物聯(lián)網(wǎng)科普暨小型物聯(lián)網(wǎng)演示平臺

1、2新技術(shù)、新概念物聯(lián)網(wǎng)定義l物聯(lián)網(wǎng)顧名思義，就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)?；诨ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)來完成信息交換和通訊，據(jù)專家預(yù)測，物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。l 物聯(lián)網(wǎng)又叫傳感網(wǎng) 就是在物體上植入各種微型感應(yīng)芯片，把它變得智能化，然后借助無線網(wǎng)絡(luò)，人們就可以和物體“對話”，物體和物體之間也能“交流”，而這些物體既可以是小小的手表、鑰匙，也能是汽車、樓房，總之日常生活中任何物品都可以變得“聰明”、“善解人意”。3互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng) “智慧地球智慧地球”提出“把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中

2、,并且被普遍連接，形成所謂“物聯(lián)網(wǎng)”。并通過超級計(jì)算機(jī)和云計(jì)算將“物聯(lián)網(wǎng)”整合起來，實(shí)現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。 核心觀點(diǎn)核心觀點(diǎn)：物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實(shí)現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合?！?無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)可以看成是傳感模塊+組網(wǎng)模塊共同構(gòu)成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。傳感器僅僅感知到信號，并不強(qiáng)調(diào)對物體的標(biāo)識。例如可以讓溫度傳感器感知到森林的溫度，但并不一定需要標(biāo)識哪根樹木。物聯(lián)網(wǎng)，Internet of things，對物體進(jìn)行標(biāo)識。包含了傳感器網(wǎng)、RFID、二維碼等。主要試圖區(qū)別于Internet，認(rèn)為Internet是人與人之間的網(wǎng)絡(luò)。而物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的概念相對比傳感器網(wǎng)大一

3、些。這主要是人感知物、標(biāo)識物的手段，除了有傳感器網(wǎng)，還可以有二維碼/一維碼/RFID等。如用二維碼/RFID 標(biāo)識桌椅之后，就可以形成物聯(lián)網(wǎng)，但二維碼/RFID并不在傳感器網(wǎng)絡(luò)的范疇。 5物聯(lián)網(wǎng)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的4個(gè)主要的技術(shù)：（1）RFID（2）傳感器（3）嵌入式智能(embedded intelligence)（4）納米技術(shù)。因此，“物聯(lián)網(wǎng)”也叫傳感網(wǎng)，是指將各種信息傳感設(shè)備，比如射頻識別裝置、二維碼識讀設(shè)備、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，可讓所有物品能遠(yuǎn)程感知和控制，形成一個(gè)更加智慧的生產(chǎn)生活體系。6重點(diǎn)介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）7

4、WSN體系結(jié)構(gòu)8WSN的來龍去脈 - 1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想最初是由美國軍方提出的，美國國防部高級研究所計(jì)劃署（DARPA）于1978年開始資助卡耐基梅隆大學(xué)進(jìn)行分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，這被看成是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形。從那以后，類似的項(xiàng)目在全美高校間廣泛展開，著名的有UC Berkeley的Smart Dust項(xiàng)目，UCLA的WINS項(xiàng)目，以及多所機(jī)構(gòu)聯(lián)合攻關(guān)的SensIT計(jì)劃，等等。在這些項(xiàng)目取得進(jìn)展的同時(shí)，其應(yīng)用也從軍用轉(zhuǎn)向民用。在森林火災(zāi)、洪水監(jiān)測之類的環(huán)境應(yīng)用中，在人體生理數(shù)據(jù)監(jiān)測、藥品管理之類的醫(yī)療應(yīng)用中，在家庭環(huán)境的智能化應(yīng)用以及商務(wù)應(yīng)用中都已出現(xiàn)了它的身影。目下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

5、的商業(yè)化應(yīng)用也已逐步興起。美國Crossbow公司就利用SmartDust項(xiàng)目的成果開發(fā)出了名為Mote的智能傳感器節(jié)點(diǎn)，還有用于研究機(jī)構(gòu)二次開發(fā)的MoteWorkTM開發(fā)平臺。 這些產(chǎn)品都很受使用者的歡迎。 9WSN的來龍去脈 - 21第一代第一代 早在上世紀(jì)早在上世紀(jì)70年代，年代，就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器就出現(xiàn)了將傳統(tǒng)傳感器采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、連接采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感傳感控制器而構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)雛形，我們把它器網(wǎng)絡(luò)雛形，我們把它歸之為第一代傳感器網(wǎng)歸之為第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。絡(luò)。2第二代第二代 隨著相關(guān)學(xué)科的的隨著相關(guān)學(xué)科的的不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感不斷發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有

