WSN、RFID与物联网解析课件

1、无线传感网、RFID与物联网WSN、 RFID& Internet of Things北京交通大学 谈振辉2010 无线传感网、RFID与物联网WSN、 RFID& Int 中国经济向低碳转型 2009年11月25日，中国国务院常务会议决定，到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放（即碳强度）比2005年下降40-45%，并作为约束性指标，将制定相应的统计、监测、考核办法。而美国承诺说，将在2005年的基础上，到2020年碳排放减少17%。 碳强度下降40-45%，意味着未来几年GDP增长率保持在8-9%左右。中国汽车一天消耗800万桶石油，美国是2000万桶石油。占世界人口21%的中国消耗的

2、石油为世界石油消耗总量1/10,美国占世界人口1/20，消耗石油占世界石油消耗总量1/4。 Cisco的640Gps路由器耗电1.8KW，1Pbps路由器耗电17.4MW，相当中型发电厂发电量。 中国经济向低碳转型 2009年 ICT已成第五大耗能产业 ICT对全球GDP贡献率达7%，为全球第五大耗能产业ICT设备CO2排放占全球排放2-2.5%，与全球航空运输业相当，等于汽车CO2排放量1/4。 2010年6月与去年相比，国际干线带宽增长33.5%；Google搜索达1万亿页；全球每天邮件2100亿件；手机短信3万亿条。2010年20户美国家庭所产生的流量，就超过1995年全球互联网总和。德

3、国流量是10年前100倍，日本则达1000倍。 大流量不仅使网络传送能力、路由器容量、路由器组网可扩展性出现问题，全球ICT能耗达156GW，占全球总电能耗8%，全球总能耗25%。努力方向，就是要把网络做得更节能。 英国ICT产业能源消耗占能源10%，相当于4个核反应堆。美国ICT产业能耗占到全美总能耗8%、电力总消耗15%。 2008年，中国电信耗电69.27亿度，中国联通耗电76亿,中国移动耗电93.3亿度，三个运营商总耗电241亿度。今后几年，我国ICT产业能耗每年还将增加5%。 ICT已成第五大耗能产业 ICT对全球 国际动态美国：2009年1月7日，IBM等组织向奥巴马提出通过信息通

4、信技术投资在短期内创造就业机会。1月28日，奥巴马在首次美国工商业领袖圆桌会，IBM首席执行官建议政府投资新一代智能型基础设施，提出“智慧地球”方案，得到奥巴马总统回应，出台总额7870亿美元经济复苏和再投资法对上述战略建议加以落实。欧盟：2009年欧盟执委会发表 InternetofThings- AnactionplanforEurope物联网行动方案，描绘物联网技术应用前景，提出加强欧盟政府对物联网管理，消除物联网发展障碍。韩国：2009年韩国出台“物联网基础设施构建基本规划”，将物联网市场确定为新增长动力，2012年实现通过构建世界最先进的物联网基础实施，打造未来广播通信融合领域超一流

5、信息通信技术强国目标，确定构建物联网基础设施、发展物联网服务、研发物联网技术、营造物联网扩散环境等4大领域、12项详细课题。 国际动态美国：2009年1月7 物联网: Internet of Things “感知中国” 2009年8月7日，国务院总理温家宝考察无锡提出，加快传感网产业发展，在无锡建设“感知中国”中心。 物联网集成传感器、微机电系统(MEMS)和网络三大技术的网络，是一种全新信息获取和处理技术，目的是让物品与网络连接，能够感知、方便识别和管理 随着美国“智慧地球”计划提出，传感网已成综合国力较量重要因素。美国将传感网技术列为“在经济繁荣和国防安全两方面至关重要的技术”。加拿大、英

6、国、德国、芬兰、意大利、日本和韩国等加入传感网研究，欧盟将传感网技术作为优先发展的重点领域之一。 据Forrester权威机构预测:下一个万亿级的通信业务将是传感网产业，到2020年，物物互联业务与现有人人互联业务之比将达301。 物联网: Internet of Things 无线传感器网络现状 随着微电子机 系统(MEMS)、无线通信、信号处理这三个技术领域近年来的飞速发展，一个新的研究领域成为国内外关注的热点，这就是基于大量具有通信功能的微型无线传感器构造的无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)。 WSN具有极其广泛的应用，如感知战场状态（军事应用）、环

7、境监控（如气候、地理、污染变化的监控）、物理安全（如建筑和结构的）监控、城市道路交通监控、安全场所的视频监控。 无线传感器网络现状 随着 无线传感器网络现状 WSN应用例子：安全监控（如矿井结构、瓦斯） 无线传感器网络现状 WSN应用例子：安全监无线传感器网络现状 国际学术界对WSN的关注专刊IEEE Journal on Selected Areas in Communications: 2004,22 (6),2005,23(4)，2006,24(2); Proceedings of The IEEE: 2003,91(8); IEEE Wireless Communications: 2

