无线传感器网络与物联网
无线传感器网络 Wireless Sensor Network，WSN 部署在监测区域内，由大量的廉价微型传感器节点 组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织 的网络系统。 其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中 感知对象的信息，并发送给观察者。 传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三 个要素。
微型 网络 智能 微机电系统 无线通信 嵌入式系统 节点布撒 拓扑形成 自组织 消息传送 温度 湿度 压力 光强度 速度 化学成分 传统 地震波 无线通信 网络 光强度 雷达 速度 红外 嵌入式系统 智能 化学成分 传统 微型智能网络化 传感器 传感器 节点布撒 拓扑形成 自组织 消息传送
传感器网络的技术特点 节点 网络 微型化：嵌入物理世界 智能化：增强的数据处理 自治化：容错性 多样化：尽可能感知周围感兴趣 的物质现象 密集性：抵抗敌意和恶意破坏 灵活性：快速构建信息基础设施 自组织：鲁棒性 多跳性：低能耗 Embedded Networked Control system w/ Small form factor Untethered nodes Exploit collaborative Sensing, action Sensing Tightly coupled to physical world
传感器网络的应用：军事（1） 撒“豆”成“兵” 非常适合应用在恶劣的战场环境 监控兵力、装备和物资 监视冲突区 侦察敌方地形和布防 定位攻击目标 评估损失 侦察和探测核、生物和化学攻击 撒“豆”成“兵”
传感器网络的应用：军事（2） 传感器网络在军事应用中的优势 分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比 低成本、高冗余的设计提供了较强的容错能力 节点与探测目标的近距离接触消除了环境噪声对系统性能的影响 节点中多种传感器的混合应用提高了探测的性能指标 多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域 个别移动节点对拓扑结构的调整有效消除了探测阴影和盲点
传感器网络的应用：商业 医疗保健 环境监测 灾难拯救
无线传感器网络体系结构
传感器节点 传感器节点 是微型化的嵌入式系统，构成了传感网的基础层支持平台。 典型的传感器节点由数据采集的感知模块、数据处理和存储模 块、无线通信模块和节点供电的电源供给模块4个部分组成， 感知模块由传感器、A/D转换器组成，负责感知监控对象的信息； 能源供给单元负责供给节点工作所消耗的能量，一般为小体积的电 池； 无线通信模块完成节点间的交互通信工作，一般为无线电收发装置； 数据处理模块包括存储器和微处理器等部分，负责控制整个传感器 节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据。 同时，有些节点上还装配有能源再生装置、移动或执行机构、定位 系统及复杂信号处理（包括声音、图像、数据处理及数据融合）等 扩展设备以获得更完善的功能。 9
Wireless communication with neighboring nodes Event detection In-node processing Wireless communication with neighboring nodes Event detection Acoustic, seismic, image, magnetic, etc. interface Electro-magnetic interface sensors CPU radio battery Limited battery supply Energy efficiency is the crucial h/w and s/w design criterion
Wireless and Digital Interfaces 传感器节点硬件参考架构 Processor RAM Flash GPS Address/Data Bus DSP Preprocessor Multi- Channel Sensor Interface Analog Front End Imager Module Modular Wireless and Digital Interfaces RF Modem 1 2 Digital I/O 10/100 Ethernet Ref: based on material from Sensoria slides
有汇聚节点（可能多个），因此路由与一般的Ad-Hoc网络有差别 汇聚节点(sink) 汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对传感器 节点更强 它连接着传感网与互联网等，实现两种协议栈协议之间 的转换，同时发布管理节点的监测任务，并将收集到的 数据转发到外部网络上。 汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有 足够的能量提供给更多的内存与计算资源； 也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特定网关 设备。 有汇聚节点（可能多个），因此路由与一般的Ad-Hoc网络有差别 12
WSN基本特点—节点的特点 廉价：每个节点的期望价格在一美元左右 体积小：火柴盒或硬币般大小 重量轻：小于100克 移动通信--概述 WSN基本特点—节点的特点 廉价：每个节点的期望价格在一美元左右 体积小：火柴盒或硬币般大小 重量轻：小于100克 能量有限：两节五号电池或纽扣电池供电 无线通信能力：能够用无线电、红外线、蓝牙、超声 波等通信，带宽低，干扰大 计算能力：几百兆赫兹的处理器 存储能力：几兆或几百兆的存储空间 感知能力：具有一个或几个传感器 软件环境：TinyOS是专为传感器节点开发的操作系统 由于传感器网络常部署于地面，受地面障碍物、植被等干扰，无线通信的距离一般较短，通信干扰大，链路质量差，传输速率低。 可见，每个传感器节点的能力（资源）是非常有限的，单个传感器节点的作用很小，但是如果将大量这样的节点以适当方式组成网络，并将它们的输出有机地关联与融合，整个网络可提供远高于单个节点的强大功能。 移动通信--概述
WSN基本特点—传感器网络的特点 节点大多固定 一般数量大，密度高 拓扑动态变化(节点休眠、唤醒、失效引起) 移动通信--概述 WSN基本特点—传感器网络的特点 节点大多固定 也有较大移动的，比如野生动物监测，但很难采用多跳方式 一般数量大，密度高 拓扑动态变化(节点休眠、唤醒、失效引起) 节点同构，或只有少量特殊节点（如sink）； 分布式： 没有预先指定的中心，所有节点通过分布式算法相互协调； 自组织： 传感器网络的部署和初始化等不需要外界干预； 节点资源受限，特别是能量非常有限； 与应用紧密耦合。 放置在野外环境的传感器节点很容易受恶劣环境影响而失效，或因为电池耗尽而死亡，而替换失效的节点往往不可能或代价很高，因此人们一般会在监视区域中放置大量的节点，通过节点的冗余部署来提高网络的生存能力和可用性。 以下各种原因都可能导致无线传感器网络的拓扑发生改变：(1)出于节能和减少传输冲突的考虑，传感器节点定期在工作状态和睡眠状态之间切换；(2)节点可能因故障、电源耗尽、链路中断等原因与其它节点断连；(3)网络中可能会补充一些新的节点；(4)部分节点具备移动的能力。由于传感器网络通常缺乏集中式控制机制，因此传感器节点必须具有自组织能力，能够自动完成网络的初始化过程并适应网络拓扑的改变。 大部分传感器节点靠电池供电，能量非常有限，而庞大的节点数目以及节点部署的环境（如野外、内嵌建筑物内）往往使得更换电池不可能，因此传感器节点的能量水平决定了网络的寿命。传感器节点微小的体积也导致了它的计算能力和存储容量很有限，不能进行复杂的计算和存储大量的数据，节点的无线通信带宽通常也只有几百Kbps。传感器网络中各种协议及算法的设计都必须以节能为第一要旨，其中特别重要的是要尽量减少网络中的通信量，因为通信消耗的能量最大。 部署无线传感器网络的目的是监视物理环境，从中获得用户感兴趣的信息，因此用户关心的是从网络中获取的信息而不是网络本身。以数据为中心是无线传感器网络区别于传统通信网络的最大特点。另外，为减少冗余传输、数据融合等需要，节点具有数据处理的能力，这也是不同于传统通信网络的特点。 应用相关也是传感器网络区别于传统网络的一个重要特点。传感器节点有限的能力及电源供应决定了传感器网络不适宜作为一个提供通用服务的网络系统，加上监视应用严格的实时性要求，传感器网络必须与特定应用紧密耦合才能设计出一个高效的应用系统。 因此，跨层设计在传感器网络中是一个必然的选择。 移动通信--概述