6、了獲器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)還具有了獲取多種信息信號的綜合取多種信息信號的綜合處理能力，并通過與傳處理能力，并通過與傳感控制器的相聯(lián)，組成感控制器的相聯(lián)，組成了有信息綜合和處理能了有信息綜合和處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是力的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。3第三代第三代 而從上世紀(jì)末開始，而從上世紀(jì)末開始，現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)開始應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，人們用其組建智能化傳感器網(wǎng)其組建智能化傳感器網(wǎng)絡(luò)，大量多功能傳感器絡(luò)，大量多功能傳感器被運(yùn)用，并使用無線技被運(yùn)用，并使用無線技術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)術(shù)連接，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸形成。絡(luò)逐漸形成。10WSN的應(yīng)用現(xiàn)狀WS

7、N環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)安全監(jiān)測安全監(jiān)測空間探索空間探索智能家居智能家居復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控軍事應(yīng)用軍事應(yīng)用健康護(hù)理健康護(hù)理建筑物狀態(tài)監(jiān)控建筑物狀態(tài)監(jiān)控大型車間和倉庫管理大型車間和倉庫管理城市交通城市交通醫(yī)療醫(yī)療智能電網(wǎng)智能電網(wǎng)11WSN應(yīng)用 智能家居在家電和家具中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起，將會為人們提供更加舒適、方便和更具人性化的智能家居環(huán)境。利用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可完成對家電的遠(yuǎn)程遙控，例如可以在回家之前半小時(shí)打開空調(diào)，也可以遙控電飯鍋、微波爐、電冰箱、電話機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、電腦等家電，按照自己的意愿完成相應(yīng)的煮飯、燒菜、查收電話留言、選擇錄制電視和

8、電臺節(jié)目以及下載網(wǎng)上資料到電腦中等工作，也可以通過圖像傳感設(shè)備隨時(shí)監(jiān)控家庭安全情況。12WSN應(yīng)用 - 建筑物狀態(tài)監(jiān)控建筑物狀態(tài)監(jiān)控建筑物狀態(tài)監(jiān)控(structure health monitoring, SHM)：利用傳感器網(wǎng)絡(luò)來監(jiān)控建筑物的安全狀態(tài)。必要性：必要性： 由于建筑物不斷修補(bǔ)，可能會存在一些安全隱患。雖然地殼 偶爾的小震動可能不會帶來看得見的損壞，但是也許會在支柱上產(chǎn)生潛在的裂縫，這個(gè)裂縫可能會在下一次地震中導(dǎo)致建筑物倒塌。用傳統(tǒng)方法檢查，往往要將大樓 關(guān)閉數(shù)月。13WSN的限制因素限制一限制一限制二限制二限制三限制三電源能量有限通信能力有限計(jì)算和存儲能力有限14典型無線傳感器網(wǎng)

9、絡(luò)簡介WiFI協(xié)議協(xié)議WiFiWi-Fi 的英文全稱為wireless fidelity,在無線局域網(wǎng)的范疇是指“無線相容性認(rèn)證”，實(shí)質(zhì)上是一種商業(yè)認(rèn)證，同時(shí)也是一種無線聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，以前通過網(wǎng)線連接電腦，而現(xiàn)在則是通過無線電波來連網(wǎng)； 15典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介藍(lán)牙藍(lán)牙藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)。能在包括移動電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信，也能夠成功地簡化設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)

10、結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對點(diǎn)及點(diǎn)對多點(diǎn)通信。16典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介ZigBee協(xié)議協(xié)議 ZigBeeZigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無線連接。它有自己的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。17典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介簡單小型簡單小型SimpliciTi協(xié)議協(xié)議 SimpliciTi協(xié)議 Wi-Fi、藍(lán)牙、 ZigBee等。這些國際標(biāo)準(zhǔn)都是由IEEE發(fā)布的。但也有一些芯片公司或集成供應(yīng)商為了推廣本公司芯片、方案而發(fā)布一些非

11、國際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議就是德州儀器 (TI) 宣布推出針對簡單小型 RF 網(wǎng)絡(luò)的專有低功耗 RF 協(xié)議 。18重點(diǎn)介紹SimpliciTi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議19SimpliciTi 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠簡化實(shí)施工作，盡可能降低微控制器的資源占用。該協(xié)議能該協(xié)議能“開盒即用開盒即用”地在地在 CC1110等片等片上系統(tǒng)上運(yùn)行上系統(tǒng)上運(yùn)行。設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)?RF 協(xié)議對降低最終應(yīng)用的功耗至關(guān)重要。最新 SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將支持客戶開發(fā)超低功耗系統(tǒng)，同時(shí)降低系統(tǒng)成本。SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議專為簡單專為簡單的的 RF 網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)

12、，對適合網(wǎng)狀路由與標(biāo)準(zhǔn)化配置的大型網(wǎng)絡(luò)的 ZigBee 而言是一種很好的補(bǔ)充。S SimpliciTIimpliciTI協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)20 S SimpliciTIimpliciTI協(xié)議的應(yīng)用協(xié)議的應(yīng)用 SimpliciTI 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持各種低功耗應(yīng)用低功耗應(yīng)用，如報(bào)警與安全（煙霧探測器、玻璃破碎檢測器、一氧化碳探測器、光傳感器）、自動讀表（氣表、水表）、工業(yè)控制、家庭自動化（家電設(shè)備、車庫開門器、環(huán)境設(shè)備）以及有源 RFID 等。SimpliciTiSimpliciTi 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議21S SimpliciTIimpliciTI協(xié)議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)協(xié)議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)點(diǎn)對點(diǎn)

