传感器网络技术和应用SectionV5

无线传感器网络关键技术和应用第三部分:无线传感器网络设计实例蔡觉平

jpcai@

/jpcai/中国电子学会2012.9提纲无线传感器网络设计要素无线频谱感知网络设计水污染监控传感器网络应急通信和定位系统智能交通其它应用领域无线传感器网络设计要素传感器信号采集传输数据量和传输速度通信和网络接入方式网络路由动力系统结构设计无线通信WSN无线通信方式的确定信号传输速率信号覆盖范围功率损耗路由方式成本和可扩展性典型芯片和解决方案RFID芯片Philip

mifare

one

ZigBee射频芯片TI

CC2420(射频收发芯片)TI

CC2533(SoC)蓝牙芯片TI

CC2560WiFi芯片Marvell公司W8787Broadcom

BCM4329GPRSGTM-900华为网络和应用处处理器Intel

imoteMarvell(Intel2006)PXA270CC430|RF+低功耗MCUPhilip

mifare

one

RFID卡MIFAREMF1是符合ISO/IEC14443A的非接触智能卡。其通讯层（MIFARERF接口）符合ISO/IEC14443A标准的第2和第3部分。其安全层支持域检验的CRYPTO1数据流加密。系统工作原理读写器将要发送的信息，经编码后加载到高频载波信号上再经天线向外发送。进入读写器工作区域的电子标签接收此信号，卡内芯片的有关电路对此信号进行倍压整流、调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过片上天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至信息系统进行处理。若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起电子标签内部电荷泵提升工作电压，提供电压擦写E2PROM。若经判断其对应密码和权限不符，则返回出错信息。特性1.1MIFARERF接口(ISO/IEC14443A)非接触数据传输并提供能源（不需电池）工作距离：可达100mm（取决于天线尺寸结构）工作频率：13.56MHz快速数据传输：106kbit/s高度数据完整性保护：16BitCRC，奇偶校验，位编码，位计数真正的防冲突典型票务交易：<100ms（包括备份管理）1.2EEPROM1Kbyte，分为16个区，每区4个块，每块16字节。用户可定义内存块的读写条件数据耐久性10年写入耐久性100.000次1.3安全性相互三轮认证（ISO/IECDIS9798-2）带重现攻击保护的射频通道数据加密每区（每应用）两个密钥，支持密钥分级的多应用场合每卡一个唯一序列号在运输过程中以传输密钥保护对EEPROM的访问权RF接口：RF接口符合非接触智能卡标准ISO/IEC14443A。所传送的每个字节末尾都有一个奇偶校验位（奇校验）。选定块最低地址字节的最低位首先传送。最大帧长为163bit（16数据字节+2个CRC字节=16*9+2*9+1起始位）。存储器组织：1024x8bitEEPROM存储器分为16区，每区4块，每块16字节。

在擦处后的状态下，EEPROM的单元读为逻辑“0”，写后的状态下读为“1”。厂商代码块：这是第1区的第1块（块0）。数据块：各区均有3个16字节的块用于存储数据（区0只有两个数据块以及一个只读的厂商代码块）。尾块（块3），各区均有一个尾块。通讯原理呼叫：卡上电复位后，通过发送request应答码（ATQA符合ISO/IEC14443A），能够回应读写器向天线范围内所有卡发出的request命令。防冲突循环：在防冲突循环中，读回一张卡的序列号。如果在读写器的工作范围内有几张卡，它们可以通过唯一序列号区分开来，并可选定以进行下一步交易。未被选定的卡转入待命状态，等候新的request命令。

选卡：读写器通过selectcard命令选定一张卡以进行认证和存储器相关操作。该卡返回选定应答码（ATS=08h），明确所选卡的卡型。三轮认证：选卡后，读写器指定后续读写的存储器位置，并用相应密钥进行三轮认证。认证成功后，所有的存储器操作都是加密的。存储器操作（认证后可执行下列操作）：读数据块写数据块减值：减少数据块内的数值，并将结果保存在临时内部数据寄存器中。加值：增加数据块内的数值，并将结果保存在数据寄存器中。恢复：将数据块内容移入数据寄存器。转存：将临时内部数据寄存器的内容写入数值块。

存储器读写接口电路形式RS232,485,422,USB,I2CRFIDTag形式wristbandPcbcardKeytagMetaltagGlasstageSealBlockertagtag+temp.sensorRFID读卡器ZigBee解决方案目前在2.4GHz的RF芯片，以Chipcon（TI收购）市场占有率较高，其RF芯片CC2420搭配AtmelAVR8bits微处理器的平台，也是大多数人接触到ZigBee的第一个开发平台。另外一家2.4GHz的RF芯片厂商Freescale，也有渐渐迎头赶上的趋势。其RF芯片共分3种型号：MC13191、MC13192与MC13193，搭配不同的协议软件，提供给厂商进行不同产品的开发。在软件部分，国际上已经有许多公司有提供ZigBeeStack，例如：Ember、AirBee、Figure8Wireless等，其中以Figure8Wireless(F8W)所设计的Z-Stack最富盛名。Chipcon把F8W买下来后，使得Chipcon成为ZigBee的完全解决方案的提供者。Freescale，也是搭配F8W的Z-Stack。这样，ChipconCC2420+Z-Stack以及Freescale13193+Z-Stack都已成为认证时的黄金平台。ZigBee射频芯片CC2420（调制解调芯片）

