據耐久性10年寫入耐久性100.000次1.3安全性相互三輪認證（ISO/IECDIS9798-2）帶重現攻擊保護的射頻通道數據加密每區（每應用）兩個密鑰，支持密鑰分級的多應用場合每卡一個唯一序列號在運輸過程中以傳輸密鑰保護對EEPROM的訪問權RF接口：RF接口符合非接觸智能卡標準ISO/IEC14443A。所傳送的每個字節末尾都有一個奇偶校驗位（奇校驗）。選定塊最低地址字節的最低位首先傳送。最大幀長為163bit（16數據字節+2個CRC字節=16*9+2*9+1起始位）。存儲器組織：1024x8bitEEPROM存儲器分為16區，每區4塊，每塊16字節。

在擦處后的狀態下，EEPROM的單元讀為邏輯“0”，寫后的狀態下讀為“1”。廠商代碼塊：這是第1區的第1塊（塊0）。數據塊：各區均有3個16字節的塊用于存儲數據（區0只有兩個數據塊以及一個只讀的廠商代碼塊）。尾塊（塊3），各區均有一個尾塊。通訊原理呼叫：卡上電復位后，通過發送request應答碼（ATQA符合ISO/IEC14443A），能夠回應讀寫器向天線范圍內所有卡發出的request命令。防沖突循環：在防沖突循環中，讀回一張卡的序列號。如果在讀寫器的工作范圍內有幾張卡，它們可以通過唯一序列號區分開來，并可選定以進行下一步交易。未被選定的卡轉入待命狀態，等候新的request命令。

選卡：讀寫器通過selectcard命令選定一張卡以進行認證和存儲器相關操作。該卡返回選定應答碼（ATS=08h），明確所選卡的卡型。三輪認證：選卡后，讀寫器指定后續讀寫的存儲器位置，并用相應密鑰進行三輪認證。認證成功后，所有的存儲器操作都是加密的。存儲器操作（認證后可執行下列操作）：讀數據塊寫數據塊減值：減少數據塊內的數值，并將結果保存在臨時內部數據寄存器中。加值：增加數據塊內的數值，并將結果保存在數據寄存器中?；謴停簩祿K內容移入數據寄存器。轉存：將臨時內部數據寄存器的內容寫入數值塊。

存儲器讀寫接口電路形式RS232,485,422,USB,I2CRFIDTag形式wristbandPcbcardKeytagMetaltagGlasstageSealBlockertagtag+temp.sensorRFID讀卡器ZigBee解決方案目前在2.4GHz的RF芯片，以Chipcon（TI收購）市場占有率較高，其RF芯片CC2420搭配AtmelAVR8bits微處理器的平臺，也是大多數人接觸到ZigBee的第一個開發平臺。另外一家2.4GHz的RF芯片廠商Freescale，也有漸漸迎頭趕上的趨勢。其RF芯片共分3種型號：MC13191、MC13192與MC13193，搭配不同的協議軟件，提供給廠商進行不同產品的開發。在軟件部分，國際上已經有許多公司有提供ZigBeeStack，例如：Ember、AirBee、Figure8Wireless等，其中以Figure8Wireless(F8W)所設計的Z-Stack最富盛名。Chipcon把F8W買下來后，使得Chipcon成為ZigBee的完全解決方案的提供者。Freescale，也是搭配F8W的Z-Stack。這樣，ChipconCC2420+Z-Stack以及Freescale13193+Z-Stack都已成為認證時的黃金平臺。ZigBee射頻芯片CC2420（調制解調芯片）

ZigBee芯片模塊方面，則內含RF、PHY與MAC做成一單芯片。

CC2420主要特性/cn/lit/ds/symlink/cc2420.pdf調制解調方式傳輸幀格式和功率損耗PowerDown20uA@3.0VIdleMode426uA@3.0VReceiveMode18.8mA@1.8VTransmitMode8.5mA@3.0V(P=-25dBm)11mA@3.0V

(P=-10dBm)17.4mA@3.0V(P=0dBm)CC2533（SoC芯片）/cn/lit/ds/symlink/cc2533.pdfCC2533主要特性2.4GHz

ZigBee射頻收發器CPU集成高性能8051MCU96KB

Programm

Flash6KB

RAM外圍設備接口I2C,UART(SPI),GPIO(23),Watchdog功耗（Power

Voltage

2-3.6V）Receive

Mode

25mATransmitMode 28.5mA4uswake-up 6.2uASleepTimingRunning 1uAExternalInterrupt 0.5uA典型應用系統的接口電路舉例網關ZigBee終端結構示意圖程序的結構

程序的結構

某些ZigBee協議棧提供了類似OS的方式來調度程序。

一般一個應用大致分為兩部分：

App_init()

進行應用程序的初始化工作

App_processevent()

對于各種事件的處理

事件包括系統事件和用戶事件，人們可以把要執行的程序使用Event方式來和系統連為一體。TI

CC2560PAN1315（Panasonic）CC2560/industrial/includes/pdf/PAN1315%20Core%20Specifications.pdfWiFi芯片Marvell公司W8787SDIO接口SDIO1.0標準定義了兩種類型的SDIO卡：全速的SDIO卡，傳輸率可以超過100Mbps；低速的SDIO卡，支援的時脈速率在0至400KHz之間。主要應用：藍牙照相機GPSWiFiMarvell公司W8787