传感器网络与自组网（Ad hoc）的不同 节点规模： 节点密度： 拓扑变化的原因： 节点处理能力： 移动自组网：节点数量通常在几十或上百 移动通信--概述 传感器网络与自组网（Ad hoc）的不同 节点规模： 移动自组网：节点数量通常在几十或上百 传感器网络：节点数目往往高出好几个数量级 节点密度： 移动自组网：小 传感器网络：大（冗余部署的结果） 拓扑变化的原因： 移动自组网：节点运动 传感器网络：节点休眠调度、环境干扰或节点故障引起 节点处理能力： 移动自组网：较强 传感器网络：十分有限 虽然无线传感器网络在一定程度上类似于无线自组网，但是两者在规模、节点密度、网络拓扑及无线通信方式等方面有着很大的不同。 无线自组网的节点数量通常是几十或上百，而无线传感器网络的节点数目往往要高出好几个数量级。 无线自组网的拓扑变化主要由节点的运动引起，而传感器网络中的节点大部分是固定不动的，拓扑变化主要由节点的休眠调度、环境干扰或者节点故障引起。 无线自组网中的节点相比，传感器节点的处理能力、存储能力和通信能力都十分有限。 所以，移动自组网中的协议与算法往往并不适合无线传感器网络。 移动通信--概述
面临的设计挑战 容错性、安全和抗干扰： 扩展性 生产成本 硬件限制 实时性： 节点间协作： 抵抗单点失效和有意破坏 节点具有很好的抗干扰性，节点数据不易被截获 扩展性 节点密度 生产成本 硬件限制 体积小 携带能量有限，处理能力和存储能力有限 实时性： 及时反映监控区域事件的变化，如交通事故报告。 节点间协作： 节点协作通信工作完成一项任务，包括网络协作和数据协作
面临的设计挑战（2） 功率控制 低功耗网络协议的设计 系统能量管理 可再生能源，如配备太阳能电池 MAC、Routing、Application 系统能量管理 TinyOS 能量管理 拓扑控制 可再生能源，如配备太阳能电池
传感器网络的研究内容 传 感 器 网 络 应 用 系 统 研 究 传 感 器 网 络 研 究 校准 定位算法 人机接口 目标 辨识 算法 时间同步机制 协同探测 信息融合算法 拓扑控制 移动控制 覆盖与连通性 Sink 链路 网络 自组织 系统能量 管理 数据存 贮与管理 网络 协议机制 安 全 短程 无线 网络体系结构 嵌入式系统设计 传感器技术 传 感 器 网 络 研 究
物理层和MAC层 可选物理层技术 短程无线通信(RF) Bluetooth IEEE802.11 IEEE802.15.4与ZigBee TR3000, CC1000 Bluetooth 主从式 IEEE802.11 改进MAC,周期性侦听(SMAC) 公平性 IEEE802.15.4与ZigBee
MAC协议设计面临的问题 核心问题是节能，在此基础上保证网络性能 空闲监听/休眠管理： 冲突（碰撞）： 串扰（串音）： 控制开销： 因为节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必须始终保持自己的 射频部分处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损耗； 冲突（碰撞）： 如果两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败， 发送包被丢弃，此时用于发送这些数据包所消耗的能量就浪费掉； 串扰（串音）： 出于无线信道为共享介质，因此，节点也可以接收到不是到达自己的 数据包，然后再将其丢弃，此时，也会造成能量的耗费。 控制开销： 为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如RTS/CTS，虽然没 有数据在其中，但是我们必须消耗一定的能量来发送它们； 核心问题是节能，在此基础上保证网络性能
可扩展性 网络效率 算法复杂度 与其他层协议的协同 由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感器网络生存过程中不断 变化，节点位置也可能移动，还有新节点加入网络的问题，所以无线 传感器网络的拓扑结构具有动态性。MAC协议也应具有可扩展性，以 适应这种动态变化的拓扑结构。 网络效率 网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。 算法复杂度 MAC协议要具备上述特点，众多节点协同完成应用任务，必然增加算 法的复杂度。由于无线传感器网络的节点计算能力和存储能力受限， MAC协议应该根据应用需要，在复杂度和上述性能之间取得折中。 与其他层协议的协同 无线传感器网络应用的特殊性对各层协议都提出了一些共同的要求， 如能量效率、可扩展性、网络效率等，研究MAC协议与其他层协议的 协同问题，通过跨层设计而获得系统整体的性能优化。
MAC协议机制分类 根据信道访问策略的不同 根据使用单一共享信道还是多信道 其它 竞争协议、调度协议、混合 MAC 协议 通信类型 天线的种类 QoS …
各种MAC协议方案的比较 协议方案 出现时间 类型 需要精确同步 信道接入机制 SMAC 2002 竞争型 否 CSMA TMAC 2003 PMAC 2005 WiseMAC 2004 Sift SMACS 2000 分配性 是 TDMA/FDMA TRAMA TDMA/CSMA DMAC TDMA/Sloted ALOHA ZMAC 混合性
路由协议概述—路由协议功能 定义 WSN不适合采用通用的路由协议 WSN路由协议是一套将数据从源节点传输到目的节 点的机制 能耗 WSN是无基础设施的网络，一般用电池供电、无人看守，电 池不能补充，要延长网络寿命就必须降低能耗。 计算复杂度。 能耗主要用户数据无线传输上，所以单跳传输距离不能太远， 要实现WSN大范围覆盖，就需要多跳中继，即路由
WSN路由协议要求 要求 能量高效（协议简单&节省能量&均衡消耗） 可扩展性（网络范围 & 节点密度） 鲁棒性（节点变化 & 拓扑变化） 快速收敛性 （在移动的节点时，更需要快速收敛） 低网络开销 （内存、计算复杂度、节能） 网络高吞吐率 满足应用需求 （WSN路由与应用相关）
传感器网络路由协议的挑战 自组织布撒（Ad hoc deployment） 能量消耗（Energy consumption ） 路由精度（Routing accuracy） 计算能力（Computation capabilities） 通信能力（Communication tolerance） 容错能力（Fault tolerance） 可扩展性（Scalability） 控制负载（Control overhead，带宽有限，重载情 况下，如何保证QoS）
WSN路由协议需考虑的问题 考虑网络和节点能量优化 具有高可扩展性 网络拓扑变化 传感器网络路由中使用数据融合技术（数据为中心） 节点能量限制，大部分能量用于通信，所以研究低功耗的通信协议，尤其是 路由协议 具有高可扩展性 网络规模，节点上千个，节点越多，路由收敛越慢、路由越不稳定，Ad Hoc的路由不能照搬 网络拓扑变化 节点移动、失效 & 无线信道 & 规模大，拓扑变化频繁，如何建立快速收敛、 复杂度低的路由？ 传感器网络路由中使用数据融合技术（数据为中心） 传统网络以点对点通信，保证数据“完整无误”，WSN强调数据汇聚，为了 降耗，每个节点可能都会进行数据融合，减小通信量 传感器网络中流量分布不对称 数据收集网络&多源单Sink，越接近Sink，流量越大 其他：冗余设计、定位、覆盖性、QoS等
路由 MANET Routing 结论 部分研究项目在沿用 不是理想的选择：数据和应用为中心的目标 DSR (Dynamic Source Routing) AODV (Ad hoc Demand Distance Vector) … 结论 部分研究项目在沿用 不是理想的选择：数据和应用为中心的目标
路由 平面路由技术 洪泛路由（Flooding）： ①存在信息爆炸(Implosion)问题，即出现一个节点可能得到 一个数据多个副本的现象； ②出现部分重叠(Overlap)现象，如果处于同一观测环境的两 个相邻同类传感器节点同时对一个事件作出反应，二者采集的 数据性质相同，数值相近，那么，这两个节点的邻居节点将收 到双份数据副本； ③盲目使用资源，即扩散法不考虑各节点能量可用状况因而无 法作出相应的自适应路由选择。