ZigBee芯片模块方面，则内含RF、PHY与MAC做成一单芯片。

CC2420主要特性/cn/lit/ds/symlink/cc2420.pdf调制解调方式传输帧格式和功率损耗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射频收发器CPU集成高性能8051MCU96KB

Programm

Flash6KB

RAM外围设备接口I2C,UART(SPI),GPIO(23),Watchdog功耗（Power

Voltage

2-3.6V）Receive

Mode

25mATransmitMode 28.5mA4uswake-up 6.2uASleepTimingRunning 1uAExternalInterrupt 0.5uA典型应用系统的接口电路举例网关ZigBee终端结构示意图程序的结构

程序的结构

某些ZigBee协议栈提供了类似OS的方式来调度程序。

一般一个应用大致分为两部分：

App_init()

进行应用程序的初始化工作

App_processevent()

对于各种事件的处理

事件包括系统事件和用户事件，人们可以把要执行的程序使用Event方式来和系统连为一体。TI

CC2560PAN1315（Panasonic）CC2560/industrial/includes/pdf/PAN1315%20Core%20Specifications.pdfWiFi芯片Marvell公司W8787SDIO接口SDIO1.0标准定义了两种类型的SDIO卡：全速的SDIO卡，传输率可以超过100Mbps；低速的SDIO卡，支援的时脉速率在0至400KHz之间。主要应用：蓝牙照相机GPSWiFiMarvell公司W8787

Marvell公司W8787

支持操作系统：AndroidWMLinuxBroadcom

BCM4329Broadcom

BCM4329支持操作系统：AndroidWMLinuxiOS2G网络接入GPRSGTM-900华为2G网络接入GPRSUART接口3G数据卡与运营商合作网络和应用处处理器WSN处理器的选择运算量应用需求功率损耗集成度集成平台Intel

imoteImote2是一款先进的无线传感器节点平台.它集成了低功耗的PXA271XScaleCPU和兼容IEEE802.15.4

的射频芯片.Marvell(Intel2006)PXA27013-416MHz操作系统LinuxWMCC430|RF+低功耗MCUCC1101SoC方案的收发器高灵敏度低电流损耗卓越的模块性能灵活的数据速率以及调制模式MSP430™微控制器工业级最低功耗的

MCU16位精简指令结构20MHz的处理器高性能的模拟部分

传感接口48脚QFN封装7.15mmx7.15mmarea智能外设比较器，工作电流消耗仅100nA8通道12位ADC(最高200ksps的采样率)96段LCD控制器128位的

AES安全加解密协处理器CC430F613xCC430F613xCPU性能射频性能功耗性能操作系统CC430芯片家庭护理的无线传感器网络其它处理器芯片DSP

TI

6678

工作频率1.25GHz运算量320GMAC/160GFLOP@1.25GHz操作系统RTOSARM

Contex

A9

TI

3894工作频率1.5GHz计算量3GMAC@1.5GHz3D高精度1920x1280显示操作系统linux

Android

WM等2010年国家重大专项关于WSN项目短距离无线互联与无线传感器网络研发和产业化（M2M共性技术）支持多传感网应用的中间件平台研发（共性技术）传感器网络电磁频谱监测关键技术研究中高速传感器网络核心芯片研发（500Kbps）面向民用机场周界防入侵监视的新一代传感器网络研发与应用验证面向智能电网的安全监控、输电效率、计量及用户交互的传感器网络研发与应用验证面向太湖蓝藻爆发监测的传感器网络研发与应用验证面向地质灾害监测预警的传感器网络研发与应用验证提纲无线传感器网络设计要素无线频谱感知网络设计水污染监控传感器网络应急通信和定位系统智能交通其它应用领域2010年国家重大专项项目传感器网络电磁频谱监测关键技术研究课题说明：从传感器网络的行业、公众、特种应用对电磁频谱监测的需求出发，考虑未来传感网对频谱感知的功能要求，针对分布式电磁频谱监测进行关键技术研究，为传感网在多种电磁环境中广泛应用奠定基础。研究目标：针对分布式电磁频谱监测进行关键技术研究，重点突破电磁频谱监测无线传感器网络体系结构设计技术；典型应用场景的信道测试和建模；面向电磁频谱监测传感器网络应用的网络协议设计与优化技术；具备电磁频谱感知共存能力的无线传输技术；分布式协同信号检测、定位与跟踪技术；分布式协同信号识别与分类技术；小型化、低功耗电磁感知节点一体化设计；建立上述关键技术功能验证的电磁频谱监测传感器网络试验系统，并形成相关标准。技术指标传感器网络节点个数：不少于50个；监测信号频率范围：6GHz以下；监测信号类型：ASK、FSK、MSK、BPSK、QPSK、8PSK、QAM等；信号特征参数提取：中心频率、带宽、波特率等；传感器网络节点间传输速率：>64Kbps；具有可扩展能力的电磁频谱监测传感网组网协议；形成相关标准；申请发明专利数。项目背景和技术要求频谱资源相对紧张同时存在不合理利用，浪费现象严重