Marvell公司W8787

支持操作系統：AndroidWMLinuxBroadcom

BCM4329Broadcom

BCM4329支持操作系統：AndroidWMLinuxiOS2G網絡接入GPRSGTM-900華為2G網絡接入GPRSUART接口3G數據卡與運營商合作網絡和應用處處理器WSN處理器的選擇運算量應用需求功率損耗集成度集成平臺Intel

imoteImote2是一款先進的無線傳感器節點平臺.它集成了低功耗的PXA271XScaleCPU和兼容IEEE802.15.4

的射頻芯片.Marvell(Intel2006)PXA27013-416MHz操作系統LinuxWMCC430|RF+低功耗MCUCC1101SoC方案的收發器高靈敏度低電流損耗卓越的模塊性能靈活的數據速率以及調制模式MSP430?微控制器工業級最低功耗的

MCU16位精簡指令結構20MHz的處理器高性能的模擬部分

傳感接口48腳QFN封裝7.15mmx7.15mmarea智能外設比較器，工作電流消耗僅100nA8通道12位ADC(最高200ksps的采樣率)96段LCD控制器128位的

AES安全加解密協處理器CC430F613xCC430F613xCPU性能射頻性能功耗性能操作系統CC430芯片家庭護理的無線傳感器網絡其它處理器芯片DSP

TI

6678

工作頻率1.25GHz運算量320GMAC/160GFLOP@1.25GHz操作系統RTOSARM

Contex

A9

TI

3894工作頻率1.5GHz計算量3GMAC@1.5GHz3D高精度1920x1280顯示操作系統linux

Android

WM等2010年國家重大專項關于WSN項目短距離無線互聯與無線傳感器網絡研發和產業化（M2M共性技術）支持多傳感網應用的中間件平臺研發（共性技術）傳感器網絡電磁頻譜監測關鍵技術研究中高速傳感器網絡核心芯片研發（500Kbps）面向民用機場周界防入侵監視的新一代傳感器網絡研發與應用驗證面向智能電網的安全監控、輸電效率、計量及用戶交互的傳感器網絡研發與應用驗證面向太湖藍藻爆發監測的傳感器網絡研發與應用驗證面向地質災害監測預警的傳感器網絡研發與應用驗證提綱無線傳感器網絡設計要素無線頻譜感知網絡設計水污染監控傳感器網絡應急通信和定位系統智能交通其它應用領域2010年國家重大專項項目傳感器網絡電磁頻譜監測關鍵技術研究課題說明：從傳感器網絡的行業、公眾、特種應用對電磁頻譜監測的需求出發，考慮未來傳感網對頻譜感知的功能要求，針對分布式電磁頻譜監測進行關鍵技術研究，為傳感網在多種電磁環境中廣泛應用奠定基礎。研究目標：針對分布式電磁頻譜監測進行關鍵技術研究，重點突破電磁頻譜監測無線傳感器網絡體系結構設計技術；典型應用場景的信道測試和建模；面向電磁頻譜監測傳感器網絡應用的網絡協議設計與優化技術；具備電磁頻譜感知共存能力的無線傳輸技術；分布式協同信號檢測、定位與跟蹤技術；分布式協同信號識別與分類技術；小型化、低功耗電磁感知節點一體化設計；建立上述關鍵技術功能驗證的電磁頻譜監測傳感器網絡試驗系統，并形成相關標準。技術指標傳感器網絡節點個數：不少于50個；監測信號頻率范圍：6GHz以下；監測信號類型：ASK、FSK、MSK、BPSK、QPSK、8PSK、QAM等；信號特征參數提?。褐行念l率、帶寬、波特率等；傳感器網絡節點間傳輸速率：>64Kbps；具有可擴展能力的電磁頻譜監測傳感網組網協議；形成相關標準；申請發明專利數。項目背景和技術要求頻譜資源相對緊張同時存在不合理利用，浪費現象嚴重

頻譜空穴（spectrumhole）頻譜中的資源閑置2003年12月，美國聯邦通信委員會FCC在其規則第15章（FCCrulePart15），公布了修正案。從法律上規定[5]“只要具備認知無線電功能，即使是其用途未獲許可的無線終端，也能使用需要無線許可的現有無線頻帶”。為新的無線資源管理技術奠定了法律基礎。2004年10月，國際標準化組織IEEE成立IEEE802.22工作組，制定采用認知無線電技術，在VHF/UHF廣播電視頻段實現無線寬帶接入的無線通信標準。因此對于頻譜資源的監測和控制是無線頻譜管理的重要任務系統方案該系統對于供電無特殊要求，不是低功耗系統。數據量分析數據信號要求監測信號頻率范圍：6GHz以下；分辨率100Hz；更新速率600s（10分鐘）采用16位浮點數數據量計算系統一次更新數據量120MB系統要求傳輸速率為1.6Mbps無線方案選擇WiFi自組織網絡LTETD-SCDMA網絡特點數據量大網絡拓撲結構可自組織無功耗要求難點：數據壓縮網絡的路由接收機射頻WSN數據無損壓縮編碼數據壓縮有損壓縮無損壓縮行程編碼LZW編碼哈夫曼編碼算術編碼無損預測編碼位平面編碼有損預測編碼分形編碼模型編碼子帶編碼神經網絡編碼變換編碼K-L變換Haar變換Walsh.Hadamard變換離散余弦變換離散傅立葉變換斜變換小波變換WSN數據無損壓縮編碼非等長數據壓縮Huffman編碼cabcedeacacdeddaaabaababaaabbacdebaceadaa–16b–7c–6d–6e-5例子中的信息編碼為：101010010111111011101010101......碼長88位，比Shannon-Fano編碼略短一些a–0b–100c–101d–110e–111root00111abcde001可以得到約35%的數據壓縮，使數據傳輸速率降低到1.2Mbps左右WSN數據無損壓縮編碼行程編碼（RLE）RLE編碼是將數據流中連續出現的字符用單一記號標記例如字符串AABCDDDDDDDDBBBBB,可以壓縮為3ABC8D5B頻譜檢測節點設備處理器的選擇TMS320C6701+FPGA工作頻率167MHz運算速度1GFLOPSTMS320C6678