路由 Gossiping(Flooding协议的改进) 原理： 优点： 缺点： 当节点收到数据包时，只将数据包随机转发给与其相邻的节点的某一个节点或几个，而不是所有节点。 优点： 降低了数据转发重叠的可能性，避免信息内爆； 缺点： 点到点的时延较大 由于随机转发某一个节点的方向并不一定在距离目的节点更近的方向上，因此容易造成数据到达目的节点时间过长或者跳数己达到最大，而数据还没有到达目的节点，造成递送失败。
SPIN协议（sensor protocol for information via negotiation） 最早的以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制来解决 洪泛算法中的“内爆”和“重叠”问题，节省了能量的消耗。 思想： 为了避免出现扩散法的信息爆炸问题和部分重叠现象，传感器节点 在传送数据之前彼此进行协商，协商制度可确保传输有用数据； 节点间通过发送元数据（即描述数据属性的数据，meta-data，大 小小于采集的数据），而不是采集的整个数据进行协商； 节点根据自身能量情况决定自己的角色。 数据包类型，即ADV、REQ和DATA 用ADV宣布有数据发送 用REQ请求希望接收数据 用DATA封装数据
1.在发送一个DATA数据包之前，一个传感器节点首先对向邻居节点广播 ADV数据包； 2.如果一个邻居节点在收到ADV后有意愿接收该DATA数据包，那么它向 该节点发送一个REQ数据包，接着节点向该邻居节点发送DATA数据包； 3.类似地进行下去，DATA数据包可被传输到远方汇节点或基站。
SPIN协议还包括了4个协议： SPIN-BC：适合于广播信道的SPIN协议 SPIN-PP：适合于点对点信道的SPIN协议 SPIN-EC：在SPIN-PP基础上增加了能量限制 SPIN-RL：考虑信道上存在分组丢失的SPIN协议
SPIN协议的优点： SPIN协议的不足： 1.小ADV消息减轻了内爆问题; 2.通过数据命名解决了交叠问题； 当产生或收到数据的节点的所有邻节点都不需要该数据时，将导致 数据不能继续转发，以致较远节点无法得到数据； 当某sink点对任何数据都需要时，其周围节点的能量容易耗尽。
Directed Diffusion 思路： Sink节点周期性地广播一种称为“兴趣”的分组，告诉其 他节点，我要收集什么兴趣。兴趣在扩散的过程中也反向 建立了路由路径，与“兴趣”匹配节点通过路径传送数据 到Sink节点。 因此适用于对称信道
Directed Diffusion 三个阶段： 兴趣扩散（采用泛洪）； 梯度建立（反向建立）； 强化路径（Sink节点会收到多条路径，选最优路径，进行加强，以后的数据按照加强路径传送）
Directed Diffusion Sink节点查询兴趣消息 兴趣的定义： 兴趣消息采用泛洪的方法传播到网络 有和兴趣匹配数据的节点发送数据 兴趣扩散阶段建立节点到Sink的路径 兴趣的定义： 由属性值对组成 type = four-legged animal // detect animal location interval = 20 ms // send back events every 20 ms duration = 10 seconds // .. for the next 10 seconds rect = [-100, i00, 200, 400] // from sensors within rectangle
兴趣和梯度 Sink节点向全网查询兴趣 邻居更新自己的兴趣cache，并且转发 兴趣cache中的条目(兴趣表项) 兴趣在全网中扩散 对每一个活动任务，Sink周期进行查询 邻居更新自己的兴趣cache，并且转发 兴趣cache中的条目(兴趣表项) 时间戳：指示接收到相关兴趣消息的最近时间 若干梯度域：每个梯度和其邻居节点相关联 （每条表项有多个梯 度域） 一个梯度标示一个邻居 每个梯度中含有一个指定的数据传输率 持续时间：该兴趣消息的有效期
Directed Diffusion 查询消息的传播—建立数据的传输梯度 Sink节点发送查询消息 兴趣消息：任务性质、数据采集/发送速率、时间戳等 中间节点：记录、转发 梯度：表示了数据的传输方向
DD协议评价 优点 缺点 数据中心路由，定义不同任务类型/目标区域消息； 路径加强机制可显著提高数据传输的速率； 周期性路由：能量的均衡消耗； 缺点 周期性的洪泛机制---能量和时间开销都比较大； Sink周期性广播，不适用于大规模网络 ； 节点需要维护一个兴趣消息列表，代价较大。
路由 层次性路由技术
路由 LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy） 随机选择一个传感器节点作为簇 头节点(cluster head node)， 随机性确保簇头与基站之间数据传 输的高能耗成本均匀地分摊到所有 传感器节点。 簇头节点广播这一消息，其余节 点选择加入信号最强的簇头，节 点通过一跳通信将数据传送给簇 头，簇头也通过一跳通信将聚合 后的数据传送给sink节点。
簇头选举算法 每个传感器节点选择[0，1]之间的一个随机数，如果选定 的值小于某一个阈值，那么这个节点成为簇头节点，计算 如下： N表示网络中传感器节点的个数， k为一个网络中的簇头节点数， r为已完成的回合数， G为网络生存期总的回合数。
LEACH协议的优点： LEACH协议的不足： 随机选择簇头，平均分担路由业务，减小了能耗 ①不适合大范围的应用； ②集群分组方式带来了额外开销以及覆盖问题； ③仅适用于每个节点在单位时间内需要发送的数据量基本 相同的情况，而不适合突发数据通信。
WSN的其它关键技术 网络拓扑控制 时间同步 定位技术 数据融合 数据管理
（1） 网络拓扑控制 拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由 协议和MAC协议的效率。 拓扑控制主要的研究问题 功率控制机制 调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，减少节 点的发送功率，均衡节点单跳可达的邻居数目； 层次型的拓扑控制 利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并 转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休 眠状态以节省能量； 节点唤醒和休眠机制。
拓扑控制 目标:能量优化
（2） 时间同步 时间同步是需要协同工作的无线传感器网络系统的一个关 键机制。 传统时间同步机制 NTP(Network Time Protocol)协议 Internet上广泛使用的网络时间协议，但只适用于结构相对稳定、链路 很少失败的有线网络系统 GPS系统 能够以纳秒级精度与世界标准时间UTC保持同步； 需要配置固定的高成本接收机； 在室内、森林或水下等有掩体的环境中无法使用GPS系统。 结论：NTP、GPS都不适合应用在无线传感器网络中。
（2） 时间同步 WSN时间同步机制 RBS TINY/MINI-SYNC TPSN 基于接收者-接收者的时钟同步：一个节点广播时钟参考分组，广播 域内的两个节点分别采用本地时钟记录参考分组的到达时间，通过 交换记录时间来实现它们之间的时钟同步。 TINY/MINI-SYNC 简单的轻量级的同步机制：假设节点的时钟漂移遵循线性变化，那 么两个节点之间的时间偏移也是线性的，可通过交换时标分组来估 计两个节点间的最优匹配偏移量。 TPSN 采用层次结构实现整个网络节点的时间同步：所有节点按照层次结 构进行逻辑分级，通过基于发送者-接收者的节点对方式，每个节点 能够与上一级的某个节点进行同步，从而实现所有节点都与根节点 的时间同步。
（3） 定位技术 节点定位问题即根据少数已知位置的节点，按照某种定位 机制确定自身的位置。 一般是5％到10％的节点带有定位系统(这种节点称为锚节点或灯塔 节点)，可以通过携带GPS定位设备等手段获得自身的精确位置。 无线传感器网络定位通常会使用三边测量法、三角测量法 或极大似然估计法确定节点位置。 根据定位过程中是否实际测量节点间的距离或角度，把无 线传感器网络中的定位分类为基于距离的定位和距离无关 的定位。
三角测量法 三边测量法、多边测量法 多边测量法中拥有至少n个方程来估算n个变量。 例如，当三个信标节点的位置（Xi，Yi）和一个点到它们的距离是已知时，则： (x-x1) 2+(y-y1) 2=d12 (x-x2) 2+(y-y2) 2=d22 (x-x3) 2+(y-y3) 2=d32
