模塊三無線傳感器網絡課件

1、物聯網技術在物流中應用 模塊三 無線傳感器網絡技術第一節(jié) 傳感技術及其應用傳感技術概念傳感技術在物聯網中的作用與地位傳感技術在物流管理中的應用 以倉儲管理中對濕度的要求 介紹濕度傳感器在物聯網介紹中應用一、簡介濕度測量技術：濕度測量技術發(fā)展已有200多年歷史；人們對濕敏元件的認識是從1938年美國F.W.Dummore研制成功浸涂式LiCl濕敏元件才開始的，從此以后，已有幾十種濕敏元件及傳感器應運而生。（可參濕度測量一書）毛發(fā)濕度計干濕球濕度計 濕度檢測的重要性濕度與科研、生產、人們生活、植物生長有密切關系，環(huán)境的濕度具有與環(huán)境溫度同等重要意義。目前人們對濕度的重視程度遠不及對溫度的重視。因此

2、濕度測量技術的研究及其測量儀器遠不如溫度測量技術與儀器那樣精確與完善。由于對濕度監(jiān)測不夠精確，致使大批精密儀器與機械裝置銹蝕、谷物發(fā)霉等，每年因此造成巨大損失。二、濕度及濕度傳感器1、濕度及其表示方法2、濕度傳感器及其特性參數3、濕度傳感器的分類 1、濕度及其表示方法 在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周圍的大氣里總是含有或多或少的水汽。 大氣中含有水汽的多少，表示大氣的干、濕程度，用濕度來表示，也就是說，濕度是表示大氣干濕程度的物理量。 大氣濕度有兩種表示方法：絕對濕度與相對濕度。相對濕度是氣體的絕對濕度(V)與在同一溫度下，水蒸汽已達到飽和的氣體的絕對濕度(W)之比，常表示為RH其表達

3、式為相對濕度= (V/W)100%RH根據道爾頓分壓定律，空氣中壓強PPa十PV(Pa為干空氣分壓，PV為濕空氣氣壓)和理想狀態(tài)方程，又可將相對濕度用分壓表示：相對濕度 (PV/PW)100%RH 式中：PV一待測氣體的水汽分壓； Pw一 同一溫度下水蒸汽的飽和水汽壓。2) 相對濕度2、濕度傳感器及其特性參數濕度傳感器是指能將濕度轉換為與其成一定比例關系的電量輸出的器件式裝置。主要特性參數有：濕度量程感濕特征量靈敏度濕度溫度系數響應時間濕滯回線和濕滯回差保證一個濕敏器件能夠正常工作所允許環(huán)境相對濕度可以變化的最大范圍，稱為這個濕敏元件的濕度量程。濕度量程越大，其實際使用價值越大。理想的濕敏元件

4、的使用范圍應當是0100RH的全量程。1) 濕度量程2） 感濕特征量相對濕度特性曲線每一種濕敏元件都有其感濕特征量，如電阻、電容、電壓、頻率等。斜率應適當，因為斜率過小，靈敏度降低；斜率過大，穩(wěn)定性降低，這些都會給測量帶來困難。 PI電容式濕度傳感器濕度特性圖 3） 靈敏度定義：濕敏元件的靈敏度，就其物理含義而言，應當 反映相對于環(huán)境濕度的變化，元件感濕特征量的變化程度。表示法：直線的斜率。因此，它應當是濕致元件的感濕特性曲線斜率。在感濕特性曲線是直線的情況下，用直線的斜率來表示濕敏元件的靈敏度是恰當而可行的。然而，大多數濕敏元件的感濕特性曲線是非線性的在不同的相對濕度范圍內曲線具有不同的斜率

5、。因此，這就造成用濕敏元件感濕特性曲線的斜率來表示靈敏度的困難。普遍采用的靈敏度的方法目前，雖然關于濕敏元件靈敏度的表示方法尚未得到統(tǒng)一，但較為普遍采用的方法是用元件在不同環(huán)境濕度下的感濕特征量之比來表示靈敏度。如日本生產的MgCr2O4TiO2濕敏元件的靈敏度，用一組電阻比R1%R20%，R1%R40%，R1%R60%，R1%R80%及R1%R100%表示，分別為相對濕度在1，20，40，60，80及100時濕敏元件的電阻值之比。4）濕度溫度系數濕敏元件的濕度溫度系數是表示感濕特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性參數。在不同的環(huán)境溫度下，濕敏元件的感濕特性曲線是不相同的，它直接給測量帶來誤差。濕敏

