物联网导论笔记
物联网导论
第1章 物联网概述
第2章 自动识别技术和RFID
自动识别技术
-
光学字符识别 OCR
-
Optical Character Recognition
- 模式识别的一种
- 设备通过光学机制识别字符
-
语音识别
-
采用数字信号处理技术自动提取和决定语音中最基本有意义的信息
-
虹膜识别
-
最方便精确的生物识别技术
- 身份鉴别基于虹膜的高度独特性和稳定性
-
指纹识别
- 实用角度由于其他生物识别技术
- 指纹各不相同、终生基本不变
- 总体特征
- 纹型
- 模式区
- 三角点
- 纹数
- 局部特征
- 终结点
- 分叉点
- 分歧点
- 孤立点
- 环点
- 短纹
- 处理流程
- 指纹图像采集
- 指纹图像处理
- 特征提取
- 特征值比对和匹配
-
IC卡
-
Integrated Circuit Card 集成电路卡
-
IC卡应用系统
- IC卡
- 记录持卡人特征代码、文件资料的便携式信息载体
- 接口设备
- IC卡读写器,是卡和PC信息交换的桥梁
- 核心为可靠的工业控制单片机, 例如Intel的51系列
- 计算机
- 系统的核心,完成信息处理、报表生成输出等
- 通信网络和计算机
- 同窗用于金融服务等较大的系统
- IC卡
-
IC卡分类
-
存储卡
- 功能简单,没有安全保护逻辑
- 价格低廉,开发使用简便
- 存储容量增长块
- 多用于内部信息无需保密或不允许加密(急救卡)的场合
-
逻辑加密卡
- 有一定的安全保证
- 如保险卡、加油卡、驾驶卡
-
CPU卡
-
计算能力高,存储容量大,应用灵活,适应性强
-
安全防伪能力强
-
如手机SIM卡
-
按数据传输形式分类
- 串行通信卡
- 并行通信卡
-
-
-
-
条形码技术
-
为消除数据录入的瓶颈问题
- 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
- 组成次序: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)
-
一维条形码
- 基本概念
- 对比度
- 越大,条码的光学特性越好 PCS = (RL-RD)/RL*100%
- RL为条形码反射率,RD为空气反射率
- 条码长度
- 从条码起始符前缘到终止符后缘的长度
- 条码密度
- 单位长度的条码表示的字符个数
- 双向条码
- 条码的两端都可以作为扫描起点的
- 中间分隔符
- 条码符号中,位于两个相邻的条码符号之间且不代表任何信息的空
- 连续性条码
- 条码字符中,两个相邻的条码字符之间没有中间分隔符的条码
- 非连续性
- 条码字符中,两个相邻的条码字符之间存在中间分隔符的条码
- 对比度
- 译码原理
- 激光扫描仪通过一个激光二极管发出光纤,照射到一个旋转的棱镜上
- 反射后的光线穿过阅读器照射到条码表面
- 光线经过条或空的反射后回到阅读器
- 由一个镜子进行采集、聚焦,通过光电转换器转换成电信号
- 电信号通过扫描器或终端上的译码软件进行译码
- 基本概念
-
二维条形码
-
一维条形码和二维条形码的比较
- 一维条形码
- 贮存数据不多,主要依靠计算机中的关联数据库
- 保密性能不高
- 污损后可读性差
- 二维条形码
- 贮存数据量大,可存放1K组字符
- 可用扫描仪直接读取内容,无需另接数据库
- 保密性高
- 安全级别高时,污损50%仍可读取完整信息
- 一维条形码
RFID的历史和现状
- 射频识别技术 Radio Frequency Identification
- 利用射频信号通过空间耦合,实现无接触信息传递并通过信息达到识别目的
- 目前处于全面推广的阶段
RFID技术分析
- RFID系统组成
- 传送器、接收器、微处理器
- 三者通常被封装在一起,称为阅读器Reader
- 天线
- 标签
- 传送器、接收器、微处理器
- 阅读器
- 最重要且最复杂的一个组件
- 工作模式是主动向标签询问标识信息
- 有时称为询问器(Interrogator)
- 天线
- 同阅读器相连,用于在标签和阅读器之间传递射频信号
- 阅读器可以连接一个或多个天线
- 标签 Tag
- 由耦合元件、芯片和微型天线组成
- 每个标签内部存有唯一的电子编码,附着在物体上标识目标对象
- 存储方式
- 电可擦可编程只读存储器 EEPROM
- 铁电随机存取存储器 FRAM
- 静态随机存取存储器 SRAM
- 标签分类
- 被动式标签 Passive Tag
- 主动标签 Active Tag
- 半主动标签 Semi-active Tag
- 与条形码相比的优点
- 体积小且形状多样
- 环境适应性强
- 可重复使用
- 穿透性强
- 数据安全性
- 频率
- 低频,LF,30kHz-300kHz,无源标签,通信范围小于1米,低频信号能够穿过任意材料的物品而不降低它的读取距离
- 高频,HF,3MHz-30MHz,小于1米,不再需要线圈绕制,可以通过腐蚀活字印刷的方式制作标签内的天线
- 超高频,433MHz,860-960MHz,2.45GHz,5.8GHz,可以是有源标签和无源标签两种,通信距离一般4-6米,最大超过10米
RFID和物联网