频谱空穴（spectrumhole）频谱中的资源闲置2003年12月，美国联邦通信委员会FCC在其规则第15章（FCCrulePart15），公布了修正案。从法律上规定[5]“只要具备认知无线电功能，即使是其用途未获许可的无线终端，也能使用需要无线许可的现有无线频带”。为新的无线资源管理技术奠定了法律基础。2004年10月，国际标准化组织IEEE成立IEEE802.22工作组，制定采用认知无线电技术，在VHF/UHF广播电视频段实现无线宽带接入的无线通信标准。因此对于频谱资源的监测和控制是无线频谱管理的重要任务系统方案该系统对于供电无特殊要求，不是低功耗系统。数据量分析数据信号要求监测信号频率范围：6GHz以下；分辨率100Hz；更新速率600s（10分钟）采用16位浮点数数据量计算系统一次更新数据量120MB系统要求传输速率为1.6Mbps无线方案选择WiFi自组织网络LTETD-SCDMA网络特点数据量大网络拓扑结构可自组织无功耗要求难点：数据压缩网络的路由接收机射频WSN数据无损压缩编码数据压缩有损压缩无损压缩行程编码LZW编码哈夫曼编码算术编码无损预测编码位平面编码有损预测编码分形编码模型编码子带编码神经网络编码变换编码K-L变换Haar变换Walsh.Hadamard变换离散余弦变换离散傅立叶变换斜变换小波变换WSN数据无损压缩编码非等长数据压缩Huffman编码cabcedeacacdeddaaabaababaaabbacdebaceadaa–16b–7c–6d–6e-5例子中的信息编码为：101010010111111011101010101......码长88位，比Shannon-Fano编码略短一些a–0b–100c–101d–110e–111root00111abcde001可以得到约35%的数据压缩，使数据传输速率降低到1.2Mbps左右WSN数据无损压缩编码行程编码（RLE）RLE编码是将数据流中连续出现的字符用单一记号标记例如字符串AABCDDDDDDDDBBBBB,可以压缩为3ABC8D5B频谱检测节点设备处理器的选择TMS320C6701+FPGA工作频率167MHz运算速度1GFLOPSTMS320C6678

工作频率1.25GHz运算量320GMAC/160GFLOP@1.25GHzTMS320C6670工作频率1.2GHz运算量153.6GMAC/76.8GFLOP@1.2GHzVCP2,TCP3d,TCP3e,FFT,PA

无线传输方案的选择最佳路由备选替换路由有线回传Wi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWi-FiWiFi自组织路由技术覆盖范围100-1000mWiFi网桥自组织网络转接次数与关系速率：R<R/2n50节点的网络规划中最高转接次数n=5能够确保2Mbps的网络数据传输WiFi网络接入的载波侦听技术接入机制竞争机制CSMA和TDMAPolling技术提高路由性能WLAN网桥设备符合IEEE802.11a/b/g/n标准，采用MIMO、OFDM技术；支持APWDS、StationWDS、AP、Station等应用模式；TDMAPolling技术，具有先进的抗邻区（Inter-Cell）互扰能力和在点对多点（PTMP）连接时也具备高吞吐量、低延时能力；超高传输速率：拥有300Mbps的传送速率，实际数据速率高达150Mbps以上；现场频谱扫描软件：可以扫描5.8GHz全频段，并给出信号强度、具体频点、信道，方便工程调试;信道频宽：通过软件可控每个信道的频宽5MHz、10MHz、20MHz、40MHz，有效利用频点资源，优化无线链路，特别有利于大规模的视频数据传输业务；多重安全措施：支持WEP，WPA，WAP2和802.1x，支持国际标准的AES/TKIP；

LTE主要技术指标支持1.25MHz-20MHz带宽峰值速率：下行100Mbps，上行50Mbps。频谱效率达到3GPPR6的2-4倍移动性0~15km/h(最佳性能)0～120km/h(较好性能)120km/h~350km/h(保持连接，确保不掉线)

覆盖范围0~5km(较高频谱利用率)5~30km(稍差的频谱利用率)用户面延迟（单向）小于5ms，控制面延迟小于100ms支持增强型的广播多播业务支持增强的IMS（IP多媒体子系统）和核心网取消CS（电路交换）域，CS域业务在PS（包交换）域实现，如采用VoIP支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作QoS如果要保证系统的QoS,有2个选择:超/富裕带宽设计在网络内执行QoS机制全双工/802.3x，带优先级可交换/802.1p并结合第三层协议，比如RSVPRSVP=ResourcesReservationProtocolEthernetLAN带QoS

QoSWi-FiMultimediaExtensions(WME):wmm(无线多媒体)是802.11e标准的一个子集。wmm允许无线通信根据数据类型定义一个优先级范围。时间敏感的数据，如视频/音频数据将比普通的数据有更高的优先级。为了使wmm功能工作，无线客户端必须也支持wmm。客户可以根据需求选择是或否。MM(Wi-FiMultiMedia)是Wi-FiAlliance(WFA)的QoS证书。WMM一经启用，适配器便用它来支持Wi-Fi网络的优先级标记和排队功能。QoSWi-FiScheduledMultimedia(WSM):预定进度的无线多媒体”（Wi-FiScheduledMultimedia），它可以对某些指定流量设定均匀间隔的时间周期。每个预定安排都是一个流量规范，但它只发送与指定流量有关的数据包。这将大大减轻无线数据传输过程中的冲突，并可建立有保证的时间周期，使设备能够正常传输流量。另外，它暂停了CSMA的补偿规则，因而加速了连续数据包的传输。

QoS用户使用提纲无线传感器网络设计要素无线频谱感知网络设计水污染监控传感器网络应急通信和定位系统智能交通其它应用领域2010国家重大专项项目面向太湖蓝藻爆发监测的传感器网络研发与应用验证需求:

2007年发生在无锡市的5·29太湖饮用水危机事件直接的原因是太湖富营养化导致蓝藻水华暴发使得饮用水水源地受到污染所致。本应用示范为解决太湖饮用水污染问题提供有效技术手段。以此为例，可拓展至我国湖泊水体监测系统。与国家已设置的环保有关专项不同，本课题主要开展对水体富营养化程度等的分布式动态实时监测。建立特殊区域重点监测传感网和太湖湖泊全覆盖TD-SCDMA网络相结合的新型监测系统，为今后蓝藻爆发危情提供一线感知数据，有助于环境监测部门对太湖等富营养化水体的多项指标做及时的监管和控制，针对应急情况做出快速反应；有助于推动TD-SCDMA走向综合运营；对避免水危机事件发生、保障饮用水安全具有重要意义。研究目标：从避免水危机事件发生、保障饮用水安全的民生角度出发，围绕我国环境部门对太湖富营养化水体各种指标的监管和控制、对应急情况的及时处理等要求，建立基于传感网和TD-SCDMA结合的富营养化水体水质和蓝藻水华分布式动态实时监测、预警系统，为今后蓝藻爆发危情提供一线感知数据。突破特定应用和工程部署关键技术，完善传感网水质、水体智能检测应用子集设计、产品定义和系统解决方案，推动相关标准的制定，侧重实现对中高速传感网与低功耗传感网等混合组网的技术应用验证，并对前期设置课题中设备、网络等成果进行环境适应性和规模性验证，为传感器网络在环境监测中的大规模应用推广奠定基础。技术指标应用验证系统规模应支持水环境监测基本完备功能，TD接入点不小于10个，传感网网络规模达数百节点级，为行业规模应用奠定基础。提交水质、水体环境监测等的应用标准和技术标准提案不少于2项。应用系统应能验证09年相关课题中的设备产品种类的80%，进入规模应用验证。同时，申报单位须提供下列指标（但不限于）的具体建议：太湖富营养化水体和蓝藻水华监测系统中特定应用关键技术如：中高速传感网与低功耗传感网的异构融合；适用于湖泊水体的的微型智能化节点设计；湖泊环境动态实时监测及预警传感网平台等技术指标。申请发明专利数和预期授权率。传感器采集信号要求该平台通过在目标水域中建立集气象系统、水文系统、水质系统、自动剖面系统、摄像系统以及数据传输等多种功能于一体的气象水文野外生态站，自动监测目标区域中的大气压、温度、湿度、风速、风向等气象参数以此来监测水体流速以及不同水层的水质状况。通过系统的比对分析对气象、水质灾害进行预测，提前做好应对措施；通过监测实时数据，系统研究影响水文气象环境的各项因素，提出科学的治理方案，从根本上解决水环境问题。系统总体方案2023/2/478监控中心实时数据显示远程参数设置数据统计分析无线水质监测小浮标浮标平台数据采集基站（TD节点）传感网节点；将水质数据传输给基站的协调器传感网协调器，控制网络，采集传感网节点数据；水质、水文、气象、视频、气味采集；将数据通过移动网络传输给监控中心利用移动运营商的网络远程移动通信网络太湖示范区系统工作流程数据处理监测小浮标浮标平台监控中心数据发布统计分析数据显示数据存储移动网络传感网水质传感器水质传感器气象传感器水文传感器视频数据或状态现场控制命令传感器种类水质参数：水温、PH、溶解氧、总磷、总氮、氨氮、电导率、浊度、化学需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、硝酸盐生物参数:水体叶绿素α浓度、水体藻蓝蛋白浓度、蓝绿藻浓度气象参数：风速、风向、空气湿度、温度、光照度，降雨量水文参数：水流流向、水流流速、水位视频气味传感器：NH3、H2S传感器传输速率分析监测小浮标节点数据参数浮标平台(具有20节点数据融合)环境测量数据<5KB*20=100KB视频监控环境测量传感器种类数据量水质参数<1KB生物参数<1KB气象参数<1KB水文参数<1KB气味传感器<1KB监测小浮标数据传输和网络方案每20节点监测小浮标向一个浮标平台发送传感器采集数据。20节点，每节点每次数据量小于5KB；每10分钟发送一次采集数据；每节点数据传输速率为70bps，网络数据传输速率为1.4kbps。可选择技术方案GPRS和ZigBeeGPRS需要和运营商合作，费用大；ZigBee属于自组织网络，只有一次投入费用，无后续费用。ZigBee网络的传输速率为250kbps,因此可以选择ZigBee网络作为监测小浮标数据网络ZigBee通信可靠性保证在低信噪比的环境下ZigBee具有很强的抗干扰性能。误码率信噪比dBbluetoothZigBee通信可靠性保证监控浮标网络组网网络协调器全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信

精简功能设备(RFD)：只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。

星型网状型簇状型中间协调器接收和发送信标帧MAC层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输帧组成地址格式：16位短地址和64位扩展地址帧控制字段的内容指示地址类型帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧信标帧格式数据帧格式确认帧格式命令帧格式IEEE802.15.4MAC协议