6、元件的濕度溫度系數定義為；在濕敏元件感濕特征量恒定的條件下，該感濕特征量值所表示的環(huán)境相對濕度隨環(huán)境溫度的變化率。由濕敏元件的濕度溫度系數值，即可得知濕敏元件由于境環(huán)溫度的變化所引起的測濕誤差。 MgCr2O4TiO2 濕敏元件的溫度特性205）響應時間響應時間反映濕敏元件在相對濕度變化時輸出特征量隨相對濕度變化的快慢程度。一般規(guī)定：響應相對濕度變化量的63.2時所需要的時間為響應時間。在標記時，應寫明濕度變化區(qū)的起始與終止狀態(tài)。人們希望響應時間快一些為好。 K2O一Fe2O3濕度敏感器件的響應特性曲線Mn3O4- TiO2濕敏器件在80時的濕滯回線濕滯回線定義：濕滯現象可以用吸濕和脫濕特征曲

7、線所構成的回線來表示，我們稱這一回線為濕滯回線。濕滯回差定義：在濕滯回線上所表示的最大量差值為濕滯回差。人們希望濕敏元件的濕滯回差越小越好。 理想化的濕敏器件所應具備的性能參數：使用壽命長，長期穩(wěn)定性好靈敏度高，感濕特性曲線的線性度好使用范圍寬，濕度溫度系數小響應時間短濕滯回差小能在有害氣氛的惡劣環(huán)境中使用器件的一致性和互換性好，易于批量生產器件感濕特征量應在易測范圍以內四、半導體及陶瓷濕度傳感器按其制作工藝分類：涂覆膜型燒結體型薄膜型MOS型五、有機物及高分子聚合物濕度傳感器1、脹縮性有機物濕敏元件2、高分子聚合物薄膜濕敏元件第二節(jié) 通信技術通信技術概念通信技術在物聯網中的作用與地位通信技術

8、在物流管理中的應用通信與我們生活息息相關生活中的通信經歷了從有線到無線的發(fā)展這個變化對人們生活也有著重要的影響在講無線通信之前我們就先從下面幾個有趣的例子里去看看生活中的通信的變化吧無線通信技術很多很多年前我們只能用飛鴿、馬、船等交通工具傳信件跟物品我們要更好的通信方式1.古時候聽媽媽說打電話很方便我們需要無線電話2.有線電話時代手機進入了我們的生活發(fā)短信也很方便無線通信太好了！3.無線電話時代 “無線通信（Wireless communication）是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進行信息交換的一種通信方式，近些年信息通信領域中，發(fā)展速度最快、應用最廣的就是無線通信技術了。在移動

9、中實現的無線通信又稱為移動通信，人們把二者合成為無線移動通信?！蹦蔷烤故裁词菬o線通信呢？現在生活中我們常接觸無線通信無線通信在經歷150年發(fā)展已經融入了我們的生活的每個角落無線通信技術的應用已經深入到人們生活和工作的各個方面。在當代社會，無線通信也不僅僅簡單地應用于普通移動通訊了，本世紀最熱門的無線通信科研方向是3G、WLAN、UWB、藍牙、寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)。無線通信能夠走進千家萬戶 這一切還得從很多年前的那個夜晚那個實驗室里那個城市里那個人說起1864年 麥克斯韋經過多年的努力終于從理論上證明電磁波的存在從此掀開了無線通信技術研究的序幕1888年 赫茲證明電磁波的存在1895年 馬可尼成功試驗數

10、百米的無線通信1901年 馬可尼又成功試驗了跨越大西洋的無線通信1938年 里斯本首次采用了PCM無線通信方式七八十年代 開啟了無線局域網的新時代手機等無線通訊工具也逐漸普及到人們的生活無線通信系統(tǒng)的基本工作原理發(fā)射設備的基本原理和組成接收設備的基本原理和組成無線電波的基本特點簡單介紹:1、無線通信系統(tǒng)的基本工作原理無線通信系統(tǒng)組成框圖 各部分作用信息源：提供需要傳送的信息變換器：待傳送的信息（圖像、聲音等）與電信號之間的互相轉換發(fā)射機：把電信號轉換成高頻振蕩信號并由天線發(fā)射出去傳輸媒質：信息的傳送通道（自由空間）接收機：把高頻振蕩信號轉換成原始電信號受信人：信息的最終接受者1、無線通信系統(tǒng)的