工作頻率1.25GHz運算量320GMAC/160GFLOP@1.25GHzTMS320C6670工作頻率1.2GHz運算量153.6GMAC/76.8GFLOP@1.2GHzVCP2,TCP3d,TCP3e,FFT,PA

無線傳輸方案的選擇最佳路由備選替換路由有線回傳Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWiFi自組織路由技術覆蓋范圍100-1000mWiFi網橋自組織網絡轉接次數與關系速率：R<R/2n50節點的網絡規劃中最高轉接次數n=5能夠確保2Mbps的網絡數據傳輸WiFi網絡接入的載波偵聽技術接入機制競爭機制CSMA和TDMAPolling技術提高路由性能WLAN網橋設備符合IEEE802.11a/b/g/n標準，采用MIMO、OFDM技術；支持APWDS、StationWDS、AP、Station等應用模式；TDMAPolling技術，具有先進的抗鄰區（Inter-Cell）互擾能力和在點對多點（PTMP）連接時也具備高吞吐量、低延時能力；超高傳輸速率：擁有300Mbps的傳送速率，實際數據速率高達150Mbps以上；現場頻譜掃描軟件：可以掃描5.8GHz全頻段，并給出信號強度、具體頻點、信道，方便工程調試;信道頻寬：通過軟件可控每個信道的頻寬5MHz、10MHz、20MHz、40MHz，有效利用頻點資源，優化無線鏈路，特別有利于大規模的視頻數據傳輸業務；多重安全措施：支持WEP，WPA，WAP2和802.1x，支持國際標準的AES/TKIP；

LTE主要技術指標支持1.25MHz-20MHz帶寬峰值速率：下行100Mbps，上行50Mbps。頻譜效率達到3GPPR6的2-4倍移動性0~15km/h(最佳性能)0～120km/h(較好性能)120km/h~350km/h(保持連接，確保不掉線)

覆蓋范圍0~5km(較高頻譜利用率)5~30km(稍差的頻譜利用率)用戶面延遲（單向）小于5ms，控制面延遲小于100ms支持增強型的廣播多播業務支持增強的IMS（IP多媒體子系統）和核心網取消CS（電路交換）域，CS域業務在PS（包交換）域實現，如采用VoIP支持與現有3GPP和非3GPP系統的互操作QoS如果要保證系統的QoS,有2個選擇:超/富裕帶寬設計在網絡內執行QoS機制全雙工/802.3x，帶優先級可交換/802.1p并結合第三層協議，比如RSVPRSVP=ResourcesReservationProtocolEthernetLAN帶QoS

QoSWi-FiMultimediaExtensions(WME):wmm(無線多媒體)是802.11e標準的一個子集。wmm允許無線通信根據數據類型定義一個優先級范圍。時間敏感的數據，如視頻/音頻數據將比普通的數據有更高的優先級。為了使wmm功能工作，無線客戶端必須也支持wmm。客戶可以根據需求選擇是或否。MM(Wi-FiMultiMedia)是Wi-FiAlliance(WFA)的QoS證書。WMM一經啟用，適配器便用它來支持Wi-Fi網絡的優先級標記和排隊功能。QoSWi-FiScheduledMultimedia(WSM):預定進度的無線多媒體”（Wi-FiScheduledMultimedia），它可以對某些指定流量設定均勻間隔的時間周期。每個預定安排都是一個流量規范，但它只發送與指定流量有關的數據包。這將大大減輕無線數據傳輸過程中的沖突，并可建立有保證的時間周期，使設備能夠正常傳輸流量。另外，它暫停了CSMA的補償規則，因而加速了連續數據包的傳輸。

QoS用戶使用提綱無線傳感器網絡設計要素無線頻譜感知網絡設計水污染監控傳感器網絡應急通信和定位系統智能交通其它應用領域2010國家重大專項項目面向太湖藍藻爆發監測的傳感器網絡研發與應用驗證需求:

