《物联网导论》总复习学习资料.ppt
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1、物联网导论总复习物联网导论总复习物联网的定义是一个基于互联网、传统电信网等信息载体,让所有能被独立寻址的普通物理对象普通物理对象实现互联互通的网络。物联网的三大特征普通对象设备化自治终端互联化普适服务智能化物联网的技术体系框架(4层)信息生成信息应用信息处理信息传输综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层联网终端规模化物联网时代每一件物品均具通信功能成为网络终端,5-10年内联网终端规模有望突破百亿。感知识别普适化 无所不在无所不在的感知和识别将传统上分离的物理世界和信息世界高度融合异构设备互联化各种异构设备利用无线通信模块和协议自组成网,异构网络通过“网关”互通互联。主要特点5 5管理处理管
2、理处理智能化智能化物联网高效可靠组织大规模数据,与此同时,运筹学,机器学习,数据挖掘,专家系统等决策手段将广泛应用于各行各业。应用服务应用服务链条化链条化以工业生产为例,物联网技术覆盖从原材料引进,生产调度,节能减排,仓储物流到产品销售,售后服务等各个环节。主要特点(续)6 6更广泛的互联互通互联互通的对象从人延伸到物体互联互通方式的扩展更透彻的感知通信功能使传感器能够协同工作更深入的智能多传感器实现“人多力量大”的智能多维感知数据实现“防患于未然”的智能大数据挖掘实现“见微知著”的智能发展趋势7 7物联网的应用前景智能物流:智能物流:现代物流系统希望利用信息生成设备,与互联网结合起来而形成的
3、一个巨大网络,并能够在这个物联化的物流网络中实现智能化的物流管理。智能交通:智能交通:通过在基础设施和交通工具当中广泛应用信息、通讯技术来提高交通运输系统的安全性、可管理性、运输效能同时降低能源消耗和对地球环境的负面影响。智能建筑:智能建筑:通过建立以节能为目标的建筑设备监控网络,将各种设备和系统融合在一起,形成以智能处理为中心的物联网应用系统,有效的为建筑节能减排提供有力的支撑。环境监测:环境监测:通过对人类和环境有影响的各种物质的含量、排放量、以及各种环境状态参数的检测,跟踪环境质量的变化,为环境管理、污染治理、防灾减灾等工作提供基础信息、方法指引和质量保证。光学符号识别技术的基本概念,语
4、音识别的流程,虹膜识别的特点,指纹的整体特征和局部特征,IC卡分类及各自的特点。条形码的分类,一维条形码的组成,条形码模块的概念;一维条形码的基本参数及工作原理,常见的一维条形码和二维条形码编码。RFID的概念,RFID系统的组成,RFID标签的优点和特点,RFID标签的存储方式及分类,RFID系统的常见频率及其优缺点。第2章9 9光学字符识别(Optical Character Recognition,OCR),是模式识别(Pattern Recognition,PR)的一种技术,目的是要使计算机知道它到底看到了什么,尤其是文字资料。光符号识别1010语音识别研究如何采用数字信号处理技术自动
5、提取及决定语言信号中最基本有意义的信息,同时也包括利用音律特征等个人特征识别说话人。语音识别1111虹膜识别是当前应用最方便精确的生物识别技术,虹膜的高度独特性和稳定性是其用于身份鉴别的基础。虹膜识别的特点:生物活性:虹膜处在巩膜的保护下,生物活性强。非接触性:从无需用户接触设备,对人身没有侵犯。唯一性:形态完全相同虹膜的可能性低于其他组织。稳定性:虹膜定型后终身不变,一般疾病不会对虹膜组织造成损伤。防伪性:不可能在对视觉无严重影响的情况下用外科手术改变虹膜特征。虹膜识别1212指纹识别-总体特征纹型:三种基本纹型包括:环型、弓型和螺旋型纹数:模式区内指纹纹路的数量。模式区:指纹上包含总体特征
6、的区域,即从模式区就能够分辨出指纹是属于那一种类型的三角点:位于从核心点开始的第一个分叉点或断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、转折点、或者指向这些奇异点。1313IC卡:分类1414存储器卡特点:存储器卡功能简单,没有(或很少有)安全保护逻辑,但价格低廉,开发使用简便,存储容量增长迅猛,因此多用于某些内部信息无须保密或不允许加密(如急救卡)的场合。逻辑加密卡特点:逻辑加密卡有一定的安全保证,多用于有一定安全要求的场合,如保险卡、加油卡、驾驶卡、借书卡、IC卡电话和小额电子钱包等。CPU卡特点:计算能力高,存储容量大,应用灵活,适应性较强。安全防伪能力强。不仅可验证卡和持卡人的合法性,且可鉴别读