11、基本工作原理2、發(fā)送設備的基本原理和組成信號在空間直接發(fā)送存在的問題天線尺寸 天線尺寸與被輻射信號的波長相比擬時（波長的1/101），信號才能被天線有效的輻射出去。對于音頻范圍20Hz20kHz來說，這樣的天線不可能實現。信號選擇 如果直接發(fā)射，多家電臺的發(fā)射信號頻率范圍大致相同，接收機無法區(qū)分。問題的解決調制什么是調制？ 把待傳送信號“裝載”到高頻振蕩信號上的過程。三種信號 調制信號、載波信號和已調信號三種方式 調幅（AM）、調頻（FM）和調相（PM）2、發(fā)送設備的基本原理和組成典型發(fā)送設備的組成框圖2、發(fā)送設備的基本原理和組成3、接收設備的基本原理和組成信號的“卸載”解調什么是解調？ 從高

12、頻已調波信號中“取出”調制信號的過程。解調的三種方式 對調幅波的解調檢波 對調頻波的解調鑒頻 對調相波的解調鑒相典型接收設備的組成框圖3、接收設備的基本原理和組成4、無線電波的基本特點無線電波是一種電磁波，其傳播速度與光速相同，且有=c/f。無線電波具有直射、繞射、反射與折射等現象。無線電波的三種傳播途徑（如圖）：無線電波的波段劃分表：4、無線電波的基本特點波段名稱波長范圍頻段名稱頻率范圍主要用途長波LW103104m低頻(LF)30300kHz長距離點與點通信中波MW102103m中頻(MF)3003000kHz廣播、船舶、飛行通信短波SW10102m高頻(HF)330kHz短波廣播、軍事通

13、信米波110m甚高頻(VHF)30300MHz電視、調頻廣播、雷達分米波110dm特高頻(UHF)3003000MHz電視、雷達、移動通信厘米波110cm超高頻(SHF)330GHz雷達、中繼、衛(wèi)星通信毫米波110mm極高頻(EHF)30300GHz射電天文、衛(wèi)星、雷達如何組建共享無線網絡應該來說，組建局域網并不難。要求：1.兩臺裝有支持802.11b/g無線網卡的筆記本電腦2.其中一臺能連接到Internet的筆記本作為發(fā)射端，另外一臺作為接收端3.操作人員需懂得一點點電腦常識Part one：發(fā)射端筆記本設置Part two:接收端筆記本設置進入網絡和共享中心-更改適配器設置-右鍵點擊無線

14、網絡連接-選擇協(xié)議版本4（TCP/IPv4）-屬性-更改各項設置如下（192-168-1-12和255-255-255-0和192-168-1-1和192-168-1-1）IPV4設置里面設置好IP、子網、網關和DNS地址IP當然要和筆記本的網段一樣，不要和別的電腦重復了-然后點擊確定-點擊確定接下來就只剩下connect的工作了重新打開如下的窗口-找到之前發(fā)射端筆記本設置的網絡名-連接點擊連接后-電腦彈出如下窗口-輸入之前設置的安全密鑰-點擊確定等待發(fā)射端筆記本的網絡識別成功后就可兩臺筆記本同時上網了至此，筆記本共享無線上網的報告完畢第三節(jié) 無線傳感器網絡技術目錄傳感器網絡概述傳感器網絡應用

15、傳感器網絡協(xié)議傳感器網絡研究進展傳感器網絡影響力什么是計算機網絡計算機網絡，是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設備，通過通信線路連接起來，在網絡操作系統(tǒng)，網絡管理軟件及網絡通信協(xié)議的管理和協(xié)調下，實現資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。 所謂無線網絡，就是利用無線電波作為信息傳輸的媒介構成的無線局域網（WLAN），與有線網絡的用途十分類似，最大的不同在于傳輸媒介的不同，利用無線電技術取代網線，可以和有線網絡互為備份。 什么是傳感器網絡WSN-Wireless Sensor Networks基礎微電子技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術解釋1由部署在觀測

