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

          1. 串行通信卡
          2. 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）
    • image-20201012171749364

  • 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
    • 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

  • 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

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
  • 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

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  • 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

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​
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  • 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

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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

  • 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

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

  • 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