- 物联网是通过给所有物品贴上RFID标签,在现有互联网基础上构建所有参与流通的物品信息网络
第3章 无线传感器
重点掌握
- 无线传感网节点所需硬件的基本特性
- TinyOS系统的特性
- 了解和基本掌握选路指标ETX、路由协议CTP、数据分发协议Drip等组网技术
概述
- 无线传感节点组成
- 电池
- 传感器
- 微处理器
- 无线通信芯片
- 与传统传感器相比,无线传感节点
- 包括传感器部件
- 集成微型处理器和无线通信芯片
- 能够对感知信息进行分析处理和网络传输
硬件平台
传感器
- 选择是否需要外部模数转换器和额外的校准技术
- 根据处理器和传感器的交互方式:模拟信号/数字信号
微处理器
- 负责计算的核心
- 深度集成的特征使得非常适合在无线传感器网络中使用
- 内存
- 闪存
- 数模转化器
- 数字IO
- 影响节点工作整体性能的关键
- 功耗特性
- 唤醒时间
- 睡眠/工作状态间快速切换
- 供电电压
- 长时间工作
- 运算速度
- 内存大小
通信芯片
-
通常消耗能量最多
-
重要指标:传输距离
- 发射功率越大,接受灵敏度越高,信号传输距离越远
供能装置
- 电池供电 => 节点容易部署
- 电压、环境变化 => 电池容量不能被完全利用
- 可再生能源存储能量
- 充电电池
- 自放电较少
- 电能利用率较高
- 充电效率低
- 充电次数有限
- 超电容
- 充电效率高
- 充电次数可达100万次
- 不易受温度、振动因素影响
- 充电电池
操作系统
- 节点操作系统是微型化的
- 主要特点
- 硬件平台资源极其有限
TinyOS
- 在目前无线传感网络研究领域使用最为广泛的OS
- 开发语言:nesC
- 专门为资源有限、硬件平台多样化的传感节点设计
- 使用nesC编写的应用程序基于组件
- 组件之间的交互必须通过接口
- 一般有一个最顶层的配置文件
- 任务调度
- 使用了事件驱动的单线程任务调度机制
- 任何一个时刻,处理器只能执行一个任务
- 单个TinyOS任务中不能有IO等阻塞的调用
- 关键服务
- OS核心服务
- 数据收集协议
- 数据分发协议
- 时间同步协议
- 网络重编程协议
组网技术
选路指标 ETX
- 传输成功每个包需要的总传输次数
- ETX,Expected Transmission Count
- Link throughput ≈ 1/Link ETX
-
假设链路有ACKs和重传
- P(TX success) = P(Data success) * P(ACK success)
- Link ETX = 1 / P(TX success) = 1 / [ P(Data success) * P(ACK success) ]
-
实际计算ETX
-
•P(Data success) ≈ measured fwd delivery ratio $r_{fwd}$
•P(ACK success) ≈ measured rev delivery ratio $r_{rev}$
•Link ETX ≈ 1 / ($r_{fwd}\times r_{rev}$)
-
-
扩展到路径的情形 Route ETX = Sum of link ETXs
数据收集协议 CTP
-
Collection Tree Protocol
- 初始化:网络中每个节点广播自己到汇聚节点的路径的ETX
- 每个节点收到广播包之后,依据邻居节点广播的路径ETX,动态选择父节点,使得自己到汇聚节点的路径ETX尽量小
- 经过不断更新,网络中的每个节点都能够选择到一条到汇聚节点ETX之和最小的路径
-
在TinyOS中的实现
- 链路质量:综合考虑
- CTP通过主动交换控制包来估计链路质量
- 通过被动侦听数据包来动态更新链路质量
- CTP考虑了链路层信息
- 考虑了网络层队列是否有溢出的信息,以此来避免拥塞的节点
- 在控制包发送方面,使用了Trickle算法来自适应的控制发包的频率
- 链路质量:综合考虑
-
信息传播方式
- Trickle Timer
- 在网络稳定的时候,Trickle算法二进制增长发包间隔,以减少发送包的数量
- 发生环路或其他异常时,Trickle算法缩短发包间隔至最小,使网络能及时恢复到正常状态
- 优点
- 网络不变化,发送包数量少
- 网络一旦变化,迅速更新整个网络
- Trickle Timer
数据分发协议
- Drip
- Drip为每一个数据项分配一个版本号,版本号越高的数据越新
- 网络中每个节点周期性广播关于一个数据项的版本信息
- Drip节点发现自己需要更新时,向邻居节点发送请求包
- Drip节点收到请求包后广播关于被请求数据项的包
- 数据分发协议和洪泛协议的区别
- 数据分发协议维护了每一个数据项的版本信息,保证该数据的最新版本可靠地扩散到整个网络
传感网发展前景
-
制约性能提升的因素
- 功耗
- 节能
- 价格
- 廉价
- 体积
- 微型化
- 功耗
-
节点的软件设计
- 必须节约计算资源,避免超出节点的硬件能力
-
灵活性与扩展性
- 传感器节点被应用于不同的应用中
- 硬件设计需要满足一定的标准接口
- 软件设计必须是可裁剪的,能够根据不同应用的需求,安装不同功能的软件模块