在DCF工作方式下，载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟载波侦听来确定无线信道的状态。物理载波侦听由物理层提供，虚拟载波侦听由MAC层提供。IEEE802.15.4（ZigBee）MAC协议协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步；支持PAN网络的关联（association）和取消关联（disassociation）操作；支持无线信道通信安全；使用CSMA-CA机制访问信道；支持时槽保障（guaranteedtimeslot,GTS）机制；支持不同设备的MAC层间可靠传输。IEEE802.15.4（ZigBee）MAC协议中间协调器接收和发送信标帧浮标平台数据传输和网络方案汇聚20节点的监控浮标传感器采集信息数据融合后的采集信息速率小于1.4kbps视频信息约2Mbps高清网络摄像机与其它品牌高清网络摄像机对比分析比较项目高清摄像机HH品牌HK品牌AX品牌压缩算法MainProfile@Level4.1BaselineProfilempeg4MJPEG720P双码流1080P实时流720P+720P以下25fps720P不支持720P12.5fps720P720P/2M编码水平解析度727线620线600线720P等画质推荐码流2M4M6M12M自动光圈控制完全支持暂不支持RTSP协议完全支持浮标平台网络组网和接入TD-LTETD-LTELTE主要技术指标支持1.25MHz-20MHz带宽峰值速率：下行100Mbps，上行50Mbps。频谱效率达到3GPPR6的2-4倍提高小区边缘的传输速率移动性0~15km/h(最佳性能)0～120km/h(较好性能)120km/h~350km/h(保持连接，确保不掉线)

覆盖范围0~5km(较高频谱利用率)5~30km(稍差的频谱利用率)用户面延迟（单向）小于5ms，控制面延迟小于100ms支持增强型的广播多播业务支持增强的IMS（IP多媒体子系统）和核心网取消CS（电路交换）域，CS域业务在PS（包交换）域实现，如采用VoIP支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作系统组网方案短距离通信小浮标和采集基站进行通信,采用ZigBee协议低功耗高可靠性低成本长距离通信采集基站和监控中心通信,决定采用移动公司提供的TD-SCDMA网络TD技术已经成熟中国自主知识产权无锡地区网络已基本成熟采用VPN（VirtualPrivateNetwork，虚拟专用网络），每一个采集基站赋予一个IP地址网络安全利用MAC帧为单位四种帧安全的服务访问控制数据加密帧完整性检查顺序更新ZigBee组网安全TD组网安全TD-SCDMA网络平台对安全性作了全面考虑注册：用户向基站报告其位置状态、身份标志和其他特征的过程鉴权：用户向网络证实自己身份认证的一个过程加密：在基站和移动台之间交换信息专门采用了一个加密程序监控中心的硬件体系结构

接收各基站的数据信息，通过解析对数据进行协议转换和传递应用程序服务，包括组态软件的服务、并可提供对数据的分析和处理为内部局域网进行配置以保证网络的正常运行

主业务台、备用业务台、数据管理业务台等实时监测软件集成太湖示范区蓝藻监测系统系统设置接收处理自动报警数据显示统计分析手动采集控制管理节点维护WEB浏览采用组态软件和数据库软件开发数据接口规范：《江苏省环境自动监测系统联网数据交换协议规范》数据存储实时监测各项参数保存实时数据、历史数据和报警数据在线报警显示实时和历史数据进行统计分析提供各级管理部门网上Web浏览查询功能无线水质监测小浮标集成设计浮体：离子聚合泡沫塑料重量轻、浮力高抗吸水性强、抗碰撞抗腐蚀性强能抵抗生物沾附浮体仪器室能源系统密封防水与外界的联系通过板盖上的水密接头进行仪器室不锈钢桶底部与水体接触，可平衡室内的温度太阳能板+铁锂电池温度广：-200C至+700C无记忆效应，寿命长无污染重量轻控制器灵活增删探头浮标平台数据采集基站集成设计采用符合国际航道标志协会要求的标准灯标:在晚上或浓雾时向周边船只发出警示加装GPS及防盗报警系统，加装避雷装置锚泊系统：包括主锚及副锚两部分。水质传感器水文传感器

视频TD天线控制器：实现传感网与TD的融合

气象传感器气味传感器附体与能源系统要求同小浮标采集基站控制器电路设计

实现无线传感网与TD网络的融合基站与小浮标节点点间，基站与监控中心间数据的双向通信采用ARM-DSP双处理器架构结合ZigBee与TD无线传输技术浮标的能源管理能源管理关系到电池的寿命和设备的安全运行池保护功能：充电保护：当充电结束时，关闭充电电路降压保护：当阴雨天气时，浮标由电池供电，当电池电压下降到一定程度可按用户设定先切断部分单元的供电，保护电池不致过放损坏浮标工作模式：通过监测软件控制浮标工作状态通过监测软件控制浮标工作状态按预先设定的采集间隔进行工作，并可实时调整，间隔中间处于休眠状态提纲无线传感器网络设计要素无线频谱感知网络设计水污染监控传感器网络应急通信和定位系统智能交通其它应用领域功能定位安全监测系统人员实时定位控制台与人员实时短信交流控制台实时显示人员周围环境情况

