第1章无线传感器网络概述

短距离无线通信技术第1章无线传感器网络概述什么是短距离无线通信网络？到目前为止，学术界和工程界对此并没有一个严格的定义。一般而言，短距离无线通信的主要特点为通信距离短，覆盖距离一般为10~200m；另外，无线放射器的放射功率较低，放射功率一般小于100mW，工作频率多为免付费、免申请的全球通用的工业、科学、医学（Industrial、ScientificandMedical，ISM）频段。常用的ISM频段有27MHz、315MHz、433MHz、868MHz（欧洲）、902~928MHz（美国）和2.4GHz。目前，在我国运用最多的还是27MHz、315MHz、433MHz和2.4GHz。1.1短距离无线网络概述

第1章无线传感器网络概述短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，它是指集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合性智能信息系统，并且其传输距离限制在一个较短的范围内（通常是几米以内）。通过各类集成化的微型传感器协作进行实时感知、采集和监测各类感爱好的探讨和应用信息。低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。首先，低成本是短距离无线通信的客观要求。因为各种通信终端的产销量都很大，要提高终端间的直通实力，没有足够低的成本是很难推广的。其次，低功耗是相对于其他无线通信技术而言的一个特点。这与其通信距离短的特点亲密相关，由于传播距离近，遇到障碍物的概率也小，放射功率普遍很低，通常在1mW量级。最终，对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线通信技术。终端之间对等通信，不须要网络设备进行中转，故空中接口设计和高层协议都相对较简洁，无线资源管理通常接受竞争的方式（如载波侦听）。第1章无线传感器网络概述1.1.2常用短距离无线通信技术的介绍几种常见的无线通信技术PAN：射频识别(RFID)、蓝牙(Bluetooth)、超宽带(UWB)IrDA技术1LAN：Wi-Fi、ZigBee(802.15.4)、DECT(无绳电话)2MAN：Wi-MAX（802.16x）3WAN：2G、3G、4G4融合构建一个全空间的无线网络

第1章无线传感器网络概述红外线数据协会(InfraredDataAssociation，IrDA)是致力于建立红外线无线连接的非营利组织，是一种利用红外线进行点对点的数据传输协议，通信距离一般在0到1m之间，传输速度最快可达到16Mbps,通信介质为波长900nm左右的近红外线。其传输具有小角度、短距离、直线数据传输、保密性强及传输速率较高等特点，适于传输大容量的文件和多媒体数据。并且无需申请频率的好用权，成本低廉。IrDA已被全球范围内的众多厂商接受，目前主流的软硬件平台均供应对它的支持。1．IrDA技术IrDA的不足在于它是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必需对准，中间不能被其他物体阻隔，而且只适合2台设备之间的连接。IrDA目前的探讨方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。红外线是不行见光线。全部高于确定零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线。2.蓝牙技术蓝牙的来源英文：Bluetooth代表一种短距离无线通信技术，蓝牙是一个开放性的无线通信标准，设计者的初衷是用隐形的连接线代替线缆。其目标和宗旨是：保持联系，不靠电缆，拒绝插头，并以此重塑人们的生活方式。“蓝牙”（Bluetooth）一词是一位丹麦国王的名字，因为国王宠爱吃蓝莓，牙龈每天都是蓝色的所以叫蓝牙在10世纪他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。用“蓝牙”他的名字来命名这种短距离无线通信的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。通过这种技术，可以将电子装置彼此通过无线连接起来，省去了传统的电线。