2007年發生在無錫市的5·29太湖飲用水危機事件直接的原因是太湖富營養化導致藍藻水華暴發使得飲用水水源地受到污染所致。本應用示范為解決太湖飲用水污染問題提供有效技術手段。以此為例，可拓展至我國湖泊水體監測系統。與國家已設置的環保有關專項不同，本課題主要開展對水體富營養化程度等的分布式動態實時監測。建立特殊區域重點監測傳感網和太湖湖泊全覆蓋TD-SCDMA網絡相結合的新型監測系統，為今后藍藻爆發危情提供一線感知數據，有助于環境監測部門對太湖等富營養化水體的多項指標做及時的監管和控制，針對應急情況做出快速反應；有助于推動TD-SCDMA走向綜合運營；對避免水危機事件發生、保障飲用水安全具有重要意義。研究目標：從避免水危機事件發生、保障飲用水安全的民生角度出發，圍繞我國環境部門對太湖富營養化水體各種指標的監管和控制、對應急情況的及時處理等要求，建立基于傳感網和TD-SCDMA結合的富營養化水體水質和藍藻水華分布式動態實時監測、預警系統，為今后藍藻爆發危情提供一線感知數據。突破特定應用和工程部署關鍵技術，完善傳感網水質、水體智能檢測應用子集設計、產品定義和系統解決方案，推動相關標準的制定，側重實現對中高速傳感網與低功耗傳感網等混合組網的技術應用驗證，并對前期設置課題中設備、網絡等成果進行環境適應性和規模性驗證，為傳感器網絡在環境監測中的大規模應用推廣奠定基礎。技術指標應用驗證系統規模應支持水環境監測基本完備功能，TD接入點不小于10個，傳感網網絡規模達數百節點級，為行業規模應用奠定基礎。提交水質、水體環境監測等的應用標準和技術標準提案不少于2項。應用系統應能驗證09年相關課題中的設備產品種類的80%，進入規模應用驗證。同時，申報單位須提供下列指標（但不限于）的具體建議：太湖富營養化水體和藍藻水華監測系統中特定應用關鍵技術如：中高速傳感網與低功耗傳感網的異構融合；適用于湖泊水體的的微型智能化節點設計；湖泊環境動態實時監測及預警傳感網平臺等技術指標。申請發明專利數和預期授權率。傳感器采集信號要求該平臺通過在目標水域中建立集氣象系統、水文系統、水質系統、自動剖面系統、攝像系統以及數據傳輸等多種功能于一體的氣象水文野外生態站，自動監測目標區域中的大氣壓、溫度、濕度、風速、風向等氣象參數以此來監測水體流速以及不同水層的水質狀況。通過系統的比對分析對氣象、水質災害進行預測，提前做好應對措施；通過監測實時數據，系統研究影響水文氣象環境的各項因素，提出科學的治理方案，從根本上解決水環境問題。系統總體方案2023/2/478監控中心實時數據顯示遠程參數設置數據統計分析無線水質監測小浮標浮標平臺數據采集基站（TD節點）傳感網節點；將水質數據傳輸給基站的協調器傳感網協調器，控制網絡，采集傳感網節點數據；水質、水文、氣象、視頻、氣味采集；將數據通過移動網絡傳輸給監控中心利用移動運營商的網絡遠程移動通信網絡太湖示范區系統工作流程數據處理監測小浮標浮標平臺監控中心數據發布統計分析數據顯示數據存儲移動網絡傳感網水質傳感器水質傳感器氣象傳感器水文傳感器視頻數據或狀態現場控制命令傳感器種類水質參數：水溫、PH、溶解氧、總磷、總氮、氨氮、電導率、濁度、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、硝酸鹽生物參數:水體葉綠素α濃度、水體藻藍蛋白濃度、藍綠藻濃度氣象參數：風速、風向、空氣濕度、溫度、光照度，降雨量水文參數：水流流向、水流流速、水位視頻氣味傳感器：NH3、H2S傳感器傳輸速率分析監測小浮標節點數據參數浮標平臺(具有20節點數據融合)環境測量數據<5KB*20=100KB視頻監控環境測量傳感器種類數據量水質參數<1KB生物參數<1KB氣象參數<1KB水文參數<1KB氣味傳感器<1KB監測小浮標數據傳輸和網絡方案每20節點監測小浮標向一個浮標平臺發送傳感器采集數據。20節點，每節點每次數據量小于5KB；每10分鐘發送一次采集數據；每節點數據傳輸速率為70bps，網絡數據傳輸速率為1.4kbps?？蛇x擇技術方案GPRS和ZigBeeGPRS需要和運營商合作，費用大；ZigBee屬于自組織網絡，只有一次投入費用，無后續費用。ZigBee網絡的傳輸速率為250kbps,因此可以選擇ZigBee網絡作為監測小浮標數據網絡ZigBee通信可靠性保證在低信噪比的環境下ZigBee具有很強的抗干擾性能。誤碼率信噪比dBbluetoothZigBee通信可靠性保證監控浮標網絡組網網絡協調器全功能設備(FFD,Router):可以支持任何一種拓撲結構，可以作為網絡協商者和普通協商者，并且可以和任何一種設備進行通信

精簡功能設備(RFD)：只支持星型結構，不能成為任何協商者，可以和網絡協商者進行通信，實現簡單。

星型網狀型簇狀型中間協調器接收和發送信標幀MAC層幀結構目標：用最低復雜度實現多噪聲無線信道環境下的可靠數據傳輸幀組成地址格式：16位短地址和64位擴展地址幀控制字段的內容指示地址類型幀的類型：信標幀，數據幀，確認幀，MAC命令幀信標幀格式數據幀格式確認幀格式命令幀格式IEEE802.15.4MAC協議

在DCF工作方式下，載波偵聽機制通過物理載波偵聽和虛擬載波偵聽來確定無線信道的狀態。物理載波偵聽由物理層提供，虛擬載波偵聽由MAC層提供。IEEE802.15.4（ZigBee）MAC協議協調器產生并發送信標幀，普通設備根據協調器的信標幀與協議器同步；支持PAN網絡的關聯（association）和取消關聯（disassociation）操作；支持無線信道通信安全；使用CSMA-CA機制訪問信道；支持時槽保障（guaranteedtimeslot,GTS）機制；支持不同設備的MAC層間可靠傳輸。IEEE802.15.4（ZigBee）MAC協議中間協調器接收和發送信標幀浮標平臺數據傳輸和網絡方案匯聚20節點的監控浮標傳感器采集信息數據融合后的采集信息速率小于1.4kbps視頻信息約2Mbps高清網絡攝像機與其它品牌高清網絡攝像機對比分析比較項目高清攝像機HH品牌HK品牌AX品牌壓縮算法MainProfile@Level4.1BaselineProfilempeg4MJPEG720P雙碼流1080P實時流720P+720P以下25fps720P不支持720P12.5fps720P720P/2M編碼水平解析度727線620線600線720P等畫質推薦碼流2M4M6M12M自動光圈控制完全支持暫不支持RTSP協議完全支持浮標平臺網絡組網和接入TD-LTETD-LTELTE主要技術指標支持1.25MHz-20MHz帶寬峰值速率：下行100Mbps，上行50Mbps。頻譜效率達到3GPPR6的2-4倍提高小區邊緣的傳輸速率移動性0~15km/h(最佳性能)0～120km/h(較好性能)120km/h~350km/h(保持連接，確保不掉線)