定位

通信

安全监测主要技术指标自组织通信网络最低限度应急通信传输支持预警、求救、语音和数据通信功能定位功能定位分辨率：0.25米；

未优化定位误差：4米；

优化后定位误差：2米定位周期：小于1秒；

定位目标最大移动速度：5米/秒；

相邻节点最大间距：50米数传速率：4Kbps应急通信和定位系统技术特点分析网络具有不稳定性，存在节点丢失情况，网络具有自组织建立功能；具有应急通信功能，数据传输速率低；定位精度高；具有最低限度数据传输和路由性能；电池供电，具有低功耗要求。数据量分析承载业务数据量语音信号数据量3Kbps；短信数据量128Bytes/packetRSSI信号4Bytes全网数据量分析60节点语音信号数据量180Kbps短信和RSSI信号小于10Kbps无线网络方案：ZigBee数据传输量小覆盖距离短，小于30m电池供电系统，AAA电池4节传感器节点设计通信系统接口层数据包处理网络自组织性01456?2节点丢失1234215节点发现和网络重构贪婪路由策略优点采用局部最优的贪婪算法，不需要维护网络拓扑，路由开销小；可适用于静态和移动的WSN网络；缺点需要地理位置信息的支持；需要维护邻居节点位置信息。MFR(MostForwardwithinRadius)：使到目的节点的跳数最少。NFP(NearestwithForwardProgress)：使节点之间干扰最少CR(CompassRouting)：减小数据传输范围GPSR协议评价GEAR：GeographicandEnergyAwareRouting分两个阶段：查询消息到达目的区域的路径查询消息在目标区域的传播选路依据节点到查询区域通信能量能耗节点本身的剩余能量最小代价节点为转发节点查询命令传送到目标区域贪婪算法－选择邻居节点到达指定区域的代价查询在监测区域内传送：洪泛方式，迭代地理转发将目标区域分解为若干子区域、向子区域的中心位置转发）优点利用了位置信息，避免了查询消息的Flooding；考虑了消耗的能量和节点剩余能量，均衡消息；路径选择可达到局部最优；迭代地理转发对洪泛机制的补充；缺点可能出现路由空洞（局部信息）-两跳信息；不适合在移动WSN使用定位测距技术大多数已有的位置发现方法由两个基本的阶段组成：距离（或角度）估计距离（或角度）融合估计两个节点间距离最常用的方法是：接收信号强度指示RSSI：根据接收到的信号强度计算路径损耗，再将路径损耗转换成距离。基于时间的方法（ToA、TDoA）：根据信号到达时间或两种信号的到达时间差估算距离。到达角度AoA：估计信号的到达角度，用几何关系计算节点位置。RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）已知发射节点的发射功率，接收节点根据接收到的信号强度估算到发射节点的距离。使用最广泛的信号传播模型是对数距离路径损耗模型，其中功率均用分贝表示：大量研究表明，在无线传感器网络中无法得到信号衰减与距离之间的一致模型，主要原因在于：环境的影响：多路径、衰落、遮蔽效应天线高度节点的发射功率未精确校准TDoA（TimeDifferenceofArrival）发送节点同时发出射频及超声波两种信号，接收节点根据收到两种信号的时间差来估算距离。特点：精度高传输特性也受环境影响，但较易检测超声传输距离短AoA（AngleofArrival）通过阵列天线或多个接收器得到信号到达的方向。图示的例子中同时使用到达信号的时间差（TDoA）和相位差：使用两个超声信号接收器，相距L放置；利用TDoA得到两个超声信号接收器到发送节点的距离x1和x2；利用x1、x2和L计算到发送节点的角度θ。距离（角度）融合距离（角度）融合常用的方法是：三边测量法（tri-lateration）：通过计算3个圆的交点来定位节点。三角测量法（triangulation）：使用三角函数来计算节点位置。最大似然估计法（MaximumLikelihoodestimation）：通过最小化测量距离和估计距离之间的差异来估计节点位置。不基于测距的（rang-free）定位算法不基于测距的算法不需要知道待定位节点到参考节点的距离，或者不需要直接测量此距离，成本和功耗较低。几种典型的不基于测距的定位算法：质心法（Centroid）几何约束法（GeomenticConsrain）DV-HOP质心法质心法基于以下两个假设：射频信号的传播遵循理想的圆球模型所有节点的通信距离相等网络中放置了固定数量、通信区域相重叠的一组参考节点，这些参考节点构成规则的网状结构。质心法原理参考节点周期性地发送包含自射位置信息的信标消息；未知节点在一个给定的时间间隔t内接收信标消息，对于每个参考节点Ri，统计在该时间内收到的信标消息数Nrecv(i,t)，计算对应的连接测度CMi：

CMi=Nrecv(i,t)/Nsent(i,t)×100%未知节点选择连接测度大于指定阈值的参考节点（设为k个），计算这些参考节点的质心作为自己的位置估计值：几何约束法每个节点的信号覆盖范围可以用一个几何形状来表示对于每个听到的参考节点，待定位节点计算这些参考节点信号覆盖范围的重叠区域。计算包含重叠区域的最小矩形，矩形的中心作为节点的位置估计值。定位技术采用RSSI和质心定位技术定位流程RSSI定位技术存在的问题近端失效：实际测试中发现，当盲节点距离某一个参考节点较近时，定位误差较大，定位结果有偏向该参考节点趋势。理想的RSSI的计算公式如下：

而点对点信号强度测试实验发现，随着两个节点间距离的增大，RSSI不像理想中的那样按指数规律减小，而是在2米左右出现一个峰值。RSSI是否优化后定位结果对比（左图：未优化，右图：优化后）定位精度从4m精确到1m系统功耗分析可以使用CC430F613x单芯片实现4节AAA电池可以带机工作1年。基于无线电波的能量回收如何保证节点在微弱电磁环境中工作距离辐射源越远，环境电磁波能量越小根据远场区场强公式：？收集足够的环境电磁能尽可能减小节点的功耗环境电磁波频谱能量测量天线设计能量转换与存储电源特性分析低功耗节点设计电源管理电路设计主要研究内容TI解决方案Withaslowas160uA/MHz(microamppermegahertz)activepowerconsumptionand1.5uAstandbypowerconsumption,MSP430F5xxMCUsenablelongerbatterylifeornobatteriesatallforenergyharvestingsystemsthatrunoffofsolarpower,vibrationenergyortemperaturedifferenceslikefoundonhumanbody.TMS37157PASSIVELOWFREQUENCYINTERFACEDEVICEWITHEEPROMAND134.2kHzTRANSPONDERINTERFACE确定电磁波搜集频段