定位算法需要具备以下特点 自组织性 健壮性 能量高效 分布式计算 传感器网络的节点随机分布，不能依靠全局的基础设施协助定位。 传感器节点的硬件配置低、能量少、可靠性差，测量距离时会产生 误差，算法必须具有较好的容错性。 能量高效 尽可能地减少算法中计算的复杂性，减少节点间的通信开销，以尽 量延长网络的生存周期。通信开销是传感器网络的主要能量开销。 分布式计算 每个节点计算自身位置，不能将所有信息传送到某个节点进行集中 计算。
（4） 数据融合 数据融合技术 数据融合技术可以与无线传感器网络的多个协议层 次进行结合。 利用节点的本地计算和存储能力、数据处理融合能力， 去除冗余信息，从而达到提高数据收集效率、节省能量， 提高信息的准确度的目的。 数据融合技术可以与无线传感器网络的多个协议层 次进行结合。 在应用层设计中，可以利用分布式数据库技术，对采集 到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果； 在网络层中，很多路由协议均结合了数据融合机制，以 期减少数据传输量。
（4） 数据融合 数据融合技术在节省能量、提高信息准确度的同时， 要以牺牲其他方面的性能为代价。 延迟 鲁棒性 在数据传送过程中寻找易于进行数据融合的路由、进行数据 融合操作、为融合而等待其他数据的到来，这三个方面都可 能增加网络的平均延迟。 鲁棒性 无线传感器网络相对于传统网络有更高的节点失效率以及数 据丢失率，数据融合可以大幅度降低数据的冗余性，但丢失 相同的数据量可能损失更多的信息，因此相对而言也降低了 网络的鲁棒性。
（5） 数据管理 无线传感器网络中数据的存储采用网络外部存储、本地存储和 以数据为中心的存储三种方式。 数据管理系统的结构主要有集中式、半分布式、分布式以及层 次式结构，目前大多数研究工作均集中在半分布式结构方面。 从数据存储的角度来看，无线传感器网络可被视为一种分布式 数据库。但与传统的分布式数据库也存在差别： 由于传感器节点能量受限且容易失效，数据管理系统必须在尽量减 少能量消耗的同时提供有效的数据服务。 无线传感器网络中节点数量庞大，且传感器节点产生的是无限的数 据流，无法通过传统的分布式数据库的数据管理技术进行分析处理。 无线传感器网络数据的查询经常是连续或随机抽样的查询，这也使 得传统分布式数据库的数据管理技术不适用于无线传感器网络。
IEEE 802.15.4标准 目标：为在个人操作空间内相互连通的无线设备 提供通信标准 IEEE 802.15任务组，专门从事WPAN标准化工作 TG1：制定IEEE 802.15.1标准（蓝牙无线个人区域网 络标准）；中等速率、近距离的WPAN网络标准 TG2：制定IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与 IEEE 802.11（无线局域网标准）的共存问题 TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率WPAN 标准 TG4：制定IEEE 802.15.4标准，研究低速WPAN标准
IEEE 802.15.4标准的特征 四种不同传输速率 支持星型和点到点两种拓扑结构 在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址 20kbps、40kbps、100kbps、250kbps 支持星型和点到点两种拓扑结构 在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址 16位地址是由协调器分配的 64位地址是全球唯一的扩展地址 采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoidance， CSMA-CA）的信道访问机制 支持ACK机制以保证可靠传输 低功耗机制，信道能量检测，链路质量指示
IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4标准网络：在一个POS(personal operating space)内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信 的设备集合 全功能设备（FFD）和缩减功能设备（RFD） 协调器： 与RFD相关联的FFD设备 成员身份管理、链路信息管理、分组转发 FFD 设备可提供全部的 IEEE 802.15.4 MAC 服务，可充当任何 ZigBee 设备，因此 FFD 设备不仅可以发送和接收数据，还具备路由功能；而 RFD设备只提供部分的 IEEE 802.15.4 MAC 服务，只能充当终端节点，不能充当协调点和路由节点，因此它只负责将采集的数据信息发送给协调点和路由节点，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。
IEEE 802.15.4 星型拓扑 所有设备都与中心设备 PAN网络协调器通讯 网络协调器持续供电， 其他设备电池供电 适合家庭自动化、个人 计算机外围设备、个人 康护护理等小范围的室 内应用 星型拓扑结构
IEEE 802.15.4 点到点拓扑 任何两个设备之间都可以 通讯； 网络协调器负责管理链路 状态信息、认证设备身份 等功能； 允许多跳路由的方式传输 数据； 适合于设备分布范围广的 应用（工业检测与控制）。 点到点拓扑结构
ZigBee概述 ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低 数据速率、低成本的无线网络技术； ZigBee依据IEEE 802.15.4标准，802.15.4的物理 层采用直接序列展频技术。在MAC层主要沿用标准的 CSMA/CA方式，以提高系统兼容性； 可使用频段有2.4GHz（全球ISM）、欧洲868MHz 频段、以及美国的915MHz频段，不同频段可使用的 信道分别是16、1、10个； 目前定义的主要应用领域包括电力、家庭和楼宇自动 化、医用设备控制等。
Star / Mesh / Cluster-Tree ZigBee的协议结构 ZigBee是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术； IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对网络层协议和API进行了标准化。 Customer PHY 868MHz / 915MHz / 2.4GHz MAC Network Star / Mesh / Cluster-Tree Security 32- / 64- / 128-bit encryption Application API ZigBee Alliance IEEE 802.15.4 Silicon Stack App Zigbee网络层支持Tree、Z-AODV、Tree + Z-AODV等多种路由算法。 Z-AODV算法是针对AODV（Ad hoc按需距离矢量路由协议）算法的改进，AODV是基于序列号的路由，它总是选择最新的路由。Z-AODV是基于路径的能量消耗的路由，考虑到节能、应用方便性等因素，简化了AODV的一些特点，但仍保持AODV的原始功能。 树型路由机制包括配置树型地址和树型地址的路由。当协调器建立一个新的网络，它将给自己分配网络地址0，网络深度Depth0=0。如果节点（i）想要加入网络，并且与节点（k）连接，那么节点（k）将称为节点（i）的父节点。根据自身的地址Ak和网络深度Depthk，节点（k）将为节点（i）分配网络地址Ai和网络深度Depthi=Depthk+1。网络深度表示仅仅采用父子关系的网络中，一个传送帧传送到ZigBee协调器所传递的最小跳数。ZigBee协调器自身深度为0，而它的子设备深度为1。
ZigBee的网络拓扑 星型 网状型 树型 网络协调器 全功能设备 (FFD Router) 精简功能设备 (RFD) 精简功能设备 (RFD)：只支持星型结构，不能成为协商者，可以和FFD通信，实现简单
6LoWPAN 6LoWPANs：IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks IETF于2004.11正式成立6LoWPAN工作组，制订基于 IPv6的低速无线个域网标准，旨在将IPv6引入以IEEE 802.15.4作为底层标准的无线个域网中 已制定出关于综述和协议适配的标准草案RFC4944和 RFC4919，提出了一些关于报头压缩、邻居发现、安全、 移动性管理等方面的草案