覆蓋范圍0~5km(較高頻譜利用率)5~30km(稍差的頻譜利用率)用戶面延遲（單向）小于5ms，控制面延遲小于100ms支持增強型的廣播多播業務支持增強的IMS（IP多媒體子系統）和核心網取消CS（電路交換）域，CS域業務在PS（包交換）域實現，如采用VoIP支持與現有3GPP和非3GPP系統的互操作系統組網方案短距離通信小浮標和采集基站進行通信,采用ZigBee協議低功耗高可靠性低成本長距離通信采集基站和監控中心通信,決定采用移動公司提供的TD-SCDMA網絡TD技術已經成熟中國自主知識產權無錫地區網絡已基本成熟采用VPN（VirtualPrivateNetwork，虛擬專用網絡），每一個采集基站賦予一個IP地址網絡安全利用MAC幀為單位四種幀安全的服務訪問控制數據加密幀完整性檢查順序更新ZigBee組網安全TD組網安全TD-SCDMA網絡平臺對安全性作了全面考慮注冊：用戶向基站報告其位置狀態、身份標志和其他特征的過程鑒權：用戶向網絡證實自己身份認證的一個過程加密：在基站和移動臺之間交換信息專門采用了一個加密程序監控中心的硬件體系結構

接收各基站的數據信息，通過解析對數據進行協議轉換和傳遞應用程序服務，包括組態軟件的服務、并可提供對數據的分析和處理為內部局域網進行配置以保證網絡的正常運行

主業務臺、備用業務臺、數據管理業務臺等實時監測軟件集成太湖示范區藍藻監測系統系統設置接收處理自動報警數據顯示統計分析手動采集控制管理節點維護WEB瀏覽采用組態軟件和數據庫軟件開發數據接口規范：《江蘇省環境自動監測系統聯網數據交換協議規范》數據存儲實時監測各項參數保存實時數據、歷史數據和報警數據在線報警顯示實時和歷史數據進行統計分析提供各級管理部門網上Web瀏覽查詢功能無線水質監測小浮標集成設計浮體：離子聚合泡沫塑料重量輕、浮力高抗吸水性強、抗碰撞抗腐蝕性強能抵抗生物沾附浮體儀器室能源系統密封防水與外界的聯系通過板蓋上的水密接頭進行儀器室不銹鋼桶底部與水體接觸，可平衡室內的溫度太陽能板+鐵鋰電池溫度廣：-200C至+700C無記憶效應，壽命長無污染重量輕控制器靈活增刪探頭浮標平臺數據采集基站集成設計采用符合國際航道標志協會要求的標準燈標:在晚上或濃霧時向周邊船只發出警示加裝GPS及防盜報警系統，加裝避雷裝置錨泊系統：包括主錨及副錨兩部分。水質傳感器水文傳感器

視頻TD天線控制器：實現傳感網與TD的融合

氣象傳感器氣味傳感器附體與能源系統要求同小浮標采集基站控制器電路設計

實現無線傳感網與TD網絡的融合基站與小浮標節點點間，基站與監控中心間數據的雙向通信采用ARM-DSP雙處理器架構結合ZigBee與TD無線傳輸技術浮標的能源管理能源管理關系到電池的壽命和設備的安全運行池保護功能：充電保護：當充電結束時，關閉充電電路降壓保護：當陰雨天氣時，浮標由電池供電，當電池電壓下降到一定程度可按用戶設定先切斷部分單元的供電，保護電池不致過放損壞浮標工作模式：通過監測軟件控制浮標工作狀態通過監測軟件控制浮標工作狀態按預先設定的采集間隔進行工作，并可實時調整，間隔中間處于休眠狀態提綱無線傳感器網絡設計要素無線頻譜感知網絡設計水污染監控傳感器網絡應急通信和定位系統智能交通其它應用領域功能定位安全監測系統人員實時定位控制臺與人員實時短信交流控制臺實時顯示人員周圍環境情況

