物联网导论Introduction to Internet of Things第4章定位系统
1 Introduction to Internet of Things 定位系统 4
承前启后前一章介绍了我们常见的一些定位技术和定位系统，包括GPS，北斗等室外卫星定位系统和LANDMARC等室内RFID定位系统本章我们主要关注物联网中的感知技术，包括传统的传感器和传感网感知，以及新兴的非传感器感知和群智感知。希望通过本章的学习，我们能掌握物联网感知技术的现状和未来发展趋势
2 承前启后 前一章 介绍了我们常见的一些定位技术和定位系统，包括GPS，北斗等室外卫星定位 系统和LANDMARC等室内RFID定位系统 本章 我们主要关注物联网中的感知技术，包括传统的传感器和传感网感知，以及 新兴的非传感器感知和群智感知。希望通过本章的学习，我们能掌握物联网 感知技术的现状和未来发展趋势
本章内容4.1传感网感知4.2非传感器感知4.3群智感知计算-
3 本章内容 传感网感知 非传感器感知 群智感知计算 4.1 4.2 4.3
传感器什么是传感器·人类是通过视觉、听觉等感性的方式感知周围环境的而传感器是能感受被测物理量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置传感器的基本组成一般由敏感元件、转换元件和基本电路组成敏感元件是指能直接感受被测物理量的部分转换元件将敏感元件的输出转换成电路参量，如电压、电感等基本电路最终将电路参数转换成电量输出被测量电量敏感元件转换元件基本电路
传感器 • 人类是通过视觉、听觉等感性的方式感知周围 环境的 • 而传感器是能感受被测物理量并按照一定规律 转换成可用输出信号的器件或装置 什么是传感器 4 • 一般由敏感元件、转换元件和基本电路组成 • 敏感元件是指能直接感受被测物理量的部分 • 转换元件将敏感元件的输出转换成电路参量，如电压、电感等 • 基本电路最终将电路参数转换成电量输出 传感器的基本组成 敏感元件 转换元件 基本电路 被测量 电量
从传感器到传感网传感网的诞生·传感器只能单点测量，网络化的程度有限，缺少信息共享传感网则集成多个传感器，结合感知、计算与通信于一体，可进行规模化的有效感知。其中通信功能是最关键的不同点传感网的基本组成除传感器外，还集成了微型处理器、无线通信芯片和供能装置（电池）无线通信（（）传感器微型处理器dA芯片供能装置（电池）无线传感网节点组成5
从传感器到传感网 • 传感器只能单点测量，网络化的程度有限，缺少信息共享 • 传感网则集成多个传感器，结合感知、计算与通信于一体，可进行规模 化的有效感知。其中通信功能是最关键的不同点 传感网的诞生 5 • 除传感器外，还集成了微型处理器、无线通信芯片和供能装置（电池） 传感网的基本组成 传感器 微型处理器 无线通信 芯片 供能装置（电池） 无线传感网节点组成
从传感器到传感网传感网的历史美国军方在越南战争期1967间部署“雪屋”系统大鸭岛传感器网络节点和部署环境UCLA的威廉·凯泽1996教授开展LWIM项目加州大学伯克利分校和军方在美国大鸭岛（Great发起了“智慧DuckIsland）实现部署1996尘埃”项目20026
6 从传感器到传感网 传感网的历史 美国军方在 越南战争期 间部署“雪 屋”系统 UCLA的威廉·凯泽 教授开展LWIM项目 加州大学伯克 利分校和军方 发起了“智慧 尘埃”项目 在美国大鸭岛（Great Duck Island）实现部署 1967 1996 1996 2002
软硬件平台传感器：种类丰富，从相对简单的光传感器、温度传感器，到比较复杂的二氧化碳传感器等：处理器通过模拟和数字信号两种方式与传感器进行交互。基于模拟信号的传感器必须先数字化，而基于数字信号的传感器可直接使用微型处理器负责计算的核心微处理器芯片集成了内存、闪存、模/数转换器和数字输入/输出（input/output，1/O）等
软硬件平台 • 种类丰富，从相对简单的光传感器、温度传感器，到比较复杂的二氧化碳传感器等 • 处理器通过模拟和数字信号两种方式与传感器进行交互。基于模拟信号的传感器必 须先数字化，而基于数字信号的传感器可直接使用 传感器 7 微型处理器 负责计算的核心 微处理器芯片集成了内存、闪存、模/数转换 器和数字输入/输出（input/output，I/O）等
软硬件平台无线通信芯片通信芯片能耗是节点能耗的主要来源。例如，TelosB节点上CPU工作电流仅为50OuA，而通信芯片工作电流达近20mA。且通信芯片各工作状态消耗的能量差别不大·通信芯片传输距离是节点的重要指标，其受芯片的发射功率等因素影响系统自放电（即“漏电优点较少，电能利用效率较高充电电池该技术充电效率较低，且缺点充电次数有限供能装置充电效率高，充电次数可优点达100万次，且不易受温度、振动等因素的影响充电电池缺点·电容自放电很大8
充电电池 优点 系统自放电（即“漏电”） 较少，电能利用效率较高 缺点 该技术充电效率较低，且 充电次数有限 软硬件平台 • 通信芯片能耗是节点能耗的主要来源。例如，TelosB节点上CPU工作电流仅为500μA， 而通信芯片工作电流达近20mA。且通信芯片各工作状态消耗的能量差别不大 • 通信芯片传输距离是节点的重要指标，其受芯片的发射功率等因素影响 无线通信芯片 8 供能装置 充电电池 缺点 电容自放电很大 优点 充电效率高，充电次数可 达100万次，且不易受温 度、振动等因素的影响
自组织网络协议为什么不直接使用互联网的TCP/IP协议资源限制：传感网节点资源有限，而实现和运行完整的TCP/IP协议是比较消耗资源的大材小用：传感网数据采集传输的功能相对简单，是否有必要采用功能强大的TCP/IP协议存在疑问什么是自组网指网络中没有固定的网络结构，网络设备需要在不依赖于中央控制设备的情况下实现自组成网，处理节点移动、加入和退出等操作GreenOrbs中的自组网9
自组织网络协议 • 资源限制：传感网节点资源有限，而实现和运行完整的TCP/IP协议是比较消耗资源的 • 大材小用：传感网数据采集传输的功能相对简单，是否有必要采用功能强大的TCP/IP 协议存在疑问 为什么不直接使用互联网的TCP/IP协议 9 什么是自组网 指网络中没有固定的网络结构，网络设备需要在不依赖于中央控制设备的情况下实现自 组成网，处理节点移动、加入和退出等操作 GreenOrbs中的自组网
自组织网络协议设计方法。网络的建立依赖于对链路和路径质量的测量和评估，典型的组网协议可以选择到达目的节点最短的路径期望传输次数（expectedtransmissioncount，ETX）是无线传感网中广泛使用的路由指标之一·记df为从源节点到目的节点的收包率，dr为从目的节点到源节点的ACK的收包率，则有：1ETX(dd.)10
自组织网络协议 • 网络的建立依赖于对链路和路径质量的测量和评估，典型的组网协议可以选择到 达目的节点最短的路径 • 期望传输次数（expected transmission count，ETX）是无线传感网中广泛使用的 路由指标之一 • 记𝑑_𝑓为从源节点到目的节点的收包率，𝑑_𝑟为从目的节点到源节点的ACK的收包 率，则有： 设计方法 10 f r 1 X ( ET d d ) = ·