16、環(huán)境附近的大量的微型廉價低功耗的傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的無線網絡系統(tǒng)。什么是傳感器網絡解釋2：傳感器網絡是由一組傳感器以特定方式構成的無線網絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。傳感器網絡的三個基本要素：傳感器，感知對象，觀察者傳感器網絡的基本功能協(xié)作地感知、采集、處理和發(fā)布感知信息 傳感器接近感知對象 傳感器僅產生數據流 傳感器無計算能力 無傳感器間通信能力SensorsObject信號分析傳統(tǒng)的感知方法有線/無線連接現代感知方法Sensing AreaObjectUser端 傳感器網絡覆蓋感知對象區(qū)域 每個傳感器完成其臨

17、近感知對象的觀測 多傳感器協(xié)同完成感知區(qū)域的大觀測任務 使用多跳路由算法向用戶報告觀測結果SinkInternet或通信衛(wèi)星Sensor networkUser端傳感器網絡的網絡結構sink -匯聚點sensor node -傳感器節(jié)點sensor field -監(jiān)測區(qū)域傳感器網絡的實體傳感器節(jié)點功能：采集、處理、控制和通信等網絡功能：兼顧節(jié)點和路由器資源受限：存儲、計算、通信、能量Sink節(jié)點功能：連接傳感器網絡與Internet等外部網絡，實現兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換，發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，轉發(fā)收集到的數據。特點：連續(xù)供電、功能強、數量少等現代微型傳感器感知能力計算能力通信能力體積小

18、能耗小由六部分組成傳感器節(jié)點傳感器模塊：信息采集、數據轉換處理器模塊：控制、數據處理、網絡協(xié)議無線通訊模塊：無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數據能量供應模塊：提供能量傳感器網絡的特點大規(guī)模網絡：地理區(qū)域大；部署密集提高信噪比；提高監(jiān)測精度；增強容錯性；減少盲區(qū)自組織網絡：不確定性；拓撲結構變化資源受限：計算、存儲、通訊、能量動態(tài)拓撲：節(jié)點故障；通訊故障；移動性；節(jié)點加入可靠網絡：適應環(huán)境條件；魯棒性、容錯性應用相關：沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺以數據為中心傳感器節(jié)點的限制電源能量有限通信能力有限計算和存儲能力有限傳感器網絡概述與ad hoc的不同WSN結點數量更為龐大多數節(jié)點為靜止節(jié)點分布更為密集能

19、量約束結點更容易出錯拓撲結構變化頻繁Ad hoc幾十至上百個節(jié)點局域網節(jié)點全移動結構變化（移動）能量可連續(xù)提供點到點通信 以數據為中心傳感器網絡不是通常的網絡用戶感興趣的是數據而不是網絡和傳感器硬件用戶很少詢問“A節(jié)點到B節(jié)點的連接是如何實現的？”用戶經常詢問“網絡覆蓋區(qū)域中那些地區(qū)出現毒氣？”傳感器網絡不是以地址為中心的用戶不會詢問“地址為27的傳感器的溫度是多少？”用戶感興趣是“某個地理位置的溫度是多少？”數據傳輸以聚集方式進行,而不是地址到地址的路由 傳感器網絡是以數據為中心的網絡把傳感器視為感知數據流或感知數據源把傳感器網絡視為感知數據空間或數據庫把數據管理和處理作為網絡的應用目標需要

20、多種多樣的感知器物理傳感器生物傳感器化學傳感器其他問題傳感器的投放或撒播理論與技術傳感器的定位問題時鐘同步問題 組網連通可靠性研究和探測覆蓋率研究 傳感器網絡安全性問題和抗干擾問題信號的協(xié)作處理傳感器網絡的協(xié)議棧（1）能源管理平臺： 管理傳感器節(jié)點如何使用能量； 移動管理平臺： 檢測和注冊傳感器節(jié)點的移動，維護到匯聚點的路由，使得傳感器節(jié)點能夠跟蹤它的鄰居； 任務管理平臺： 在一個給定的區(qū)域內平衡和調度監(jiān)測任務傳感器網絡的協(xié)議棧（2）傳感器網絡物理層（1）傳輸媒體建議采用ISM （工業(yè)、科學和醫(yī)學）頻段短距離的無線低功率通信最適合傳感器網絡紅外不需要許可證，抗干擾要求收發(fā)雙方在視線之內光不排除