7、写终端,已成为一卡多用及对数据安全保密性特别敏感场合的最佳选择,如手机SIM卡等。真正意义上的“智能卡”。IC卡:各类卡特点1515条码概念条形码是由一组规则排列的条、空以及对应的字符组成的标记。一维条码组成一个完整的条码的组成次序依次为:静区(前)、起始符、数据符、(中间分割符,主要用于EAN码)、(校验符)、终止符、静区(后)。条形码技术1616一维条形码:典型一维条形码制比较1717激光扫描仪通过一个激光二极管发出一束光线,照射到一个旋转的棱镜或来回摆动的镜子上,反射后的光线穿过阅读窗照射到条码表面,光线经过条或空的反射后返回阅读器,由一个镜子进行采集、聚焦,通过光电转换器转换成电信号,
8、该信号将通过扫描仪或终端上的译码软件进行译码。一维条形码:译码原理1818二维码利用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息的;在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念,使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息,通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。二维码码制世界上应用最多的二维条码符号有Aztec Code、PDF147、Data Matrix、QR Code、Code16K等。条形码技术:二维条形码1919RFID技术分析RFID概念RFID是射频识别技术(Radio Frequen
9、cy Identification)的英文缩写,利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。RFID系统由五个组件构成,包括:传送器、接收器、微处理器、天线、标签。传送器、接收器和微处理器通常都被封装在一起,又统称为阅读器(Reader),所以工业界经常将RFID系统分为为阅读器、天线和标签三大组件。被动式标签(Passive Tag):因内部没有电源设备又被称为无源标签。被动式标签内部的集成电路通过接收由阅读器发出的电磁波进行驱动,向阅读器发送数据。主动标签(Active Tag):因标签内部携带电源又被称为有源标签。电源设备和与其相关的电路
10、决定了主动式标签要比被动式标签体积大、价格昂贵。但主动标签通信距离更远,可达上百米。半主动标签(Semi-active Tag):兼有被动标签和主动标签的所有优点,内部携带电池,能够为标签内部计算提供电源。这种标签可以携带传感器,可用于检测环境参数,如温度、湿度、是否移动等。然而与主动式标签不同的是它们的通信并不需要电池提供能量,而是像被动式标签一样通过阅读器发射的电磁波获取通信能量。标签分类(按供电方式)2121体积小且形状多样:RFID标签在读取上并不受尺寸大小与形状限制,不需要为了读取精度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。环境适应性:纸张容易被污染而影响识别。但RFID对水、油等物质却有极
11、强的抗污性。另外,即使在黑暗的环境中,RFID标签也能够被读取。可重复使用:标签具有读写功能,电子数据可被反复覆盖,因此可以被回收而重复使用。穿透性强:标签在被纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质包裹的情况下也可以进行穿透性通讯。数据安全性:标签内的数据通过循环冗余校验的方法来保证标签发送的数据准确性。RFID标签与条形码相比的优点2222RFID技术分析:频率RFID频率频率是RFID系统的一个很重要的参数指标,它决定了工作原理、通信距离、设备成本、天线形状和应用领域等因素。RFID典型的工作频率有125KHz、133KHz、13.56MHz、27.12MHz、433MHz、860-960
12、MHz、2.45GHz、5.8GHz等。按照工作频率的不同,RFID系统集中在低频、高频和超高频三个区域低频低频(LF)范围为30kHz-300kHz,RFID典型低频工作频率有125kHz和133kHz两个,该频段的波长大约为2500m。低频标签一般都为无源标签,其工作能量通过电感耦合的方式从阅读器耦合线圈的辐射场中获得,通信范围一般小于1米。除金属材料影响外,低频信号一般能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离。天线匝数较多。适用于近距离、低速、数据量小的场合:汽车防盗、酒店门锁系统、自动停车场收费及管理系统等。低频低频RFID特点特点高频高频(HF)范围为3 MHz-30 MHz,RF