8、004,Dec.; IEEE Signal Processing Magazine: 2006,23(4 ); WSN相关的国际会议Wireless Communications and Networking Conference Wireless Communications, Networking and Mobile Computing ISCIT ICASSP ISSCS 无线传感器网络现状 国际学术界对WSN的关注专刊无线传感器网络现状 2002年Berkeley大学启动 NEST计划，开发NEST (Network Embedded Systems Technology) 开放式软

9、、硬件实验平台，加速发展面向应用多样化的算法、服务和体系构架 。 美国国防高级研究计划局DARPA (Defence Advanced Research Project Agency)意识到传感器网络的巨大应用价值。10年前启动了分布式传感器网络计划 DSN（Distributed Sensor Networks program），2001年启动传感器信息技术计划 SensIT（Sensor Information Technology program）。 2004年在美国国家自然科学基金NSF、国家健康协会NHA资助下，哈佛大学启动CodeBule平台研究计划，把无线传感器网络技术应用于医疗

10、事业领域，包括医疗救急、灾害事故的快速反应、病人康复护理等方面。 2003年Intel和Berkeley Univer.研究中心启动WSN异构传感器网络研究嵌入式处理在异构网络中的应用。其中，MOTE计划开发下一代自组织WSN节点，设计出更强处理能力、更大存储容量、更高带宽和可靠射频能力的节点。TASK计划研发 Tiny Application Sensor Kit（TASK），为用户快速开发和部署WSN应用，提供简单实用的开发套件。 无线传感器网络现状 2002年Berkel无线传感器网络现状 欧洲2002年启动EYES研究计划 EYES研究计划的体系结构 无线传感器网络现状 欧洲2002年

11、启动EYES研究计划无线传感器网络的发展现状欧洲EYES计划构造的传感器网络节点平台无线传感器网络的发展现状欧洲EYES计划构造的传感器网络节点 WSN标准化工作 WSN标准化工作无线传感器网络研究现状 2004年国家自然科学基金委员会将无线传感器网络列为重点研究项目； 2005年开始传感网标准化研究工作； 国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020在支持的重点领域及其优先主题“ 信息产业及现代服务业”中列入了“传感器网络及智能信息处理” , 在前沿技术中重点支持“ 自组织传感器网络技术” 2008年9月启动16个重大专项中03专项,设立7个方向，WSN为第6个“短距离无线互联与传感器

12、网络研发”无线传感器网络研究现状 2004年国家自然科学基金WSN特点和结构 无线传感器节点结构模块 WSN特点和结构 无线传感器节点结构模块 WSN特点和结构 WSN两种组网结构： WSN通信体系平面结构 1，平面拓扑结构:所有的网络节点处于相同的平等地位,不存在任何的等级和层次差异,所以也被称为对等式结构。 WSN特点和结构 WSN两种组网结构： WSN通信WSN特点和结构 WSN的逻辑分层结构 2，逻辑分层结构:网络节点按照某种规则（如地理位置、应用需求）分成各个簇，每个簇由簇头和成员节点构成。 WSN特点和结构 WSN的逻辑分层结构 2，逻辑分层结构:WSN技术热点 1,网络拓扑控制技

13、术内容：满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和节点选择，生成高效的数据转发的网络拓扑结构。目的：网络拓扑控制能够提高路由协议和MAC协议效率,有利于节省节点的能量以延长网络生存期。 热点：通过激活选定的节点集合，以能量有效的方式进行网络拓扑控制。GAF（从等效路由的角度选择工作节点）、SPAN（从维护WSN骨干传输网的角度选择工作节点）等算法 WSN技术热点 1,网络拓扑控制技术WSN技术热点 2，节点的连接和覆盖技术 定义两种连接：纯连接（任意两个节点都能通信，包括直接和多跳，这是物理基础）、路由连接（节点间通过某种路由算法连接，主要考虑能够快速传递数据、能耗最小，即考虑优化）；建立

14、的连接模型主要涉及节点密度、通信距离、跳数、连接度覆盖问题指为了保证整个区域都在监测范围内，需要按照一定规则或者密度在目标区域布置传感器，通常认为传感器传感范围是以节点为中心的园，基本要求是相邻传感器覆盖范围连通，同时考虑到通信要求。WSN技术热点 2，节点的连接和覆盖技术 WSN技术热点 3，问题节点的探测和隔离技术 对传感器网络中问题节点（包括已经失效和性能降低）的探测及其隔离，研究安全路由策略，规避问题节点，如SEAD、SPINS、SNEP、SAR、改进AODV等； 路由空洞问题（路由空洞节点指那些所有的邻居节点，距离sink的距离都比自己远的节点），这样如果采用贪婪（GF）算法，数据就