定位

通信

安全監測主要技術指標自組織通信網絡最低限度應急通信傳輸支持預警、求救、語音和數據通信功能定位功能定位分辨率：0.25米；

未優化定位誤差：4米；

優化后定位誤差：2米定位周期：小于1秒；

定位目標最大移動速度：5米/秒；

相鄰節點最大間距：50米數傳速率：4Kbps應急通信和定位系統技術特點分析網絡具有不穩定性，存在節點丟失情況，網絡具有自組織建立功能；具有應急通信功能，數據傳輸速率低；定位精度高；具有最低限度數據傳輸和路由性能；電池供電，具有低功耗要求。數據量分析承載業務數據量語音信號數據量3Kbps；短信數據量128Bytes/packetRSSI信號4Bytes全網數據量分析60節點語音信號數據量180Kbps短信和RSSI信號小于10Kbps無線網絡方案：ZigBee數據傳輸量小覆蓋距離短，小于30m電池供電系統，AAA電池4節傳感器節點設計通信系統接口層數據包處理網絡自組織性01456?2節點丟失1234215節點發現和網絡重構貪婪路由策略優點采用局部最優的貪婪算法，不需要維護網絡拓撲，路由開銷?。豢蛇m用于靜態和移動的WSN網絡；缺點需要地理位置信息的支持；需要維護鄰居節點位置信息。MFR(MostForwardwithinRadius)：使到目的節點的跳數最少。NFP(NearestwithForwardProgress)：使節點之間干擾最少CR(CompassRouting)：減小數據傳輸范圍GPSR協議評價GEAR：GeographicandEnergyAwareRouting分兩個階段：查詢消息到達目的區域的路徑查詢消息在目標區域的傳播選路依據節點到查詢區域通信能量能耗節點本身的剩余能量最小代價節點為轉發節點查詢命令傳送到目標區域貪婪算法－選擇鄰居節點到達指定區域的代價查詢在監測區域內傳送：洪泛方式，迭代地理轉發將目標區域分解為若干子區域、向子區域的中心位置轉發）優點利用了位置信息，避免了查詢消息的Flooding；考慮了消耗的能量和節點剩余能量，均衡消息；路徑選擇可達到局部最優；迭代地理轉發對洪泛機制的補充；缺點可能出現路由空洞（局部信息）-兩跳信息；不適合在移動WSN使用定位測距技術大多數已有的位置發現方法由兩個基本的階段組成：距離（或角度）估計距離（或角度）融合估計兩個節點間距離最常用的方法是：接收信號強度指示RSSI：根據接收到的信號強度計算路徑損耗，再將路徑損耗轉換成距離?；跁r間的方法（ToA、TDoA）：根據信號到達時間或兩種信號的到達時間差估算距離。到達角度AoA：估計信號的到達角度，用幾何關系計算節點位置。RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）已知發射節點的發射功率，接收節點根據接收到的信號強度估算到發射節點的距離。使用最廣泛的信號傳播模型是對數距離路徑損耗模型，其中功率均用分貝表示：大量研究表明，在無線傳感器網絡中無法得到信號衰減與距離之間的一致模型，主要原因在于：環境的影響：多路徑、衰落、遮蔽效應天線高度節點的發射功率未精確校準TDoA（TimeDifferenceofArrival）發送節點同時發出射頻及超聲波兩種信號，接收節點根據收到兩種信號的時間差來估算距離。特點：精度高傳輸特性也受環境影響，但較易檢測超聲傳輸距離短AoA（AngleofArrival）通過陣列天線或多個接收器得到信號到達的方向。圖示的例子中同時使用到達信號的時間差（TDoA）和相位差：使用兩個超聲信號接收器，相距L放置；利用TDoA得到兩個超聲信號接收器到發送節點的距離x1和x2；利用x1、x2和L計算到發送節點的角度θ。距離（角度）融合距離（角度）融合常用的方法是：三邊測量法（tri-lateration）：通過計算3個圓的交點來定位節點。三角測量法（triangulation）：使用三角函數來計算節點位置。最大似然估計法（MaximumLikelihoodestimation）：通過最小化測量距離和估計距離之間的差異來估計節點位置。不基于測距的（rang-free）定位算法不基于測距的算法不需要知道待定位節點到參考節點的距離，或者不需要直接測量此距離，成本和功耗較低。幾種典型的不基于測距的定位算法：質心法（Centroid）幾何約束法（GeomenticConsrain）DV-HOP質心法質心法基于以下兩個假設：射頻信號的傳播遵循理想的圓球模型所有節點的通信距離相等網絡中放置了固定數量、通信區域相重疊的一組參考節點，這些參考節點構成規則的網狀結構。質心法原理參考節點周期性地發送包含自射位置信息的信標消息；未知節點在一個給定的時間間隔t內接收信標消息，對于每個參考節點Ri，統計在該時間內收到的信標消息數Nrecv(i,t)，計算對應的連接測度CMi：

CMi=Nrecv(i,t)/Nsent(i,t)×100%未知節點選擇連接測度大于指定閾值的參考節點（設為k個），計算這些參考節點的質心作為自己的位置估計值：幾何約束法每個節點的信號覆蓋范圍可以用一個幾何形狀來表示對于每個聽到的參考節點，待定位節點計算這些參考節點信號覆蓋范圍的重疊區域。計算包含重疊區域的最小矩形，矩形的中心作為節點的位置估計值。定位技術采用RSSI和質心定位技術定位流程RSSI定位技術存在的問題近端失效：實際測試中發現，當盲節點距離某一個參考節點較近時，定位誤差較大，定位結果有偏向該參考節點趨勢。理想的RSSI的計算公式如下：

而點對點信號強度測試實驗發現，隨著兩個節點間距離的增大，RSSI不像理想中的那樣按指數規律減小，而是在2米左右出現一個峰值。RSSI是否優化后定位結果對比（左圖：未優化，右圖：優化后）定位精度從4m精確到1m系統功耗分析可以使用CC430F613x單芯片實現4節AAA電池可以帶機工作1年。基于無線電波的能量回收如何保證節點在微弱電磁環境中工作距離輻射源越遠，環境電磁波能量越小根據遠場區場強公式：？收集足夠的環境電磁能盡可能減小節點的功耗環境電磁波頻譜能量測量天線設計能量轉換與存儲電源特性分析低功耗節點設計電源管理電路設計主要研究內容TI解決方案Withaslowas160uA/MHz(microamppermegahertz)activepowerconsumptionand1.5uAstandbypowerconsumption,MSP430F5xxMCUsenablelongerbatterylifeornobatteriesatallforenergyharvestingsystemsthatrunoffofsolarpower,vibrationenergyortemperaturedifferenceslikefoundonhumanbody.TMS37157PASSIVELOWFREQUENCYINTERFACEDEVICEWITHEEPROMAND134.2kHzTRANSPONDERINTERFACE確定電磁波搜集頻段