21、用光作為通信媒體傳感器網絡物理層（2）頻率選擇，載頻發(fā)生，信號檢測，調制，數據加密信號傳播傳播信號需要的最小發(fā)送功率和傳輸距離d的n次方（ ）成正比，2= n 4.為了減小傳輸距離，傳感器網絡采用多跳（multihop）通信方式傳感器網絡MAC協(xié)議的功能（1）功能無線信道的使用 建立傳感器網絡的基礎結構考慮因素節(jié)省能量可擴展性鏈路帶寬分配的公平性、帶寬利用率、延時性能等 目前普遍認為這三個方面的重要性依次遞減MAC協(xié)議的能量浪費因素（2）空閑偵聽：節(jié)點不知道鄰居節(jié)點何時向自己發(fā)送數據，射頻收發(fā)模塊必須一直處于工作狀態(tài)，消耗大量能源，是無效能耗的主要來源。 沖突：同時向同一節(jié)點發(fā)送多個數據幀，信

22、號相互干擾，接收方無法準確接收，重發(fā)造成能量浪費串擾：接收和處理發(fā)往其他節(jié)點的數據屬于無效功耗。控制開銷：控制報文不傳送有效數據，消耗的能量對用戶來說是無效功耗。 傳感器MAC協(xié)議的節(jié)能策略（3）盡量讓傳感器節(jié)點處于睡眠狀態(tài)； 減少傳感器節(jié)點之間的碰撞； 減少接收到自己不需要接收的數據分組；（overhearing） 減少控制消息的開銷。WSN MAC協(xié)議（4）基于競爭S-MAC/T-MAC/Sift基于TDMA的DEAN/TRAMA /DMAC/周期性消息調度其它SMACS/EARCSMA/CA和CDMA結合WSN路由協(xié)議（1）已有網絡ad hoc、蜂窩主要目標通信服務質量 帶寬利用率傳感器

23、網絡主要目標高效使用能源 延長網絡系統(tǒng)的生存期WSN路由協(xié)議（2）特點基于局部拓撲信息數據為中心（不知道目的節(jié)點的編號，甚至向哪個區(qū)域）要求能量高效（協(xié)議簡單|開銷小|節(jié)省能量/均衡消耗）可擴展性（網絡范圍/節(jié)點密度）魯棒性（節(jié)點變化|拓撲變化）快速收斂性WSN路由協(xié)議（3）能量感知路由能量路由/能量多路徑路由查詢路由定向擴散路由(DD)/謠傳路由地理路由GPRS/GEAR/ GEM/邊界定位路由可靠路由ReInform/SPEED /多路徑路由WSN傳輸層（1）當傳感器網絡中的系統(tǒng)需要接入Internet 或其它外部網絡時，傳輸層的功能是必要的目前關于傳感器網絡傳輸層機制和協(xié)議的建議很少存在

24、的問題硬件的限制（例如有限的電能和存儲量）使傳感器節(jié)點不能像Internet中的服務器那樣存儲大量的數據TCP的應答方式開銷太大將來有可能在傳感器網絡中使用類似于UDP的協(xié)議，而在Internet和衛(wèi)星網絡中使用TCP/UDP協(xié)議WSN傳輸層（2）一種TCP分段（TCP splitting） 的方法可能使傳感器網絡和其它網絡（如Internet)互通WSN應用層應用層協(xié)議還處于探索階段三種可能的應用層協(xié)議傳感器管理協(xié)議 Sensor management protocol (SMP)任務分配和數據通告協(xié)議 task assignment and data advertisement proto

25、col (TADAP)傳感器詢問和數據分發(fā)協(xié)議 Sensor query and data dissemination protocol (SQDDP)WSN 時間同步（1）時間同步是傳感器網絡的基本功能MAC/跟蹤/監(jiān)測時間同步需要的多樣性（目標跟蹤例子）傳感器網絡時間同步的性能參數最大誤差同步期限同步范圍效率代價和體積WSN時間同步機制（2）TPSN（Timing-sync Protocol for Sensor Networks ）RBS（Reference Broadcast Synchronization）TINY/MINI-SYNCDMTS （Delay Measurement Time Synchronization）PCS （Probabilistic Clock Synchronization ）WSN定位機制（1）定位是傳感器網絡的基本功能報告事件發(fā)生的地點目標跟蹤和定位協(xié)助路由進行網絡管理WSN定位機制（2）特殊性體積、成本（GPS不能普遍適用）能耗有限、可靠性差節(jié)點的規(guī)模大、隨機布放無線模塊通信距離有限環(huán)境要求（室內、室外）WSN定位機制（3）基于距離的定位機制到達時間定位算法（TOA）不同到達時間定位算法（TDOA）到達角度定位定位算法（AOA）接收信號強度定位算法（RSSI）距離無關的定