物联网综述

物联网及其应用

第一章

软件层

应用层服务

网络层

第二章

模式识别框架：以语音识别为例

Created with Raphaël 2.2.0 开始 我的操作 确认？ 结束 yes no

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

UHF（超高频） 2.45GHz及5.3GHz频段
感应范围约在一米内可实现快速读取操作，并具有较弱的穿透性能

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。

RFID标签与条形码相比的优点？

尺寸小巧且形态各异：被动式RFID芯片仅为0.4mm × 0.4mm ，犹如一粒细沙。
难以被复制：RFID技术可将信息嵌入物体内部，在除大型集成电路制造厂之外的地方无法进行非法复制。
海量存储能力：芯片内置96bits 的存储容量，在短短一秒钟内即可识别多达160万种不同产品。
高效快速读取技术：仅需7米外即可感应（某些超高频设备可达此距离），平均每秒可读达250枚标签（比传统条形码识别快约数十倍），无需人工操作条形码机逐一扫描。

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

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

• 光敏式传感器 随着光照强度减弱 而电阻增大

  • 温度传感器 包括以下几种类型：
    • 金属-半导体 随着温度升高 而电阻增大
    • 氰锌型半导体 温度变化幅度显著 温度敏感度较高

• 电容式位移传感器该能够将物体的位移转化为电容的变化

• 霍尔元件通过将电磁感应强度这一磁学量转换为电压这一电学量来实现工作

• 该力传感器将力与压力转化为电容的变化，并在发生微小形变时伴随电阻的变化

制约传感器性能提升的因素？

• 功耗性能的制约：无线传感节点通常被部署于野外环境，在不具备有线供电的情况下运行，并要求其硬件设计必须以低功耗设计为重要技术保障。
  • 体积限制的制约：无线传感器节点通常需要具备便携性与伸展性特点，在满足功能需求的同时要求其硬件架构必须以小型化布局为核心要素。
  • 成本限制的制约：无线传感节点通常需要投入大量资源用于组网工作，在满足特定功能需求的前提下要求其硬件开发重点应放在低成本设计策略上。

无线传感器节点

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

ZigBee协议

ZigBee的起源

Zigbee 亦称IEEE802.15.4标准，在通信领域主要用于实现类似封闭组的低功耗与低复杂度通信协议
该标准支持工作于2.4GHz频段（全球主流），868MHz（欧洲专有）及915MHz（美国专有），分别对应着250kbit/s至40kbit/s的速度范围与10-180米的传输距离（其中室内一般不超过60米）
其显著特点包括：

• 具有较低的成本优势
• 适合短距离通信需求
• 在特定频段上实现了高效的性能平衡

ZigBee协议免专利费

• 时延低

搜索设备的典型延迟为30毫秒
休眠状态下的激活延迟为15毫秒
活动设备接入的延迟为15毫秒

• 网络承载能力较强

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）

IEEE 802.15.4规范明确了两种类型的设备：全功能型设备（FFD）与减少功能型设备（RFD）。

ZigBee节点类型

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

ZigBee型路由器（Router）不是必要的，在大规模网络环境中应用广泛，并在以树状结构组织的网络中负责协调和管理各个分支节点。

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？

在通信双方的链路质量方面，一个方向表现出极高的性能水平（asymmetric link），而另一个方向则表现欠佳

网络层功能：路径选择（核心功能之一），负责确定数据包的传输路线；新节点加入网络时会进行邻居探测（Neighbor discovery），完成与现有节点的通信连接；同时判断节点所属的子网范围（Subnet identification）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通过最大限度地降低数据传输成本该方案显著提升了网络带宽利用率使得传感网络在能源消耗方面实现了显著优化

数据收集协议：CTP

CTP（Collection Tree Protocol）代表了当前主流的数据收集协议，在TinyOS系统中得到了充分的支持。

基本过程：
在初始化阶段中，
网络中的每一个节点都会发送自己的到汇聚节点路由信息（ETX）。
当各个节点接收到广播包后，
它们会根据接收到的路由信息动态地评估候选父节点，
以确保自身通往汇聚中心时所累积的总ETX值最小。
经过持续不断地更新迭代，
最终所有参与网络运行的各个端点都能确定一条使自身与汇聚中心之间总ETX之和最小的最佳路由路径。

数据分发协议：Drip

数据分发协议的主要功能在于可靠地传输数据包到网络中的每一个节点，在无线传感网络中被广泛采用的正是这种协议

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）主要是用来确定或明确每个 ZigBee 设备的功能与职责的。

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

• Cell of Origin（COO）定位法
• 将移动设备所属基站的位置视为位置信息
• 位置精度主要取决于覆盖区域的大小
• 在覆盖区域较分散的情况下会出现明显偏差

多基站定位法

• （Time of Arrival, Time Difference of Arrival）
• 该系统必须由三处基站才能用于定位。
• 稀疏地区可能无法接收到足够数量的基站信号。

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)

方法二测定波来回所需的时间；发射端在时间点t1发射出该波；接收端接收到该波后，在经过Δ时间后返回给发射端同样的波；发射端记录接收到回声的时间为t2；距离d等于v乘以(t1减去(t2加Δ))再除以二

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

• 无需额外设备
• 其原理是信号强度随着传播距离呈指数衰减
• 主要适用于理想环境中的使用场景；但在实际应用中会面临障碍物以及信号衰减等问题。
• 解决办法：
  • 将信号强度视为"特征"
  • 预先布置N个参考点
  • 测量各参考点的强度值并形成N维向量
  • 在区域内预先测定各个参考点的特征值