10Hz～2.5GHz頻譜能量測量AM頻段頻譜能量測量電能搜集天線

環形天線中波發射和傳播模型地網地平面天波地波平行接地天線Pmax=0.168uWPmax=65uW倍壓級數選擇及電源特性調諧電感與輸出電壓關系典型傳感器節點工作電壓范圍倍壓級數與輸出功率關系電磁波供電穩定性測試環境電磁波能量穩定性測試（2011年3月8日-14日）環境電磁波能量足夠保證節點的全天候穩定工作微功耗無線傳感器節點設計

138/16對傳統電源管理的改進：1、增加能量檢測環節2、定時喚醒

根據能量喚醒系統總靜態功耗<2uA喚醒間隔根據能量自動調整關鍵部分電路Wang,A.;Kwong,J.;Chandrakasan,A.;,"OutofThinAir:EnergyScavengingandthePathtoUltralow-VoltageOperation,"Solid-StateCircuitsMagazine,IEEE,vol.4,no.2,pp.38-42,June2012

無線傳感器節點內部無線通信系統無線通信天線接能量收集天線測試時間：約12h通信次數：1295次丟包：4次每次通信耗能：250uJ

平均通信間隔：32.3s傳感器節點通信測試（2011年1月28日-29日）通信間隔統計提綱無線傳感器網絡設計要素無線頻譜感知網絡設計水污染監控傳感器網絡應急通信和定位系統智能交通其它應用領域物聯網智能交通系統ITS智能交通系統ITS（IntelligentTransportationSystems）主要包括以下幾個方面交通信息服務系統（ATIs)交通管理系統（ATMS)公共交通系統（APTS)車輛控制系統（AVCS）電子收費系統（ETC)緊急救援系統（EMS)城市交通2000.4高速公路高速公路2002.6ZTEITS物聯網軌道交通2006.1鐵路城市交通公路已經涉足的ITS領域城市交通公路鐵路智能交通物聯網：物聯網產業化最能夠率先成功的核心行業準備進入的ITS領域水運管道

民航水運管道

民航智能交通物聯網系統組成商業模式演變智能交通物聯網層次結構物聯網平臺交警公交地鐵民航港口出租運營商服務出行者政府……司機智能交通智能交通物聯網運營商服務數據源交通信息服務RFID互聯網視覺識別WirelessCom.GPS移動通信網絡電信移動M2M……聯通H2M核心技術產品三大網絡運營商網絡平臺智能交通

物聯網H2H智能交通物聯網平臺建設城市智能交通控制與管理系統的結構信息傳輸系統交通誘導系統交通事件事故

視頻檢測系統超速檢測系統供電防雷系統閉路電視監控系統交通管理信息系統電子警察系統信號控制系統交通事件快速

處理系統GPS車輛定位

系統交通管理自動化系統其他信息應用系統業務支撐平臺軟件平臺硬件平臺指揮中心控制系統交通信息采集常用檢測技術有環形線圈、微波、視頻、超聲波等微波檢測利用雷達技術，對路面發射微波，通過對回波信號進行高速實時的數字化處理分析，檢測車流量、速度、車道占有率和車型等交通流基本信息。闖紅燈違章抓拍系統的運行界面交通信息傳輸的主要方式Internet、數據通信網、GPS、專用短程通信系統、無線移動通信、廣播接收機等。交通信號反饋控制系統在相關路段的適當位置設置各種車輛檢測器，獲得該監測斷面的交通參數，這些參數被送到交通信號控制系統，經計算機分析處理后，自動選擇合適的交通信號控制方案或者調整相關控制方案的信號控制參數，使交通流實現最小延誤，提高路口的通行能力。GPS導航系統

由接收機接收衛星信號，可得到該點的經緯度坐標、速度、時間等信息，當汽車捕捉不到衛星信號時，系統可自動轉換為自律導航，由車速傳感器

檢測出行進速度，陀螺傳感器檢測出前進方向，通過計算機直接算出前進的距離。

GPS導航可用于飛機、船舶、地面車輛及步行者。GPS在交通運輸行業的應用實例出租車城市出租車管理部門、大型出租車公司采用這個方案可以降低車輛空載率，提高營運效率，方便市民叫車，改善城市和出租車公司形象。保障乘客和出租車駕駛員的安全。公交行業公交公司采用這個方案可以降低乘客等車和乘車時的不確定感，降低駕駛員的工作強度，提高車輛利用率，改善公交公司和城市的形象。物流行業物流公司、郵政公司采用這個方案可以降低貨主、車主和配送人員的不確定感，提高營運效率，提高客戶的滿意程度，改善公司形象。公安部門公安局采用這個方案可以及時處理報警，提高處理報警的效率，對犯罪分子具有很強的震懾作用。緊急聯動衛生部門、醫院采用這個方案可以給社會提供更及時的緊急救護服務、挽救緊急傷病人的生命。移動信息服務網站，旅游公司采用這個方案可以為移動用戶提供高度個性化的信息服務。運輸行業運輸企業可以在辦公室低成本實時調度自己的車輛，提高車隊利用率。車隊管理環衛局，建筑公司等擁有車隊的企業采用這個方案可以分析車輛的利用情況，作為車輛配備、路線調整和駕駛員考核的依據。智能鐵路交通鐵路貨車技術管理信息系統(HMIS)鐵路客車技術管理信息系統（KMIS）是利用計算機網絡通訊技術、信息技術、數據庫技術實現鐵路貨客車生產組織、質量控制和技術管理，覆蓋鐵道部、鐵路局和車輛段（廠）三級客車運用、檢修（新造）基本業務活動的信息系統。GPS列車定位系統(GVLS)能在中心調度自動的定位火車及軌道養護車輛的精確位置，能夠極大地改善火車通過鐵道維護區域的安全性和效率。使用火車和軌道養護車輛上的精確定位系統可以將它們的位置信息傳送到調度中心。鐵路系統特點承載業務位置信息車輛狀況信息預警信息管理控制信息通信方式移動通信網絡(GSM,GPRS,3G)鐵軌鐵路專用網絡(星形和多跳組網)城市智能交通