6LoWPAN的优势 普及性 适用性 更多地址空间 IP网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的IPv6，也在加速其 普及的步伐，在LR-WPAN（无线个人区域网）中使用IPv6更易于 被接受； 适用性 IP网络协议栈架构受到广泛的认可，LR-WPAN网络完全可以基于 此架构进行简单、有效地开发； 更多地址空间 IPv6应用于LR-WPAN最大亮点就是庞大的地址空间。这恰恰满足 了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要；
6LoWPAN的优势 支持无状态自动地址配置 易接入 易开发 IPv6中当节点启动时，可以自动读取MAC地址，并根据相关规则 配置好所需的IPv6地址； 这个特性对传感器网络非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不 可能对传感器节点配置用户界面，节点必须具备自动配置功能。 易接入 LR-WPAN使用IPv6技术，更易于接入其他基于IP技术的网络及下 一代互联网，使其可以充分利用IP网络的技术； 易开发 目前基于IPv6的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对LR- WPAN的特性对这些技术进行适当的精简和取舍，简化了协议开发 的过程。 IEEE802.15.4规定了WSN的物理层和MAC层，在MAC层以上的协议最流行的主要是ZigBee和6LowPan，当然也包括了众多专用协议。相比6LowPAN，ZigBee发展较为迅速。由于参与公司众多且大多各自为阵，所以以ZigBee标准下开发的路由协议也多种多样。 1. Z-Stack为现在较为流行和成熟的ZigBee协议，但其并非开源且受到硬件限制。 2. SimpliciTI 为专用协议，是现有低级别协议实施的范例，设计人员在开发时间有限、网络拓扑简单的应用时可以用来实施。 3. FreakZ为开源的ZigBee协议，跟其他开源ZigBee协议一样大多成熟度不高且开发人员少，很难做成产品。 4. 6LowPAN延袭了TCP/IP协议，由于出现较晚等原因发展的不如ZigBee协议流行，但因为其开源且能够与因特网无缝对接，所以基于该协议的研究越来越火。 6LowPAN与ZigBee的对比： 1. 与因特网的兼容性。ZigBee和6LowPAN协议都需要网关才能接入因特网与上位机通信，但ZigBee相比6LowPAN协议，其网关受到自身协议约束往往需要更复杂的软件和硬件支持， 2. 数据包大小。6lowpAN相比ZigBee协议具有更加精简的数据头信息。 3. 为了通信协议的发展必将是两者融合的产物。
硬件平台 Crossbow专业套件 套件内容 ● 6个传感器节点 （SN2040/SN9040/SN4040) ● 1个基站 （BU2400/BU900/BU400) ● 1个数据采集板 （MDA320) ● 1个USB编程板 （MIB520) ● 1个WSN套件CD
网络结构
传感器节点 处理器/射频板 传感器板 MTS400多传感器板 数据采集板 IRIS模块支持低功耗的无线传感器网络测量系统。支 持868/915 MHz、433 MHz和2.4GHz频段 传感器板 MTS400多传感器板 包含温度、湿度、大气压力和环境光等传感器 数据采集板 MDA320是一款高性能数据采集板，具有8通道16 位ADC模拟输入
Crossbow IRIS IEEE802.15.4/6LoWPAN协议RF发送器 2.4-2.4835 GHz，全球兼容的ISM波段 250 kbps数据传输率 可运行TinyOS 1.1.7或更高版本，包括Crossbow可靠的mesh网络软件操作平台，也可以运行Contiki2.4 即插即用，可连接Crossbow所有传感器板、数据采集板、网关和软件
基站 处理器/射频板 USB PC接口板 USB编程板 IRIS模块与USB PC网关接口成为基站。 MIB520具有USB接口，用于数据通信。 USB编程板
监控软件 MoteView客户端 可绘制历史和实时的监测数据 提供拓扑图、数据输出功能、节点编程 提供对无线传感器网络发送命令
网络平台系统 演示管理 网络协调器 网关 MIB520 6LoWPAN 数据 节点设备
操作系统 TinyOS 是一款开源的嵌入式操作系统，它基于一种组件 （Component－Based）的架构方式，使得能够快速实现各 种应用； 它的首先出现是做为UC Berkeley和Intel Research合作 实验室的杰作，用来嵌入智能微尘当中，之后慢慢演变成 一个国际合作项目，即现在的TinyOS联盟； 它设计之初的目的是制作一个专属WSN的操作系统，但由 于良好的可扩展性和足够小的代码尺寸，TinyOS在物联网 的应用领域中也占有非常重要的地位。
Contiki Contiki是瑞典计算机科学研究所Adam Dunkels等人专为 内存资源非常有限的嵌入式系统如网络传感器节点等开发的 一个多任务操作系统； Contiki完全用C语言写成,源代码开放（遵循BSD协议）,支 持网络互联,具有高度的移植性,代码量非常小,支持从8位微 控制器构成的嵌入式系统到老式的8位家用电脑； Contiki包括一个多任务核心、TCP/IP 、程序集以及低能耗 的无线通讯堆栈； 使用uIP协议栈实现本地TCP/IP协议,可以在直接相连的终端 和通过网络相连的终端(如虚拟网络计算机和Telnet)上实现 图形化界面系统。
面临的问题与挑战 1.新型传感器与传感装置： 2.无线网络技术： 无线传感技术与系统的微型化技术 智能无线传感技术 能量获取技术 通信与组网技术 基础服务与网络管理技术 网络规划与部署技术
3.计算能力 4.感知能力 5.处理能力 嵌入式处理器性能、存储器容量、能耗限制 能源优化、系统复杂性优化 大规模、分布式、多属性 动态管理、协同控制 5.处理能力 海量、实时流数据 分布式存储、分级处理、动态分析与挖掘
物联网简介
物联网发展 IBM 提出“智慧地球” U-Japan 战略 感知中国 近三分之一应用与物联网概念有关 U-Korea 战略 《ITU 互联网报告2005：物联网》 物联网行动计划 首家以物联网为宣传语的通信企业 物联网的提出 1998 2004 2005 2008 2009-6 2009-8 2009-9 2011
物联网概念 1998，MIT的Kevin Ashton 首次提及 Internet of things 将RFID技术与传感器技术应用于日常物品中将会创建一个“物联 网”，这项技术将带来人们对机器理解的新纪元 2005，ITU发表 报告 The Internet of Things 物联网是通过RFID和智能计算等技术实现全世界设备互连的网络 2008，欧委会的CERP-IOT工程给出新的物联网定义 物联网是物理和数字世界融合的网络，每个物理实体都有一个数字的 身份；物体具有上下文感知能力―他们可以感知、沟通与互动。他们 对待物理事件进行即时反映，对物理实体的信息进行即时传送；使得 实时作出决定成为可能 Wikipedia 所谓“物联网”（Internet of Things），指的是将各种信息传感设 备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光 扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络
物联网概念 2009年8月7日，温家宝总理到中科院无锡高新微纳传感 网工程技术研发中心考察，提出建设“感知中国”中心 2009年11月13日，国务院正式批准同意支持无锡建设国 家传感网创新示范区（国家传感信息中心） 2010年政府工作报告中对物联网的定义：通过信息传感 设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来， 进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、 监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展 的网络。
物联网概念 通过信息传感设备，按照约定的协议 把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯 实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络 接入网 物联网 射频识别 RFID 条码 二维码 传感网 WSN 短距离 无线网络 实时定 位系统 下一代互联网 Internet 通过信息传感设备，按照约定的协议 把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯 实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络