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）

• 由GPS定位与蜂窝基站定位组成的系统
  • 通过基站定位来确定大致的位置区域
  • 插入网络后会搜索可到达的卫星
  • 大地减少了搜索时间

无线AP（Arrive point）定位

• 类似于基站定位方式

网络定位

用于无线传感网及自组织网络 * 基于有限已知位置节点的信息,实现对整个网络所有节点位置的确定

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

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

• 在无视线传输的情况下：

• 当发送端与接收端之间存在障碍物时，则被称为无视线传输。

• 无线信号可能会被障碍物阻挡并吸收。

• 信號干擾：

• 相同無線頻段内的信號可能會互相干擾

• 外部環境中的電磁噪音會存在於诸如微波爐等設備中

  • 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

• 为了解决终端隐藏问题而采用的方案：（Hidden Terminal）

• A端与B端之间的通信能力得以实现

• B端与C端之间的通信功能得以实现

• 在A端至C端的通信链路中未发现有效的连接路径

• 存在多个数据包可能同时从A端发送至B端而不察觉前序传输的影响

WIFI：无线局域网

WiFi IEEE 802.11
抓包工具（wireshork）

802.11架构：组成部分

• 通道：

• 802.11b/g标准采用了划分频率范围的方式，在其覆盖的85MHz频谱内划分为11个不同的频段。

• 为了确保各独立通信通道之间不互相干扰，在不同标准之间需保持适当的间距。

• 用户在cellular network mode下被连接至接入点。

• 接入点通过发送包含有接入点标识信息和提供的服务集合的帧类型来广播" beacon frame"。

• 用户通过解析该 beacon frame中的服务配置信息来完成与接入点建立连接。

• 采用基于帧的 scan 算法：

• 以被动模式执行 scan，在此模式下 access point 定期发送带有标识符的探测包（router 发送自身 SSID 并使 SSID 信息可读）

• 在主动模式下进行操作，在此过程中终端设备会先发送带有标识符的探测包（该操作无需 SSID 信息支持），当 access point 接收到这些信号后会生成相应的响应数据并回传给设备

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)

• 通信距离有限，在10米以内。

  • 系统共存性能达到优异水平。

    • 最大功率谱密度值为-41.3dBm/MHz。
    • 噪声电平处于较低水平。
    • 系统展现出显著的隐蔽特性。

  • 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

• 基站通过多点式连接方式为用户提供服务,这段被定义为最后一公里.
• 基站之间或与上层网络采用光纤、电缆或微波等的直接连接方式,称为回程传输.

Wimax 关键技术

1. 正交频分复用技术

2. AAS自适应天线系统作为一种动态调整技术，在实际应用中表现出色。

   • 该系统的核心在于通过智能算法优化天线参数设置，并采用波束定向作为其主要的信号传输方向。

3. MIMO多输入多输出

• 基于其采用多组天线阵列的MIMO系统设计，在保证通信性能的同时实现了更高的数据传输效率。
• 该系统通过其各发射接收天线之间的独立信道实现并行数据传输。
• 从而建立多个平行的空间信道以支持同时传输多个信号。
• 通过时空编码实现信息分组与传输以提高系统的抗干扰能力

4. AMC自适应调制编码

• 采用自适应切换调制方式和编码方式以实现吞吐量与信噪比之间的平衡。

• 包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM的调制方案。

  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：

• 红外采用了基于875nm附近波长的光波通信技术（...），其通信距离约为1米（...）。 * 设备以其体积小巧（...）、成本低廉（...）以及功耗极低的特点著称（...），并无需进行频率申请（...）。

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创了基于个人操作空间（POS）的短距离无线通信技术，并将其命名为蓝牙。
• 1998年3月蓝牙技术正式成为IEEE 802.15.1标准的一部分。
• 蓝牙技术的物理层采用了跳频扩频调制方案，在频率范围内覆盖了2.402GHz至2.480GHz，并支持约1Mbps的数据传输速率。
• 蓝牙设备可扮演主设备与从设备两种角色。
• 同一台蓝牙设备能够灵活切换这两种角色。
• 主蓝牙设备最多可同时连接至7台从设备进行通信。

蓝牙的发展

至2010年7月为止, 蓝牙共发布了六个基于V系列的标准(如 V₁·₁、V₁·₂、V₂·₀等), 依据不同的通讯距离划分至多个版本的分类标准。

蓝牙通信距离提升为100米，并且传输速度达到24Mbps。该蓝牙设备的特点包括建立连接所需时间较长、耗能较高以及安全性较低。

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

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

• 低消耗成本
  • 宽频段资源丰富
  • 安全特性高
  • 不会产生电磁干扰
  • 不会产生电磁辐射
  • 难以避免被遮挡
  • 连续光源供应问题
  • 频繁变化限制

低功耗广域网技术的发展

• 在物联网时代背景下，远程、省电以及窄带宽的数据传输网络协议焕发出新的活力。
  • 物联网的主要应用场景：智能环境监控

低功耗广域网技术

LoRa
主要特征

• 该设备在ISM免费频段运行。
• 在美国使用915MHz频段；在欧洲使用868 MHz频段；在中国使用433 MHz频段。
• 网络传输速率处于较低水平。
• 基于LoRa协议实现的通信速率通常在0.3至22千比特每秒之间。
• 设备之间的通信距离可达最高达3公里。

NB-IoT
NB-IoT支持蜂窝网络连接。与GSM技术相比，NB-IoT的覆盖性能提升了约20至30分贝，并可支持每平方米约10万台设备同时联结。其具备长达5至10年的电池续航能力。

• 基于沃达丰与华为所提出的NB M2M技术；
• 随着高通的加入, 技术逐渐演进为NB-CIOT体系;
• 在后续的发展中, 经过与爱立信的合作, NB-CIOT与NB LTE技术成功融合, 最终生成了现役使用的NB-IoT标准;
• 目前, NB-IoT已参与到3GPP标准化工作中;