15、无法传送到控制节点。WSN技术热点 3，问题节点的探测和隔离技术 WSN技术热点4，路由技术 WSN路由技术分类：Table Driven ProtocolOn Demand Routing (Route Discovery, Route Maintenance)以数据为中心的路由协议，如SPIN、Rumor Routing等路由算法； 分层路由协议 ，如LEACH、TEEN等路由算法； 基于节点位置的路由协议 ，如MECN、GAF等路由算法； 基于QoS路由协议，考虑数据传输的时延、可靠性等QoS指标，如MLER、SPEED等路由算法；基于节能的路由; WSN技术热点4，路由技术 WSN技术

16、热点 5，媒质接入控制技术 指标：能耗、带宽需求、冲突避免和维持网络连接 分类：基于调度算法（Scheduling based）MAC协议，如SMACS、DE-MAC等协议算法； 非碰撞（Collision free）MAC协议，如IP-MAC、TRAMA等协议算法； 基于竞争（Contention-based）MAC协议，如S-MAC、T-MAC等协议算法； 混合（Hybrid scheme）MAC协议 ，如混合TDMA-FDMA等协议算法； WSN技术热点 5，媒质接入控制技术WSN技术热点 6，媒质接入控制标准 1998年3月，IEEE标准化协会成立802.15工作组，制定WPAN覆盖数

17、m到10mMAC和PHY标准。 下设4个任务组： IEEE 802.15.1即蓝牙，是中速率，近距离WPAN，用于手机、PDA等近距离通信； IEEE 802.15.2研究802.15.1与WLAN（802.11）共存问题； IEEE 802.15.3研究高速WPAN； IEEE 802.15.4（Zigbee）研究低能耗、低速率（20、40、250kbps）、低成本WPAN。WSN技术热点 6，媒质接入控制标准WSN技术热点 7，定位技术 特点WSN节点一般都是随机放置在需要探测的区域，不预先知道自己的位置； 没有位置信息的监测信息通常是没有实际意义的，定位技术是WSN中一项关键技术；方案节

18、点分为信标节点和位置未知节点；信标节点可以根据GPS技术或者其他方式获知自己的位置，其他节点通常会采用传统的三边测量法、三角测量法或极大似然估计法确定自己的位置。 WSN技术热点 7，定位技术 WSN技术热点 8，节能技术 特点：WSN中节点一般使用电池供电，布设以后很难更换，因此能量有效性成了首要问题，直接关系到网络的使用寿命；分类：节点级(node level)节能：网络内节点的软硬件节能设计及系统的节能架构； 节点间(inter node level)节能：节点间协同工作及节点间能量的协调控制；网络级(network level)节能：延长网络寿命而采用的能量均匀消耗措施；WSN技术热点

19、 8，节能技术 WSN技术热点 9，鲁棒性 特点：应用必须自适应于节点故障和信道质量波动； 分类：应对节点故障的鲁棒性，如多径路由算法 、单径路由修复算法； 应对无线信道波动的鲁棒性，建立适合于WSN的传输层协议算法，如PSFQ(Pump Slowly,Fetch Quickly)； WSN技术热点 9，鲁棒性面向未来WSN 1， WSN在无线通信框架中位置 面向未来WSN 1， 面向未来WSN 2，WSN和其他无线通信技术的融合面向未来WSN 2，WSN和其他无线通信技术的融合面向未来WSN 3，WSN应用前景：面向未来WSN 3，WSN应用前景：WSN、RFID与物联网解析课件RFID工作

20、原理RFID工作原理RFID工作原理 阅读器通过天线发射射频信号，当标签进入阅读器工作区域时，其天线产生感应电流， 标签获得能量被激活，并向阅读器发射自身编码信息； 阅读器接收来自标签的载频信号，对接收信号进行解调和解码，并送至计算机系统处理 计算机系统根据逻辑运算判断标签的合法性，并进行数据处理和逻辑控制，发出指令信息； 标签的数据解调单元从接收到的射频脉冲中解调出数据并送至控制逻辑，完成指令存储发送数据和其它操作；RFID工作原理 阅读器通过天线发射射频信号，当标 RFID ？ RFID- Radio Frequency identification，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信