发展历程1、1994年，蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司。成立了一个专项科研小组，对移动电话及其附件的低能耗、低费用无线连接的可能性进行探讨。2、1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和Intel公司等五家著名厂商组建一个特殊爱好小组SIG（SpecialInterestGroup），在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是供应一种短距离、低成本的无线传输应用技术。3、1999年11月，比尔·盖茨专程到拉斯维加斯一间只有11名员工的小公司访问，只因这家公司已研制成功一种含蓝牙技术的胸卡，随后，微软便宣布加入SIG，同年摩托摩拉也加入。4、2006年10月，联想加入联盟。蓝牙技术的特点1.成本低蓝牙的最终目标是集成于单价为5美元的CMOS芯片。目前，蓝牙芯片价格降不下来，既有经济缘由，也有技术缘由。2、功耗低、体积小3、近距离通信蓝牙技术通信距离为10m，假如须要的话，还可以选用放大器使其扩展到100m。4.平安性同其它无线信号一样，蓝牙信号很简洁被截取，因此蓝牙协议供应了认证和加密功能，以保证链路级的平安。蓝牙系统认证与加密服务由物理层供应，接受流密码加密技术，适合于硬件实现，密钥由高层软件管理。假如用户有更高级别的保密要求，可以运用更高级、更有效的传输层和应用层平安机制。蓝牙系统组成蓝牙系统一般由天线单元、链路限制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组成。1.天线单元体积特别小巧、重量轻空中接口遵循FCC有关电平为0dB的ISM频段的标准。2.链路限制（固件）单元在目前蓝牙产品中，人们运用了3个IC分别作为连接限制器、基带处理器以及射频传输／接收器，此外还运用了3～5个单独调谐元件。3.链路管理（软件）单元链路管理（LM）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。4.软件（协议栈）单元蓝牙的软件（协议栈）单元是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。它必需符合已经制定好的蓝牙规范。蓝牙技术的特点和优点在于：Bluetooth工作在全球开放的2.4GHzISM频段；运用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频，在一次连接中，无线电收发器按确定的码序列不断地从一个信道“跳”到另一个信道；在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特殊的通信视角和方向要求；组网简洁便利；低功耗、通信平安性好；数据传输带宽可达1Mbps；一台蓝牙设备可同时与其他7台蓝牙设备建立连接；支持语音传输。蓝牙的技术标准IEEE802.15工作频段和带宽2.4GHz，1Mb/s传输距离10m通道指标1个异步数据通道(最高达721kb/s)3个并发的同步话音通道(64kb/s)1个同时传送异步数据和同步话音的通道蓝牙的典型应用有：①语音／数据接入是指将一台计算机通过平安的无线链路连接到通信设备上，完成与广域网的联接。②外围设备互连是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。③个人局域网（PAN），主要用于个人网络与信息的共享与交换。音频蓝牙发送蓝牙耳机3.WiFi无线通信技术什么是WiFi？全称WirelessFidelity，又称802.11b标准WiFi是由AP(无线访问节点）与无线网卡组成的无线网络。Wi-Fi第一个版本发表于1997年，其中定义了介质访问接入限制层（MAC层）和物理层。物理层定义了工作在2.4GHz的ISM频段上的两种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2Mbit/s。两个设备之间的通信可以自由干脆（adhoc）的方式进行，也可以在基站（BaseStation，BS）或者访问点（AccessPoint，AP）的协调下进行。802.11的三个标准网络协议介绍WiFi与蓝牙不同之处在于，蓝牙是用来让设备之间可以短距离彼此通信，而且通信的速度相对较慢。然而，WiFi主要是用来让电脑（包含PDA）与网络相连，而且通信距离达数百公尺，通信的速度也很快，有54Mbps以上。其一，无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围特别小，半径大约只有50英尺左右约合15米，而WiFi的半径则可达100米。其二，虽然由WiFi技术传输的无线通信质量不是很好，但传输速度特别快。其三，厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。其四，无须布线。其五，健康平安，放射功率不行超过100毫瓦，小于手机的放射功率。优点WiFi无线通信技术应用无线局域网WLANInternetWiFi无线路由器IPTV空调打印机条形码简称条码，是由一组黑（条）白（空）相间的、粗细不同的条状符号组成，隐含着数字信息、字母信息、标记信息、符号信息，主要用以表示商品的名称、产地、价格、种类等，是全世界能用的商代码的表示方法；4、条形码条形码的构成二维码的分类1.线性堆叠式二维码：以成串的数据行显示。