13、ID典型工作频率为13.56MHz,该频率的波长大概为22米,通信距离一般也小于1米。该频率的标签不再需要线圈绕制,可以通过腐蚀活着印刷的方式制作标签内的天线,采用电感耦合的方式从阅读器辐射场获取能量。可以同时读取多个标签,数据传输率较高。典型应用:图书管理系统、固定资产管理系统、医药物流系统高高频频RFID特点特点超高频超高频(UHF)范围为300MHz-3GHz,3GHz以上为微波范围。采用超高频和微波的RFID系统一般统称为超高频RFID系统,典型的工作频率为:433MHz,860-960MHz,2.45GHz,5.8GHz,频率波长大概在30厘米左右。超高频标签可以是有源标签与无源标签
14、两种,通过电磁耦合方式同阅读器通信。通信距离一般大于1米,典型情况为4-6米,最大可超过10米。数据传输率高,可以在短时内读取大量的标签。典型应用:集装箱管理、航空包裹管理、供应链管理超高超高频频RFID特点特点重点掌握传感器以及无线传感器网的基本概念无线传感器节点的基本组成及其硬件平台特点掌握制约传感器性能提升的瓶颈以及相应的设计需求(低成本与微型化,低功耗,灵活性与扩展性,鲁棒性)了解ETX选路指标和两种典型的路由协议。无线传感网的特点。第3章2727无线传感网无线传感网(Wireless Sensor Networks,WSN)是指由一组随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的传
15、感器节点以自组织方式构成的无线网络,用于实时监测网络覆盖区域的各类监测对象的信息。传感器定义我国国家标准(GB7665-2005)对传感器的定义是:“能感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”。2828无线传感节点的组成:电池、传感器、微处理器、无线通信芯片;相比于传统传感器,无线传感节点不仅包括传感器部件(左上图),还集成了微型处理器和无线通信芯片等,能够对感知信息进行分析处理和网络传输。概述2929无线传感器的“三化”发展方向概述3030技术发展不均衡:无线传感网传输和感知两大功能不匹配。即易感不易传,易传不易感。功耗的制约:无线传感节点一般被部署在野外,不能通过有线供电
16、。其硬件设计必须以节能为重要设计目标。价格的制约:无线传感节点一般需要大量组网,以完成特定的功能。其硬件设计必须以廉价为重要设计目标。体积的制约:无线传感节点一般需要容易携带,易于部署。其硬件设计必须以微型化为重要设计目标。制约传感器性能提升的因素?3131低成本与微型化低成本的节点才能被大规模部署,微型化的节点才能使部署更加容易 低功耗在硬件设计上采用低功耗芯片;软件节能策略来实现节能 灵活性与扩展性节点的硬件设计需满足一定的标准接口,软件的设计必须是可剪裁的。鲁棒性鲁棒性是实现传感器网络长时间部署的重要保障。大规模长时间部署传感器的设计要求3232组网技术传感器节点功能:采集、处理、控制和
17、通信等网络功能:兼顾节点和路由器资源受限:存储、计算、通信、能量Sink节点功能:连接传感器网络与Internet等外部网络,实现两种协议栈之间的通信协议转换,发布管理节点的监测任务,转发收集到的数据。特点:连续供电、功能强、数量少等3333ETX(Expected Transmission Count),成功传输每个包需要的总传输次数,一条路径的ETX越小代表在这条路径上引起的总传输次数最小。Link throughput 1/Link ETX组网技术选路指标Delivery Ratio100%50%33%Throughput100%50%33%Link ETX1233434组网技术选路指标
18、的计算 从源节点到目的节点传输成功一个数据包(并且发送者能够成功地收到ACK)所需要的传输次数为df 为从源节点到目的节点的收包率dr 从目的节点到源节点ACK的收包率3535组网技术路由协议数据收集协议数据分发协议3636 例如:对森林、草原进行防火监测、野生动物活动情况监测、环境监测往往要布置大量的无线传感器节点,布设范围也往往超过一般的局域网范围。无线传感器网络技术特点1网络规模大(节点数量多)p布置大量的无线传感器节点的优点布置大量的无线传感器节点的优点:1提高整体监测的精确度。2降低对单个节点的精度要求。3大量冗余节点的存在使得系统有较强的容错性能 与局部网的布设不同,无线传感器节点
19、的位置布设前不能事先确定(飞机撒布、人员随机布设),节点之间的相互邻居关系也不能事先确定。要求:要求:无线传感器节点具有自组织能力,能够自动进行配置管理。实现方法:实现方法:通过拓扑控制机制和网络路由协议自动形成能够转发数据的多跳无线网络系统。2自组织网络无线传感器网络技术特点 无线传感器网络的拓扑结构经常改变。原因:1被动改变 1)传感器节点电能耗尽。2)环境变化造成通信故障。3)传感器节点本身出现故障。2主动改变 1)增加新节点。2)根据路由算法的优化做出的改变。3动态性网络无线传感器网络技术特点1传感器节点本身硬件结构可靠 布设时:可能通过飞机撒布、炮弹(火箭)发射、布设。工作时:风吹、