21、对目标进行识别，有无线射频身份识别、感应式电子芯片、感应非接触卡等；由标签，阅读器和计算机系统组成。 标签（Tag）：标签是射频识别系统的核心是射频识别系统真正的数据载体。标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；依据射频标签供电方式的不同可以分为有源标签和无源标签。 RFID ？ RFID- Radio Frequ 阅读器（Reader）：阅读器用以产生发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，有时阅读器也可以写信息到标签。阅读器可被设计为手持式或固定式。 天线（Antenna）：天线是为标签和阅读器提供射频信号

22、空间传递的设备。阅读器的天线可以内置也可以外置。WSN、RFID与物联网解析课件RFID特性 1，数据可读写 通过RFID 阅读器可不需接触，直接读取信息至数据库內，且可一次处理多个标签，並可以将物流处理的状态写入标签，供下一阶段物流处理的读取判断之用。 2，小型化、形狀多样 RFID在读取上並不受尺寸大小与形状限制，不需读取精确度而固定其尺寸和印刷质量。RFID特性 1，数据可读写RFID特性 3，鲁棒性强： 纸张一受污染就看不清楚，但RFID对水、油和药品等物质有很强抗污性。RFID在黑暗或脏污的环境之中，也可以读取数据。 4，可重复使用： 由于RFID为电子数据，可反复被覆盖写入，可回收

23、标签重复使用。如无源RFID，不需要电池就可以使用，沒有维护保养需要。RFID特性 3，鲁棒性强：RFID特性 5，良好穿透性： RFID若被纸张、木材和塑料等非金属或非透明材料包裹，也可进行穿透性通讯。 6，数据记忆容量大。 7，RFID身份是全球唯一的，地球上一粒沙子也可以分配一个ID。RFID特性 5，良好穿透性：RFID形状和结构RFID形状和结构RFID阅读器RFID阅读器RFID工作频率 按照国际电信联盟ITU规范，RFID使用频率有6种： 135KHz (比较大的磁场强度，适合无源电感融合）、 13.56MHz （适合无源）、 433.92MHz、 860M-930MHz（UHF

24、）、 2.45GHz、 5.8GHz。 ISM Industrial Scientific Medical工业、科学和医疗（6.78、13.56、27.125、40.68、433.92、869和 915 MHz)RFID工作频率 按照国际电信联盟ITURFID与条形码比较 RFID与条形码比较 RFID应用 1，交通：高速不停车、出租车管理、公交车枢纽管 理、铁路机车识别等。 2，军事：弹药、枪支、物资、人员、卡车等识别与 追踪。 3，医疗：医疗器械管理、病人身份识别、婴儿防盗 等。 4，生产：生产过程的生产数据实时监控、质量追踪 自动化生产、个性化生产等。 5，零售：商品的销售数据实时统计、

25、补货、防盗等。RFID应用 1，交通：高速不停车、出租车管理、公交RFID应用 6，物流：物流过程货物追踪、信息自动采集、仓储 管理应用、港口应用、邮政包裹、快递等。 7，航空：飞机制造、飞机零部件保养及质量追踪、 旅客机票、快速登机、旅客包裹追踪。 8，资产管理：各类贵重或数量大相似性高危险品管 理、实时监控等。 9，食品安全：水果、蔬菜、生鲜等食品保鲜度管理。 10，动物识别：驯养动物、畜牧牲口、宠物等的识 别管理，动物的疾病追踪、畜牧牲口个性化养殖 等。RFID应用 6，物流：物流过程货物追踪、信息自动IOT (Internet of Things) 利用RFID、WSN、无线数据通信等

26、技术，构造一个覆盖世界上万事万物的巨大信息网络。 具体地说，把各种感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，形成M2M、P2M相互联接的信息网络，然后将此物联网与现有的互联网融合起来，让物体自己说话，基于网络中强大的中心计算机群，实现对人员、机器、设备和基础设施的实时智慧管理和控制，改善人与自然间关系。 IOT (Internet of Things) IOT (Internet of Things) 相对于人际间信息交流的互联网，物联网是物与物、人与物之间的信息互联网络。当今社会已开始出现许多“M2M”联网的应用： 如装有GPS卫星定位系统的

27、运输车辆，以及装有RFID射频识别芯片的集装箱，可自由通过不停车收费站，在无人化码头自动完成装卸。 预测：到2011年，内嵌芯片、传感器、无线射频“智能物件”可能超过1万亿个。据独立市场研究机构Forrester预测：物联网产业成熟时其产值将是互联网产业的至少30倍。IOT (Internet of Things) IOT发展动态1995年：比尔.盖茨在未来之路书首次提出IOT；1999年：EPC global联合100多企业成立IOT联盟；1999年：中科院上海微系统和信息技术研究所开始相关研究；2005年：我国开始传感网标准化研究工作；2005年11月：在突尼斯举行的信息社会世界峰会WSI