GoTa的新一代出租車調度系統●集群調度功能●衛星定位功能●無線通信功能●實時監控功能●調度功能●信號提示功能●汽車電路信號檢測功能●開機自檢功能●報警功能交通信息傳輸的主要方式Internet、數據通信網、GPS、專用短程通信系統、無線移動通信、廣播接收機等。集群通信移動通信GSM，GPRS,3G，WiMAX專用通信網絡GPS/DR/地圖匹配組合定位系統其結構如圖所示：數據處理過程為每個采樣時刻是由濾波器處理傳感器和GPS測量值后組成優化值，后輸出車輛位置估計值并與定位濾差和行車方向一并輸入地圖匹配模塊，算出地圖上的匹配位置坐標，濾波器的結構原理如下：里程儀陀螺儀GPS接收機導航地圖數據庫濾波器地圖匹配模塊位置估計組合DR信息GPS信息車輛位置估算行車方向估算誤差估算定位輸出車載設備車載設備由定位模塊（GPS接收機和DR傳感器）、通信控制器、收發信機（集群電臺）、駕駛員接口和電源模塊組成，其原理圖如下：駕駛員接口數碼顯示語音提示短信息輸入定位模塊角速度傳感器GPS接收機里程儀接口通訊控制器單片機系統無線MODEM時序邏輯電路集群電臺電源模塊里程儀信號輸入智能公路

是建有通信系統、監控系統等基礎設施，并對車輛實施自動安全檢測、發布相關的信息以及實施實時自動操作的運行平臺車務通“車務通”是中國移動位置服務業務的一部分，它利用手機或安裝在車輛上的車載終端，基于中國移動GSM/GPRS網絡，提供車輛位置信息服務。是目前市場上規模最大的電信級車輛位置服務產品！點擊“路線設置”可進行設置報警路線點擊“區域設置”可進行設置報警區域點擊“地物查詢”可進行文字、周邊、區域、路徑查詢點擊“位置查詢”，進行單次定位、定時定位、定位計劃、軌跡查詢點擊“監控調度”，可進行發送短信、監聽、監視點擊“其他”，可設置超速報警、和限制語音功能歷史軌跡輕松查看神州車管家產品介紹：“神州車管家是中國移動通信集團重慶有限公司開發的一套遠程車輛管理系統，通過對車輛加裝監控終端，采集車輛運行數據，并通過移動GPRS網絡，將數據傳送至后臺管理服務器，從而實現對車輛的實時監控和遠程調度等功能，方便用戶通過PC機、手機靈活實現管理功能。產品基本功能：—車輛實時監控，地圖工具、實時監控、信息發布、警情處理、報警設置。—車輛綜合信息管理，企業、司機、車輛資料管理報警記錄統計，里程統計、調度短信查詢、日志查詢、車輛運營報表。—車輛調度管理與信息發布派車管理、維修管理、違章記錄統計?！囕v行駛軌跡回放軌跡回放、定時查詢。—手機查詢和遠程控制手機無線遠程對車輛進行信息查詢、管理控制。產品應用領域：該產品廣泛適用于企事業單位、公交行業、物流運輸等需要對運營車輛進行遠程監控和調度的單位和個人。物流調度追蹤產品介紹：物流企業及貨貸企業需要的產品是一套實時物流調度追蹤配載系統，裝在車輛上的終端及配合的后臺系統是實現調度追蹤配載的有效工具。車輛監控：配合GIS電子地圖，可以迅速了解這些車輛運行的位置、速度、行駛方向、距目的地的距離、時間等，以便控制中心實時動態的掌握車輛的運行情況，對企業動態、實時調度車輛提供強有力的手段?？稍O定信息回傳的時間間隔、回傳個數。

實時車輛位置車輛狀態信息車輛的實時位置、速度、方向、里程等信息列表超速報警列表高級調度：當車輛超速行駛時，GPS車載終端除向司機做語音的提示警告外，將主動向監控調度中心發送一條該車輛超速行駛的報警信息，中心收到該信息后，在監控工作站的計算機屏幕上彈出超速報警框，同時向值班人員語音報警，在報警框中，值班人員可以看到超速車輛當前的行駛速度、該路段規定的行駛速度、時間等信息。電子不停車收費系統通過車載裝置與收費站的微波天線之間的短程通訊，利用計算機聯網技術與銀行進行后臺結算處理；全路段封閉、車載智能卡、電子托收、聯網分賬等；采用了自動車牌識別、自動車型分類、逃費抓拍等技術；通行效率顯著提高，可24小時無人監管不間斷工作，車道過車和銀行托收都由系統自動實現；電子收費系統（ETC）電子收費系統結構圖提綱無線傳感器網絡設計要素無線頻譜感知網絡設計水污染監控傳感器網絡應急通信和定位系