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

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。

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。

EPC-64
1	·XXXXXX	·XXXXX	·XXXXXX
版本号	产品域名管理	产品分类	序列号

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

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：VigilNet

ViglNet 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。

智能楼宇的传感器：LoCal

声控开关、智能门禁、智能厕所等等。。。

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。

无线网络传感器特点

1. 大规模网络
2. 自组织网络
3. 多跳路由
4. 动态性网络

无线传感器网络协议

（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

1. ZigBee协调器（Coordinator）
   • 管理网络，组网
2. 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
3. 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

1. ZigBee协调器地址必须为）0x0000
2. 最耗能的地方为无线收发模块

如何降低能耗？

解决办法：

1. 采样监听：规定周期性的苏醒进行采样
2. 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

1. OFDM
2. 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）
3. 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。
4. 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
5. ARQ自动重发请求：接收端发起重发请求，提高吞吐量
6. 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V1.11.22.02.13.04.0，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

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。