2.矩阵式二维码：二维空间的形态编码二维码的特点：（1）高密度编码，信息容量大：可容纳多达1850个大写字母或2710个数字或1108个字节或500多个汉字，比一般条码信息容量约高几十倍。（2）编码范围广：二维码可以把图片、声音、文字、签字、指纹等可以数字化的信息进行编码，并用条码表示。（3）容错实力强，具有纠错功能：二维码因穿孔、污损等引起局部损坏时，甚至损坏面积达50%时，仍可以正确得到识读。（4）译码牢靠性高：比一般条码译码错误率百万分之二要低得多，误码率不超过千万分之一。（5）可引入加密措施：保密性、防伪性好。（6）成本低，易制作，长久耐用。（7）条码符号形态、尺寸大小比例可变。（8）二维码可以运用激光或CCD摄像设备识读，特别便利。一维码与二维码的区分二维条形码

1、可干脆显示英文、中文、数字、符号图型、声音等；2、贮存数据量大，可存放1K字符，可用扫描仪干脆读取内容，无需另接数据库；3、保密性高（可加密），4、平安级别最高时，损污50%仍可读取完整信息。一维条形码特点：1、可干脆显示内容为英文、数字、简洁符号；2、贮存数据不多，主要依靠计算机中的关联数据库：3、保密性能不高；4、损污后可读性差。RFID技术

RFID是射频识别（RadioFrequencyIdentification）的英文缩写，是20世纪90年头起先兴起的一种自动识别技术，它利用射频信号通过空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息实现物体识别。RFID发展历程1、二战时，美军用于斗争识别自家与盟军的飞机。2、1940-1950年：雷达的改进和应用催生了射频识别技术，1948年奠定了射频识别技术的理论基础。3、1950-1960年，探究阶段，处于试验室探讨4、1960-1980年，起先一些实际的应用尝试。5、1980-1990年，进入商业应用阶段。6、1990至今，RFID：阅读器+标签。利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现的无需接触信息传递，已达到识别目标的技术。标签：有源标签，无源标签，半无源标签。标签：只读型、读写型、一次可写型。RFID(RadioFrequencyIdentification)

RFID应答器（射频卡或标签）射频卡

RFID阅读器（读写器或基站）

电感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式电感耦合

阅读器应答器电感耦合方式的电路结构信息RFID技术的工作原理：电子标签进入读写器产生的磁场后，读写器发出射频信号凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（有源标签或主动标签）读写器读取信息并解码后，送至中心信息系统进行有关数据处理。RIFD工作方式负载调制

负载调制的原理示意图1、阅读器为有源工作，应答器无源工作；2、L1、C1；L2、C2均工作在射频源VS的谐振频率；3、应答器L2的磁场变更产生电压整流后供应答器运用；4、应答器向阅读器的数据传输接受内部的二进制数据编码信号限制开关S，使得负载电阻R2被接通或者断开，通过耦合使L1产生变更的电压，经调制、解码即可；5、阅读器向应答器的数据传输，是通过数字调制的方式实现的，多接受ASK（幅频监控）的方式；RFID的应用其次代身份证不停车收费系统火车车号识别集装箱识别5、UWB（超宽带技术）什么是超宽带？“UWB”（ultrawideband)是超宽带无线技术的缩写。始于20世纪60年头兴起的脉冲通信技术，主要用于军用雷达、定位和通信系统中。利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。实质是以占空比很低的冲击脉冲进行干脆调制的。UWB主要特点：（1）抗干扰性能强（2）带宽极宽（3）消耗电能小（4）保密性好（5）发送功率特别小UWB发展历程1960’sUWB最初的定义源自于60年代兴起的军用脉冲通信技术，又被称为脉冲无线电（ImpulseRadio）技术。1972一种高灵敏的短脉冲接收设备被研制成功，进一步加速了UWB技术的研究和发展。1998美国国防部（DARPA）才正式启用超宽带（UWB）这一术语,该项技术采用上升沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信。2002UWB技术首次获得了美国FCC的批准而用于民用通信，发布全球第一个民用UWB设备使用频谱规范，使UWB技术的研发骤然加速。2006年国际电信联盟（ITU）在确定了各国频谱分配原则后，第一次核准UWB全球性监管标准建议。UWB技术标准IEEE802.15.4a传输速率<1Gbit/s传输距离10~20m工作频段3.1GHz和10.6GHz之间UWB的应用由于UWB技术已经可以供应相当于计算机总线的传输速率，这样个人终端就可以从互联网或局域网上即时下载大量的数据，因此将大部分数据存放在网络服务器的存储空间中，而不是保存在个人终端中。携带具有UWB功能的小巧终端，在任何地点都可以接入当地的UWB网络.。无线UWB接口取代现有USB接口的线缆连接，将成为UWB技术最有前途的应用。6、无线传感器网络简介无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点构成，集成了传感器技术、通信技术与计算机技术。传感器技术计算机技术通信技术感官大脑神经无线传感器网络无线传感器网络的起源与发展历程1、WSNs的探讨起源于20世纪70年头，在军事领域的应用.2、20世纪90年头，麻省理工学院、加州高校、Intel试验室等国家知名高校科研机构加入探讨。1999年商业周刊将传感器网络列为二十一世纪最具影响的21项技术之一。3、1998年3月，IEEE802.15工作组成立，PHY与MAC的标准化探讨。4、国内，2002-2003年，清华高校、中科院等国内知名探讨机构引进介绍国外的发展状况。5、2003年美国《技术评论》杂志评出深远影响人类将来生活的十大新兴技术，传感器网络列为第一。6、2006年我国发布《国家中长期科学与技术发展规划纲要》。ZigBee技术ZigBee名词的来源