20、日晒、雨淋。严寒、酷暑。维护性:维护十分困难(几乎不可能)。2网络结构可靠 自组织、动态性保证基本的信息传输正常。3软件可靠 鲁棒性强。4信息保密性强4可靠性强无线传感器网络技术特点互联网上传递的信息是五花八门的,但是无线传感器网络传递的信息与所关心的物理量密切相关。不同的应用背景对无线传感器网络的需求不同。最终导致其硬件平台、软件系统甚至网络协议都不同。所以在无线传感器网络中很难找到一种统一的通信协议平台。为了实现高效率,往往要针对一个具体应用来研究无线传感器网络技术。5应用相关性无线传感器网络技术特点在互联网中终端、主机、路由器、服务器等设备都有自己的IP地址。想访问互联网中资源,必须先知
21、道存放资源的服务器的IP地址。所以互联网是一个以地址为中心的网络。而无线传感器网络是任务型网络。在WSN中,节点虽然也有编号。但是编号是否在整个WSN中统一取决于具体需要。另外节点编号与节点位置之间也没有必然联系。用户使用WSN查询事件时,将关心的事件报告给整个网络而不是某个节点。许多时候只关心结果(数据)如何,而不关心是哪个节点发出的数据。6以数据为中心无线传感器网络技术特点重点掌握了解位置信息的三要素。了解GPS的系统组成,定位原理,典型应用和优缺点。了解蜂窝基站定位(单基站和多基站)的方法以及优缺点。了解室内精确定位的原理和应用。了解WiFi基站定位的原理和应用。掌握基于距离的定位中距离
22、测量的两种方法。掌握基于距离差的定位所采用的测量方法和位置计算方法,以及与基于距离的定位相比有何优缺点。第4章4343位置信息位置信息不是单纯的“位置”地理位置(空间坐标)处在该位置的时刻(时间坐标)处在该位置的对象(身份信息)位置信息三要素GPS:主要优缺点优点优点精度高全球覆盖,可用于险恶环境缺点缺点启动时间长(3-5分钟)室内信号差需要GPS接收机蜂窝基站定位:主要优缺点优点不需要GPS接收机,可通讯即可定位启动速度快信号穿透能力强,室内亦可接收到缺点定位精度相对较低基站需要有专门硬件,造价昂贵A-GPS(Assisted GPS)特点GPS定位和蜂窝基站定位的结合体利用基站定位确定大致
23、范围连接网络查询当前位置可见卫星大大缩短搜索卫星的时间全程数十秒利用已有设备与网络蓝牙,WiFi,ZigBee部署方便、成本低、精度有限利用专门设备与网络红外线、超声波、RFID、超宽带(UWB)等精度高、部署成本高室内精确定位4848无线AP定位利用可见Wi-Fi接入点来定位在大城市中,无线AP数目多,定位非常精确在智能手机中成熟应用WIFI基站定位4949常见定位技术:基于距离(时间)的定位(Time of Arrival,ToA)基于距离(时间)差的定位(Time Difference of Arrival,TDoA)基于信号特征的定位(Received Signal Strength,
24、RSS)定位技术5050距离测量方法距离d=波速v*传播时间t传播时间t=收到时刻t 发出时刻t0问题:接收端如何得知t0?基于距离的定位(TOA)5151方法1: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:电磁波到达时刻声波到达时刻距离由于 远大于 ,上式可简化为基于距离的定位(TOA)5252方法2:测量波的往返时间发送端于时刻 发送波接收端收到波后,等待时间 后返回同样的波发送端记录收到回复的时间距离基于距离的定位(TOA)5353位置计算方法:多边测量(也称多点测量)平面上定位,取三个参考点以每个参考点为圆心,到该参考点的距离为半径画圆,目标必在圆上平面上三个圆交于一点实际中取
25、用超过三个参考点,用最小二乘法减少误差基于距离的定位(TOA)5454ToA的局限需要参考点和测量目标时钟同步TDoA不需要参考点和测量目标时钟同步参考点之间仍然需要时钟同步基于距离差的定位(TDOA)5555距离差测距方法测量目标广播信号参考点i,j分别记录信号接收到的时刻 ,测量目标到i,j的距离差位置计算方法至少两组数据联立方程求解实际采用多组数据最小二乘法求解每次测量结果参考点坐标到参考点的距离差构建方程:基于距离差的定位(TDOA)5656重点掌握举例说明传统智能设备和新兴智能设备的应用。典型传统智能设备:计算机、PDA新兴智能设备:智能车载设备,智能数字标牌,智能医疗设备,智能家电
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