28、S上，国际电联ITU发布ITU互联网报告2005：物联网，指出无所不在“物联网”通信时代即将来临 2007年底：ISO/IEC JTC1成立传感网研究组；2008年底：ISO/IEC成立传感网标准化研究组；IOT发展动态1995年：比尔.盖茨在未来之路书首次提出IOT发展动态2008年底和2009年1月：IBM CEO彭明盛、美国总统奥巴马提出“智慧地球”的概念，其中包括美国要形成智慧型基础设施“物联网”；2009年5月：欧洲科研人员、官员和企业家聚布鲁塞尔，就物联网新科技的发展前景做广泛讨论；2009年8月7日：温家宝总理到中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心视察，提出尽快建立 感知中国中心

29、”；2009年8月：中国移动提及，物联网将会成为中国移动未来的发展重点；2009年9月11日：中国传感网国家标准化工作组成立。IOT发展动态2008年底和2009年1月：IBM CEO彭从Internet到IOT从Internet到IOTIOT原理智能卡条形码二维码 GPS传感器技术网关设备近距离通信因特网跟踪定位高速数据网络IOT原理智能卡条形码二维码 GPS传感器技术近距离因特智慧的供应链智慧的气象智慧的食品系统智慧的货币智慧的运输智慧的水资源管理智慧的城市智慧的电网智慧的医疗智慧的社会，智慧的生活智慧的供应链智慧的气象智慧的食品系统智慧的货币智慧的运输智慧丰富多彩物联网应用物联网管理平台

30、移动POS金融供应链智能运输工业自动化智能建筑消防公共安全环境保护气象数字化医疗遥感勘测军事农业林业水务电力煤炭石化物流、零售、自动服务设备、安全、节能生产、安全、防灾、水电油气防火、勘察、报警污染检测、报警水质、水量、污染、安全大棚、土壤、灌溉、环境、跟踪抄表、监控、节能设备、临床、辅助诊断、病程险情、油井、运输、管线联动、消防栓、定位、调度照明、信号、应急、灾害、识别大地勘测、森林、地震、海洋侦查、监控、定位、评估降水、防洪、远程设备交易、订单、跟踪、识别通风、瓦斯、救灾定位库存、车队、监控、导航、识别、货物电子支付、实时信息丰富多彩物联网应用移动POS金融供应链智能运输工业自动化智能 物

31、联网应用 物联网有三层功能，第一层智能化，第二层互联互通第三层感知。 1，智能电网应用：美国电网利用率55%，2009年损失790亿美元。奥巴马宣布出资建立智能电网投资基金，预计安装4000万个智能电网，覆盖1/4-1/3美国家庭，将在三年内完成。到2030年，智能电网将为美国节省4%电。到2020年，美国可再生能源资源利用率可以提高20%。 2，智能交通应用：提前3秒预警，能有效避免交通事故；提前1.5秒提醒驾驶人员，能防止90%以上事故；提前0.5秒刹车，能减少50%碰撞能量。 3，交通拥堵应用：可能造成GDP 1.5-4%损失。美国每年损失汽油相当于58个超大型油轮装载量，折合780亿美

32、元。瑞典斯德哥尔摩在18个路边用激光、摄像和系统技术，对车辆进行探测和识别，将交通流量降低20%，等待时间减少25%，尾气排放减少12%。 物联网应用 物联网有三层功能，第一层智能化， 物联网应用 4，智能物流应用：2006年日本物流成本占GDP是11%，美国是8%，欧盟是7%，中国是18%。中国运输成本占50%，存储成本占30%。物流是大仓库倒到小仓库，小仓库倒到商店的仓库，来回倒，每次都要用车，每次都要用劳动力。中远公司近年采用信息化管理，智能物流，把全世界分销中心数量从100个减少到40个，成本降低23%，燃料用量降低25%，碳排放量减少10-15%。 5，智能医疗应用：看病有病历卡，如到外地，病历卡就不能用。如果有电子医疗记录，随身携带，无论到哪里，医生就能查到病历，可节省很多成本。美国准备把医疗保险市场变成振兴经济的重要市场。在工业发达国家，医疗保健占到GDP 9.2%。 6，建筑节能降耗应用：如在大型的建筑物中装20000个传感器，并且和IPV6联网，可以节省整个运行能耗30%。 物联网应用 4，智能物流应用：2006年日本 CPS (Cyber Physical Systems)译信息物理融合系统,综合计算、网络和