这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠翱翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee技术的发展历程2000年IEEETG4组制定规范IEEE802.15.4.2001年,zigbeeAlliance成立.2004年,zigbeeV1.0诞生.它是zigbee的第一个规范.但由于推出仓促,存在一些错误.2006年,推出zigbee2006,比较完善.2007年底,zigbeePRO推出zigbee的底层技术基于IEEE802.15.4.物理层和MAC层干脆引用了IEEE802.15.4第1章无线传感器网络概述ZigBee技术特点主要包括：①数据传输速率低。②功耗低。③低成本。④网络容量大。⑤有效范围小。⑥工作频段敏捷。运用的频段分别为2.4GHz(250kbit/s)、868MHz（欧洲20kbit/s）915MHz（美国40kbit/s），均为免执照频段。第1章无线传感器网络概述1.3.1传感器网络的特点1．大规模网络2．自组织网络3．多跳路由4.动态性网络5．以数据为中心的网络6．兼容性应用的网络1.3无线传感器网络的特征

第1章无线传感器网络概述1.3.2传感器节点的限制1．电源能量有限2．通信实力有限3．计算和存储实力有限第1章无线传感器网络概述1.4无线传感器网络的关键技术1．网络拓扑限制2．网络协议3．网络平安4．时间同步5．定位技术6．数据融合7．数据管理8．无线通信技术9．嵌入式操作系统10．应用层技术第1章无线传感器网络概述1.5无线传感器网络的应用1．军事应用（1）智能微尘(smartdust)（2）战场环境侦察与监视系统（3）传感器组网系统2．智能家居3．环境监测4．建筑物质量监控5．医疗护理6．其他方面应用第1章无线传感器网络概述1.6无线传感器网络仿真平台目前，比较典型的仿真平台或基于现有平台的无线传感器网络模型，包括NS-2，OPNET，GloMoSim，TOSSIM，PowerTOSSIM等。1.6.1NS-2仿真平台（1）NS-2是著名的用于网络探讨的离散事务仿真工具，主要致力于OSI模型的仿真，且其源码开放，适合二次开发。一些探讨小组对NS-2进行了扩展，使它能支持无线传感器网络的仿真，包括传感器模型、电池模型、小型的协议栈、混合仿真的支持和场景工具等。但由于NS-2对数据包级进行特别具体的仿真，接近于运行时的数据包数量，使得其无法进行大规模网络的仿真。第1章无线传感器网络概述1.6.2OPNET仿真平台OPNET是成熟的商业化通信网络仿真平台，库中供应了很多的模型，包括TCP/IP、802.11、3G等。且已有一些探讨人员在OPNET上实现对TinyOS的NesC程序的仿真[2]。但要实现无线传感器网络的仿真，还须要添加能量模型。1.6.3GloMoSim仿真平台GloMoSim是一个可扩展的用于无线和有线网络的仿真系统，它接受ParseC进行设计开发，供应了对并行离散时间仿真的支持[3]。但目前，其仅支持传感器网络中的物理信道特征和数据链路协议