无线传感器网络与物联网 无线传感器网络为物联网奠定了传感和监控的技术 基础 物联网是广义联网的无线传感器网络 物联网不仅仅感知，还要做到控制 物联网面临更多的技术挑战：端到端寻址和路由， 控制方法和模型、安全性、海量信息的高效处理模 型…
技术需求 数以亿计的智能设备，将导致海量的数据传输和存储，需要我们重新审视现有的网络体系和存储结构 设备小型化 能量自供 资源自治 体系结构 数以亿计的智能设备，将导致海量的数据传输和存储，需要我们重新审视现有的网络体系和存储结构 当前技术仍不足以解决智能设备的能量受限问题，需要设计低能耗芯片，甚至能够自供能量的设备 智能设备广泛应用，嵌入到各种物体上，需要智能设备更加小型化，向单晶体管实现智能设备目标迈进 系统复杂性的显着增加，使得维护和管理更加困难，需要系统资源具有自配置，自管理和自恢复等功能
物流 自动化仓库 自动化运输 供应链商业模式变化 自动检测物品的出入，向供货商 自动发送订单 物品上的电子标签根据后台系统 信息，自动选择合适路径 供应链商业模式变化 用户直接通过物联网向商品本身 发订单。用户不在是向一个生产 商定购大宗的商品，而是按照用 户的订单顺序从不同的生产商购 买商品
智能家居 维持室内合适的温度和热水器水温，减少能源浪费，智能 机器人自动完成清洁和维护等日常工作，房间的智能系统 能学习主人的生活习惯。。。 一种未来的生活愿景——身在外，家就在身边；回到家， 世界就在眼前；
智能交通 实时获取路况信息，监视和控制交通流量 可以实现车辆与网络相连，优化行车路线 可以无缝地检测、标识车辆并收取行驶费用
环境监测 蓝藻集聚的地点、集聚情况会自动发到打捞人员手机上，打捞 船、车以及运藻船第一时间就会赶去处理 指挥控制室的大屏幕上，能看到采用太阳能板、安置传感芯片 和摄像头的球状浮标，获悉该点的温度、pH值、氨氮等指标
医疗物联网 体内智能诊断设备，有 助于疾病的早期诊断， 增强康复效果 生物降解材料的智能设 备，能够检测体内温度 湿度，防止皮肤问题 新型个人医疗设备，使 得病人在家即可接受医 疗，远程医疗可避免昂 贵路费 家庭中的智能设备，在 老人出现意外时发出求 助信号
机场防入侵系统 浦东国际机场防入侵系统铺设了3万多个传感节点，覆 盖了地面、栅栏和低空探测，可防止人员的翻越、偷 渡、恐怖袭击等攻击性入侵
路灯控制系统 济南园博园园区所有功能性照明都采用了ZigBee 无线技术达成的无线路灯控制，节能环保
世博会门票 纸质门票 手机门票 基于RFID技术，以无线方式与遍 布园区的传感器交换信息 安全防伪，快速验票；跟踪查询， 人员分流 用户使用的RFID-SIM卡，是基于 RFID技术，以手机SIM卡为载体实 现的一种全新电子票 可直接购买附带门票信息的SIM卡， 或通过网上下载写入SIM卡 “刷”手机即可入园
世博园便利店 每一盒在售的盒饭都被贴上一个薄薄的RFID电子标签， 记录食品来源信息，增加食品安全，保障了消费者权益 收银员可以一次扫描数十盒盒饭，这大大缩短了顾客排 队的时间，提高了供应链管理的效率，减少结账和查询 设施开销，同时也有利于智能货架管理
物联网的架构 上层：互联网络 中层：泛在接入 下层：物物网络 物联网的信息存储 物联网的计算决策 无线网络（蜂窝、WiFi等） 有线网络 智能嵌入式设备 感知、标识和通信
发展趋势：智能化、协同化、泛在化、服务个性化 物联网技术发展路线 发展趋势：智能化、协同化、泛在化、服务个性化 信息汇集 协同感知 泛在聚合 主要目标 将多种感知技术所采集的分布式、异构信息进行汇聚； 通过网络将感知信息汇聚到业务应用系统，集中进行信息的处理与共享，并提供信息应用服务。 以事件、任务和目标为驱动，实现感知、网络和应用各个层面的协同工作； 具备分布式、跨层次、自学习的协同处理能力，提供智能、精确的多元化信息服务。 将海量信息进行聚合，产生出新的有应用价值的信息； 实现任何人、任何物体、任何时间、任何地点互联互通； 引发应用和服务模式创新。 关键技术 传感器设计与实现 短距离无线传输技术 低功耗技术 电磁兼容技术等 上下文感知技术 海量信息处理技术 任务驱动的大规模自治组网技术 多种通信网络融合技术等 信息聚合理论 模糊控制技术 泛在异构网络 人工智能 仿生学传感器 纳米材料、生物芯片等
计算与处理、关键技术分布图 97 97
物联网关键技术 RFID 传感技术 无线网络技术 RFID技术是物联网中让物品“开口说话”的关键技术，物联网中，RFID标签上存储着规范而具有互用性的信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品(商品)的识别。 传感技术 在物联网中，传感技术主要负责接收物品“讲话”的内容。传感技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理、变换和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、开发、制造、测试、应用及评价改进等活动。 无线网络技术 物联网中，物品与人的无障碍交流，必然离不开高速、可进行大批量数据传输的无线网络。无线网络既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离的蓝牙技术和红外技术。
物联网关键技术 人工智能技术 人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的技术。在物联网中，人工智能技术主要负责将物品“讲话”的内容进行分析，从而实现计算机自动处理。 大数据和云计算 物联网的发展离不开云计算技术的支持。物联网中的终端的计算和存储能力有限,云计算平台可以作为物联网的“大脑”,实现对海量数据的存储、计算。
物联网路由 根据物联网的网络规模和通信状况，分为六种类 型的网络，对于不同类型的网络分别考虑路由策 略： SS-NCN：小规模非通信网络 SS-CN：小规模通信网络 MS-NCN：中规模非通信网络 MS-CN：中规模通信网络 BS-NCN：大规模非通信网络 BS-CN：大规模通信网络
协议层次小结 应用层 资源受限的IP网络应用程序架构 传输层 面向物联网、低资源消耗的简化TCP/UDP IPv6层 6LoWPAN适配层 支持头部压缩和解压缩、链路层分片和重组，支持移动性、异构网络互操作性，支持IPv6通信连接 MAC层和物理层 基于IEEE 802.15.4实现短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线网络传输
RFID：无线射频识别技术
RFID RFID (Radio Frequency Identification) 射频识别 RFID标签俗称电子标签，也称应答器（tag, transponder, responder），根据工作方式可分为主动式（有源）和被 动式（无源）两大类
RFID系统的组成 标签（内含芯片与天线） 阅读器 数据库和软件 Tag 图1-1 RFID应用系统组成图
RFID标签内部电路结构
二维码（2-dimensional bar code）， 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； 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； 可以容纳1850个大写字母或2710个数字或1108个字节或500多 个汉字。
RFID与二维码 二维码 RFID 具有信息储量大，纠错能力强，识读速度快，全方位识读等特点； 二维码 具有信息储量大，纠错能力强，识读速度快，全方位识读等特点； 与RFID相比，二维码除了印刷，几乎不需要增加成本； 需对准图像； 信息只能一次性写全； 普通二维码可复制，导致安全问题 RFID 自动，不用对准，只要在reader覆盖范围之内； 识别多标签能力强； 抗污染能力和耐久性强，具有穿透性和无屏障阅读、以及可重复使用的特 点，则是比二维码更加方便的方面； RFID标签上的数据还可实现反复修改，以致能够在企业内部进行循环使用， 将一次性成本转化为长期摊销的成本； 在对电磁技术有限制的地方不能使用。
RFID的应用 RFID的应用的非常广泛 交通领域：电子不停车收费系统（Electronic Toll Collection,ETC） 物流领域：智能仓库管理，跟踪产品运输，超市自动扫描 付款，电子票 医疗：RFID监控医疗器械，管理重要医药 动物管理保护 人员管理 防伪认证识别 。。。 手术器材消毒及追溯 Rfid标签贴到手术器材上（如果用二维码， 则不能自动实现） 在回收、消毒（多个步骤）、打包过程中用 阅读器记录 根据检测结果找出出问题的步骤（具体的操 作人员）