10Hz～2.5GHz频谱能量测量AM频段频谱能量测量电能搜集天线

环形天线中波发射和传播模型地网地平面天波地波平行接地天线Pmax=0.168uWPmax=65uW倍压级数选择及电源特性调谐电感与输出电压关系典型传感器节点工作电压范围倍压级数与输出功率关系电磁波供电稳定性测试环境电磁波能量稳定性测试（2011年3月8日-14日）环境电磁波能量足够保证节点的全天候稳定工作微功耗无线传感器节点设计

138/16对传统电源管理的改进：1、增加能量检测环节2、定时唤醒

根据能量唤醒系统总静态功耗<2uA唤醒间隔根据能量自动调整关键部分电路Wang,A.;Kwong,J.;Chandrakasan,A.;,"OutofThinAir:EnergyScavengingandthePathtoUltralow-VoltageOperation,"Solid-StateCircuitsMagazine,IEEE,vol.4,no.2,pp.38-42,June2012

无线传感器节点内部无线通信系统无线通信天线接能量收集天线测试时间：约12h通信次数：1295次丢包：4次每次通信耗能：250uJ

平均通信间隔：32.3s传感器节点通信测试（2011年1月28日-29日）通信间隔统计提纲无线传感器网络设计要素无线频谱感知网络设计水污染监控传感器网络应急通信和定位系统智能交通其它应用领域物联网智能交通系统ITS智能交通系统ITS（IntelligentTransportationSystems）主要包括以下几个方面交通信息服务系统（ATIs)交通管理系统（ATMS)公共交通系统（APTS)车辆控制系统（AVCS）电子收费系统（ETC)紧急救援系统（EMS)城市交通2000.4高速公路高速公路2002.6ZTEITS物联网轨道交通2006.1铁路城市交通公路已经涉足的ITS领域城市交通公路铁路智能交通物联网：物联网产业化最能够率先成功的核心行业准备进入的ITS领域水运管道

民航水运管道

民航智能交通物联网系统组成商业模式演变智能交通物联网层次结构物联网平台交警公交地铁民航港口出租运营商服务出行者政府……司机智能交通智能交通物联网运营商服务数据源交通信息服务RFID互联网视觉识别WirelessCom.GPS移动通信网络电信移动M2M……联通H2M核心技术产品三大网络运营商网络平台智能交通

物联网H2H智能交通物联网平台建设城市智能交通控制与管理系统的结构信息传输系统交通诱导系统交通事件事故

视频检测系统超速检测系统供电防雷系统闭路电视监控系统交通管理信息系统电子警察系统信号控制系统交通事件快速

处理系统GPS车辆定位

系统交通管理自动化系统其他信息应用系统业务支撑平台软件平台硬件平台指挥中心控制系统交通信息采集常用检测技术有环形线圈、微波、视频、超声波等微波检测利用雷达技术，对路面发射微波，通过对回波信号进行高速实时的数字化处理分析，检测车流量、速度、车道占有率和车型等交通流基本信息。闯红灯违章抓拍系统的运行界面交通信息传输的主要方式Internet、数据通信网、GPS、专用短程通信系统、无线移动通信、广播接收机等。交通信号反馈控制系统在相关路段的适当位置设置各种车辆检测器，获得该监测断面的交通参数，这些参数被送到交通信号控制系统，经计算机分析处理后，自动选择合适的交通信号控制方案或者调整相关控制方案的信号控制参数，使交通流实现最小延误，提高路口的通行能力。GPS导航系统

由接收机接收卫星信号，可得到该点的经纬度坐标、速度、时间等信息，当汽车捕捉不到卫星信号时，系统可自动转换为自律导航，由车速传感器

检测出行进速度，陀螺传感器检测出前进方向，通过计算机直接算出前进的距离。

GPS导航可用于飞机、船舶、地面车辆及步行者。GPS在交通运输行业的应用实例出租车城市出租车管理部门、大型出租车公司采用这个方案可以降低车辆空载率，提高营运效率，方便市民叫车，改善城市和出租车公司形象。保障乘客和出租车驾驶员的安全。公交行业公交公司采用这个方案可以降低乘客等车和乘车时的不确定感，降低驾驶员的工作强度，提高车辆利用率，改善公交公司和城市的形象。物流行业物流公司、邮政公司采用这个方案可以降低货主、车主和配送人员的不确定感，提高营运效率，提高客户的满意程度，改善公司形象。公安部门公安局采用这个方案可以及时处理报警，提高处理报警的效率，对犯罪分子具有很强的震慑作用。紧急联动卫生部门、医院采用这个方案可以给社会提供更及时的紧急救护服务、挽救紧急伤病人的生命。移动信息服务网站，旅游公司采用这个方案可以为移动用户提供高度个性化的信息服务。运输行业运输企业可以在办公室低成本实时调度自己的车辆，提高车队利用率。车队管理环卫局，建筑公司等拥有车队的企业采用这个方案可以分析车辆的利用情况，作为车辆配备、路线调整和驾驶员考核的依据。智能铁路交通铁路货车技术管理信息系统(HMIS)铁路客车技术管理信息系统（KMIS）是利用计算机网络通讯技术、信息技术、数据库技术实现铁路货客车生产组织、质量控制和技术管理，覆盖铁道部、铁路局和车辆段（厂）三级客车运用、检修（新造）基本业务活动的信息系统。GPS列车定位系统(GVLS)能在中心调度自动的定位火车及轨道养护车辆的精确位置，能够极大地改善火车通过铁道维护区域的安全性和效率。使用火车和轨道养护车辆上的精确定位系统可以将它们的位置信息传送到调度中心。铁路系统特点承载业务位置信息车辆状况信息预警信息管理控制信息通信方式移动通信网络(GSM,GPRS,3G)铁轨铁路专用网络(星形和多跳组网)城市智能交通