RFID工作原理 以无源标签（被动式）RFID为例： 接收读写器发出的射频信号，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，读写器读取信息并解码后，送至中央信息 系统进行有关数据处理。
标签的分类 被动式： 半主动式： 主动式： 由天线线圈收集电磁波产生运作时所需要的电力。 优点：没有电池、体积小、价格便宜、寿命长； 缺点：通讯距离较短。 半主动式： 类似于被动式，多了一个小型电池，电力恰好可以驱动标签IC，使 得IC处于工作的状态。 天线可以不用管接收电磁波的任务，充分作为回传信号之用。 比被动式半主动式反应速度更快，效率更高。 主动式： 内有电池，数据通讯距离较长，可重复读写，内存容量较大，可达 1MB； 缺点：体积大，需要更换电池，价格比较昂贵，使用寿命较短。
射频技术中的防冲突算法 在多个阅读器或多个标签的应用场合，会有标签 之间或阅读器之间的相互干扰。 这种干扰统称为冲突（或碰撞）。 为了防止这些冲突的产生，在RFID系统中需要设 计相关算法来解决防冲突问题---防冲突算法
冲突类型 标签冲突： 多阅读器冲突： 隐藏阅读器干扰： 是指阅读器无法识别标签数据，当多个标签同时占据相同 的射频通信信道时发生； 当一个标签同时位于两个或多个阅读器的询问区域内时， 多个阅读器同时尝试与这个标签进行通信时就会发生标签 干扰。 隐藏阅读器干扰： 两个阅读器的阅读区域没有重叠，但Reader2发出的信号 在标签上会干扰从Reader1发出的信号。
Rr为Reader1和Reader2的读取范围 读写器碰撞 从标签T反射到读写器Reader2的信号很容易被从Reader1发出的信号干扰。 R1 Reader2 Rr Rr Reader1 R1为Reader1的干扰范围 Tag Rr为Reader1和Reader2的读取范围 读写器-读写器频率干扰
标签1接收到的信息为两个读写器发射信号的矢量和,是一个未知信号。 Tag3 Tag2 Tag1 Reader1 Reader2 多读写器一标签干扰
TagA TagB Time RFID数据碰撞示意图 Time Time 读写器 Data 1 Data 2 Data 3 Data 4 完全碰撞 TagA Data 1 Data 2 Data 3 Data 4 Data 5 Time TagB Data 2 Data 4 Data 1 Data 3 Data 5 Time 读写器 部分碰撞 RFID数据碰撞示意图
三类防冲突算法 ALOHA 基于树的算法 基于轮询协议的算法 纯ALOHA：有数据就发（完全碰撞、部分碰撞） Sloted ALOHA
ALOHA算法的模型图
Sloted ALOHA算法 在纯ALOHA算法的基础上把时间分成多个离散时隙(slot)，并 且每个时隙长度要大于标签回复的数据长度，标签只能在每个时隙 内发送数据。每个时隙存在： 空闲时隙：此时隙内没有标签发送 成功识别时隙：仅一个标签发送且被正确识别 碰撞时隙：多个标签发送，产生碰撞
Framed Slotted ALOHA Algorithm(1 reader) BFSA：Basic Framed Slotted ALOHA DFSA：Dynamic Framed Slotted ALOHA AFSA：Advanced Framed Slotted ALOHA EDFSA：Enhanced DFSA
BFSA 原理 pro con 使用固定帧（frame）长度，在标签识别过程中不改变其大小； reader提供给标签关于帧的长度和用于选择一个帧的时隙的随机数 这样的信息。每个标签使用随机数来选择一个slot number来访问 和响应 reader. pro 实现起来较简单 con 当有很多 tag 时 很多时隙都处在冲突中：效率大大降低 当大型的帧被用在只有小规模的tag的情况下大量时隙空闲：浪费 了时隙。
A read cycle is tag identifying process that consists of a frame. BFSA A frame is a time interval between requests of a reader and consists of a number of slots. A read cycle is tag identifying process that consists of a frame.
DFSA 两种常用的方法： 动态改变帧的大小以获得更高的识别效率； 使用信息例如：识别标签所消耗的时隙数量，冲突时隙的数量 等等来决定帧的大小。 两种常用的方法： 1. 发生碰撞的时隙数量超过上限阈值----增大帧的大小；发生 碰撞的概率小于下限阈值---减小帧的大小，reader 以一个最 小帧大小开始一个阅读周期； 2. 以一个最小帧大小开始一个阅读周期（一般为2或者4），在 前面的阅读周期没有标签被识别（说明冲突严重）— 指数增加 帧大小，开始另一个读周期，重复此动作直到有一个标签被识别， 逐个增加帧大小，直到一个阅读周期内识别的标签数下降。
DFSA Pro：更有效的识别标签 Con：仅改变帧的大小，当tag的数量非常多时效 率就会大大下降---- 因为不能无限制的增加帧的 长度。
AFSA 估计标签的数量，并用其来确定适当的帧大小和使用确定 帧大小识别标签； 使用前一个状态冲突时隙的数量和时隙总数量利用极大似 然估计来估计标签数量。 a0,a1,a2分别指空闲时隙数、一个标签使用的时隙数、标签冲突的 时隙数 比BFSA算法有更好的性能 AFSA算法有同样的问题： 不能无限制的增加帧的大小.
EDFSA 未读的标签数量太多以至于系统不能达到较高的效率--- --限制未读标签响应（即将未读的标签分组响应），让最 优数量的标签来响应给定大小的帧； 首先先估计未读标签的数量(like in AFSA)； 给定最大帧大小，如果该情况下tag的数量远远大于最优 系统效率时的个数，这时使用最大帧大小，并把未读tag 分成一定数量的组，然后只允许一组标签来回应.(如ID模 除=0的组响应)； 当估计的未读标签的数量低于一定阈值，reader调整 frame大小而不进行分组； 每次阅读周期结束后，reader估计未读tag的数量来调整 帧的大小，重复过程直到所有的tag都被读取。
Tree Based Tag Anti-Collision Protocols(1 reader) Binary Tree(BT) Protocol Query Tree(QT) Protocol Adaptive Splitting Protocol Adaptive Query Splitting(AQS) Protocol Adaptive Binary Splitting(ABS) Protocol 标签碰撞发生时，把标签分为两个子集（根据标签ID或随 机），然后在同一帧试图一个一个地识别两个子集； 继续这个分裂过程直到每组只有一个标签； 基于树的协议有能力识别所有在reader范围的标签。
Binary Tree(BT) Protocol： Query Tree(QT) Protocol： 用随机二进制数字为碰撞标签生成的分裂过程 Query Tree(QT) Protocol： 使用标签的 ID 来分割标签集 与 BT不同，QT 实现较简单。QT也被称为无记忆的 协议因为标签除了用来识别的ID不需要额外的内存。 但是，识别延迟受到tag分割 ID的影响，当 tags有 相似的 ID时，延迟就会大大增加。
两个对应的改进协议 Adaptive Query Splitting(AQS) Protocol Adaptive Binary Splitting(ABS) Protocol 两个协议都是基于前一次对tag的识别，建立好了一 个二叉树，然后tags变化后，类似于对二叉树的插 入和删除操作。
Polling-based Protocols(muti-readers) Polling-based Information Collection Protocol (PIC) Single-hash Information Collection protocol (SIC) Multi-hash Information Collection protocol (MIC) Bloom filter based Information Collection protocol (BIC)
PIC 工作机制 缺点 RFID reader读写器依次广播ID号，然后等待来自对应的标 签的响应。 1.执行时间太长； 2.每个标签必须不断监听信道,直到它收到自己的ID——花费 很多能源
SIC reader使用hash函数将tag映射到时隙, 同时 tag使 用相同的哈希函数来决定要用哪个时隙来传送； reader选择一个随机数字r和tag id使用hash函数将 tag映射到slot。 多个tag可能被映射到同一个slot上，或者有的slot是空闲的， 则该slot被浪费，冲突的tag等待下一阶段传输数据； 将hash分配好的时隙映射到indicator vector， vector中每一位对应帧中相同索引位置的时隙 如果该slot空闲或者冲突，则该位为0；如果该slot正好对应 一个tag，则该位为1
SIC reader通过“indicator vector” 通知tag被安排到的那个时隙是否 冲突。 reader广播的请求的内容： 帧大小，indicator vector，随机数r， 信息类型 tag用同样的hash函数就可以知道 被映射到那个slot来发送 当未读的tag数量小于一个下限阈 值时，停止 SIC协议。
MIC MIC 与 SIC 较为相似，除了其为tag安排时隙时使用了k 个hash函数来降低浪费时隙的问题. 在reader下tag的时隙安排有k个进程，每个进程都是一 个单哈希过程，与SIC不同的是： 假设现在为第m进程，如果该进程某时隙正好只安排了一个tag， 则hash-selection vector的相应位标记为m，否则记为0。 标记非0的位和tag不参与下次的时隙安排过程。 该进程结束后标记为0的时隙不能发送数据。 reader发送的请求的内容包括： 随机数r，hash-selection vector，帧长度，信息类型 tag使用相同的k-hash函数就可以得到被安排发送的时隙
BIC（tag快速识别算法） Bloom filter 是一个简单、节省空间的概率数据结构来代表一组数据且支持 成员查询； Bloom filter 采用的是哈希函数的方法，将一个元素映像到一 个 m 长度的阵列上的一个点，当这个点是 1 时，那么这个元 素在集合内，反之则不在集合内； 这个方法的缺点就是当检测的元素很多的时候可能有冲突，解 决方法就是使用 k 个哈希 函数对应 k 个点，如果所有点都是 1 的话，那么元素在集合内，如果有 0 的话，元素则不在集合内。
开始时集合内没有元素 当来了一个元素 a，进行判断，这里哈希函 数有两个，计算出对应的比特位上为 0 ， 即是 a 不在集合内，将 a 添加进去： 之后的元素，要判断是不是在集合内，也是 同 a 一样的方法，只有对元素哈希后对应位 置上都是 1 才认为这个元素在集合内（虽 然这样可能会误判）： 随着元素的插入，Bloom filter 中修改的值 变多，出现误判的几率也随之变大，当新来 一个元素时，满足其在集合内的条件，即所 有对应位都是1，这样就可能有两种情况， 一是这个元素就在集合内，没有发生误判； 还有一种情况就是发生误判，出现了哈希碰 撞，这个元素本不在集合内。
H. Yue, C. Zhang, M. Pan, Y. Fang, S H. Yue, C. Zhang, M. Pan, Y. Fang, S. Chen, A Time-efficient Information Collection Protocol for Large-scale RFID Systems, in IEEE INFOCOM, 2012.
BIC协议工作过程 第一步：发现在感应区内的标签 1. 首先，读写器向每一个电子标签发送一条指令，包含变量w(布 隆滤波器的大小）和变量k(独立哈希函数的个数，用来组织布隆滤 波器的结构），令h1，h2，…，hk代表k个哈希函数； 2. 当处在感应区的标签收到指令后，产生一个w比特的数组，初始 值均为0.h1(ID)，h2(ID)，…，hk(ID),并将其值设为1 3. 所有感应区的标签将产生的这个新数组发送给读写器。由于在 物理层当中，‘1’代表信道繁忙，‘0’代表信道空闲，当且仅 当所有数组对应位置均为0，才表示信道空闲。这样，读写器就产 生一个新w比特的数组，即布隆滤波器。 4. 读写器通过分析布隆滤波器就知道哪些标签处在感应区内。
第二步：读取标签信息 1. 信息收集阶段。此阶段分为若干个回合。在每一个回合当中， 读写器使用一个分配向量V来协调电子标签的信息发送。V的长度 等于还未收集到信息的电子标签的数目。同时，读写器选择一个随 机数r和哈希函数，将ID号映射为V中的一个比特。若是一一对应的， 则标志比特置为1，否则为0. 2. 电子标签收到此指令后，将自己的ID号和随机数r输入到此哈希 函数中，以获得它的标志比特。若为0，则将自己的状态置为休眠 状态，等待下一个回合。若为1,则检测在它的标志 比特前面出现 了多少个1，假设为i个，那么它就第在(i+1)时隙中向读写器发送 信息。 3. 重复上述过程，直到读写器收集到所有的标签发送的信息，则 停止。
NFC: Near Field Communication
什么是NFC 即近场通信（Near Field Communication，NFC），又称近距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在十厘米内）交换数据。 NFC由免接触式射频识别（RFID）演变而来，并向下兼容RFID，最早由Sony和Philips各自开发成功，主要用于手机等手持设备中提供M2M(Machine to Machine)的通信。 NFC 芯片是具有相互通信功能，并具有计算能力，在Felica标准中还含有加密逻辑电路，MIFARE的后期标准也追加了加密/解密模块(SAM)。 NFC 就是把 RFID 读卡器与智能卡的功能整合在一起，可以直接利用各种现有的 RFID 基础设施，并且从设计之初就考虑到了不同 NFC 设备之间的交互（P2P），非常适合手机。
基于NFC技术的应用思考 电子广告 电子支付 身份识别 电子优惠券 通过NFC终端，用户可对电子标签进行识别，进行信息浏览、购买等。 可实现充值、支付等功能，主要应用于POS机、公交、地铁等支付。 消费者通过NFC手机下载优惠券，商家即可看到消费者的完整信息，消费者通过手机可直接进行消费。 身份识别 电子优惠券 记录用户信息，对用户进行身份识别，主要应用于门禁、打卡等
NFC三种工作模式 一、点对点模式 NFCIP NFCIP 二、读卡器模式 NFCIP 三、卡片模式 ISO144435693 即作为非接触读卡器使用，比如从海报或者展览信息电子标签上读取相关信息。 三、卡片模式 14443 15693 RFID （读卡设） 用于非接触移动支付，如商场、交通等应用，用户只需将手机靠近读卡器，然后用户只需输入密码确认交易或者直接接收交易即可。例如门禁管制，车票，门票等。
NFC的技术特性 近距离感应 主被动通信模式切换 安全的通信 快速的处理速度 NFC设备之间的极短距离接触，主动通信模式为20cm，被动通信模式 为10cm，让信息能够在NFC设备之间点对点快速传递。 主被动通信模式切换 手机内信息既能够被读卡器读取，手机本身也能作为读卡器，还能实 现两个手机间的近距通信。 安全的通信 极短距离通信先天的安全性，避免信息遭监控与窜改； 通过加/解密系统来确保移动装置间的安全通信。 快速的处理速度 从NFC移动设备侦测、身份确认到数据存取只需要约0.1s的时间即可 完成。
NFC&蓝牙&红外
NFC的目标并非是取代蓝牙等其他无线技术，而是在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用 Bluetooth Bluetooth Low Energy RFID 兼容 ISO 18000-3 active 标准化机构 ISO/IEC Bluetooth SIG 网络标准 ISO 13157 etc. IEEE 802.15.1 网络类型 Point-to-point WPAN 加密 not with RFID available 范围 < 0.2 m ~10 m (class 2) ~1 m (class 3) 频率 13.56 MHz 2.4-2.5 GHz Bit rate 424 kbit/s 2.1 Mbit/s ~1.0 Mbit/s 设置程序 < 0.1 s < 6 s < 1 s 功耗 < 15mA (read) varies with class < 15 mA (xmit) NFC的目标并非是取代蓝牙等其他无线技术，而是在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用