GoTa的新一代出租车调度系统●集群调度功能●卫星定位功能●无线通信功能●实时监控功能●调度功能●信号提示功能●汽车电路信号检测功能●开机自检功能●报警功能交通信息传输的主要方式Internet、数据通信网、GPS、专用短程通信系统、无线移动通信、广播接收机等。集群通信移动通信GSM，GPRS,3G，WiMAX专用通信网络GPS/DR/地图匹配组合定位系统其结构如图所示：数据处理过程为每个采样时刻是由滤波器处理传感器和GPS测量值后组成优化值，后输出车辆位置估计值并与定位滤差和行车方向一并输入地图匹配模块，算出地图上的匹配位置坐标，滤波器的结构原理如下：里程仪陀螺仪GPS接收机导航地图数据库滤波器地图匹配模块位置估计组合DR信息GPS信息车辆位置估算行车方向估算误差估算定位输出车载设备车载设备由定位模块（GPS接收机和DR传感器）、通信控制器、收发信机（集群电台）、驾驶员接口和电源模块组成，其原理图如下：驾驶员接口数码显示语音提示短信息输入定位模块角速度传感器GPS接收机里程仪接口通讯控制器单片机系统无线MODEM时序逻辑电路集群电台电源模块里程仪信号输入智能公路

是建有通信系统、监控系统等基础设施，并对车辆实施自动安全检测、发布相关的信息以及实施实时自动操作的运行平台车务通“车务通”是中国移动位置服务业务的一部分，它利用手机或安装在车辆上的车载终端，基于中国移动GSM/GPRS网络，提供车辆位置信息服务。是目前市场上规模最大的电信级车辆位置服务产品！点击“路线设置”可进行设置报警路线点击“区域设置”可进行设置报警区域点击“地物查询”可进行文字、周边、区域、路径查询点击“位置查询”，进行单次定位、定时定位、定位计划、轨迹查询点击“监控调度”，可进行发送短信、监听、监视点击“其他”，可设置超速报警、和限制语音功能历史轨迹轻松查看神州车管家产品介绍：“神州车管家是中国移动通信集团重庆有限公司开发的一套远程车辆管理系统，通过对车辆加装监控终端，采集车辆运行数据，并通过移动GPRS网络，将数据传送至后台管理服务器，从而实现对车辆的实时监控和远程调度等功能，方便用户通过PC机、手机灵活实现管理功能。产品基本功能：—车辆实时监控，地图工具、实时监控、信息发布、警情处理、报警设置。—车辆综合信息管理，企业、司机、车辆资料管理报警记录统计，里程统计、调度短信查询、日志查询、车辆运营报表。—车辆调度管理与信息发布派车管理、维修管理、违章记录统计。—车辆行驶轨迹回放轨迹回放、定时查询。—手机查询和远程控制手机无线远程对车辆进行信息查询、管理控制。产品应用领域：该产品广泛适用于企事业单位、公交行业、物流运输等需要对运营车辆进行远程监控和调度的单位和个人。物流调度追踪产品介绍：物流企业及货贷企业需要的产品是一套实时物流调度追踪配载系统，装在车辆上的终端及配合的后台系统是实现调度追踪配载的有效工具。车辆监控：配合GIS电子地图，可以迅速了解这些车辆运行的位置、速度、行驶方向、距目的地的距离、时间等，以便控制中心实时动态的掌握车辆的运行情况，对企业动态、实时调度车辆提供强有力的手段。可设定信息回传的时间间隔、回传个数。

实时车辆位置车辆状态信息车辆的实时位置、速度、方向、里程等信息列表超速报警列表高级调度：当车辆超速行驶时，GPS车载终端除向司机做语音的提示警告外，将主动向监控调度中心发送一条该车辆超速行驶的报警信息，中心收到该信息后，在监控工作站的计算机屏幕上弹出超速报警框，同时向值班人员语音报警，在报警框中，值班人员可以看到超速车辆当前的行驶速度、该路段规定的行驶速度、时间等信息。电子不停车收费系统通过车载装置与收费站的微波天线之间的短程通讯，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理；全路段封闭、车载智能卡、电子托收、联网分账等；采用了自动车牌识别、自动车型分类、逃费抓拍等技术；通行效率显著提高，可24小时无人监管不间断工作，车道过车和银行托收都由系统自动实现；电子收费系统（ETC）电子收费系统结构图提纲无线传感器网络设计要素无线频谱感知网络设计水污染监控传感器网络应急通信和定位系