13、點(diǎn)對點(diǎn)點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SimpliciTiSimpliciTi 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議22S SimpliciTIimpliciTI協(xié)議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)協(xié)議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 星狀星狀星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SimpliciTiSimpliciTi 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議23S SimpliciTIimpliciTI協(xié)議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)協(xié)議的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 串狀串狀串狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)串狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SimpliciTiSimpliciTi 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議24S SimpliciTIimpliciTI協(xié)議演示平臺協(xié)議演示平臺SimpliciTiSimpliciTi 無線

14、傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議25S SimpliciTIimpliciTI協(xié)議演示平臺協(xié)議演示平臺SimpliciTiSimpliciTi 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議26SimpliciTi無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議S SimpliciTIimpliciTI協(xié)議演示平臺實(shí)物圖協(xié)議演示平臺實(shí)物圖27可實(shí)現(xiàn)如下功能：可實(shí)現(xiàn)如下功能：（1） CC1110模塊是采用CC1110單片機(jī)并內(nèi)嵌SimpliciTI協(xié)議的無線數(shù)傳模塊；（2） SimpliciTI協(xié)議支持點(diǎn)對點(diǎn)和星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工作在433MHz免許可免費(fèi)頻段；（3） 各模塊輸出功率10dBm，開闊地200m以上；（4） 串口波特率1

15、200115200，需說明，默認(rèn)57600；（5） 自動跳頻能力；（6） 每個(gè)模塊出廠時(shí)隨機(jī)自動分配了獨(dú)一無二的ID，重復(fù)概率1/168 =四十二億分之一，（7） 工作電壓：CC1110-01型模塊TTL電平2.0-3.6V；CC1110-02型模塊RS232電平3.0- 9V，并支持USB供電。（8） 工作電流：無線發(fā)射，因發(fā)射功率不同而不同，30mA/10dBm；無線接收，17.8mA（9） 休眠功能：CC1110模塊支持休眠功能，功耗極低（10）單次最大數(shù)據(jù)量：122字節(jié)（11）內(nèi)置看門狗電路，保障模塊可靠運(yùn)行（12）穿透能力強(qiáng)：相比于常規(guī)的2.4G頻段，具有很好的穿墻能力。經(jīng)測試，發(fā)射

16、功率 10dB，可穿透3個(gè)房間。（13）電池電壓測量功能：芯片內(nèi)置AD能夠?qū)崿F(xiàn)電池電壓測量，為便攜設(shè)備提供方便。（14）支持功能擴(kuò)展：模塊預(yù)留了P06、P07等AD模擬信號輸入端口，實(shí)現(xiàn)12位AD模數(shù)轉(zhuǎn) 換。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演示平臺無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演示平臺28 1) 輸出功率10dBm，開闊地200m以上2) 工作電壓：TTL電平2.0-3.6V3) 工作電流：無線發(fā)射，因發(fā)射功率不同而 不同，30mA/10dBm；無線接收，17.8mA4) 穿透能力強(qiáng)：相比于常規(guī)的2.4G頻段，具 有很好的穿墻能力。經(jīng)測試，發(fā)射功率 10dB，可穿透3個(gè)房間。5) 功能擴(kuò)展：模塊預(yù)留了P0.0等AD模擬信號

17、輸入端口，實(shí)現(xiàn)12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換，UART0和UART1兩個(gè)串口均有端口輸出。XWWK-01型模塊型模塊 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演示平臺無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演示平臺291）半雙工無線數(shù)傳模塊，無線最大速率500Kbit/s ，輸出功 率可達(dá)10dBm，開闊地200m以上；信道支持200個(gè)以上2）無線通信速率，發(fā)射功率，信道三個(gè)參數(shù)均可以通過串 口設(shè)定；3）串口波特率1200115200，購買請說明，默認(rèn)57600；4）工作電壓：3.0-6.0V，并支持USB供電；5）工作電流：無線發(fā)射，因發(fā)射功率不同而不同； 30mA/10dBm；無線接收，17.8mA；6）支持休眠功能，可通過Pctr端控制模塊處于休眠狀

18、態(tài)， 功耗25uA；7）單次最大數(shù)據(jù)量：120字節(jié)；8）內(nèi)置看門狗電路，保障模塊可靠運(yùn)行；9）穿透能力強(qiáng)，發(fā)射功率10dB，可穿透3個(gè)房間；10）芯片內(nèi)置AD能夠?qū)崿F(xiàn)電池電壓測量；11）支持功能擴(kuò)展：模塊預(yù)留了P06、P07等AD模擬信號輸 入端口，實(shí)現(xiàn)12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換。XWWK-02型模塊型模塊 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演示平臺無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演示平臺301）CC Debug能夠?qū)I公司CC全系列片上射頻SOC（除CC1010和CC430外）進(jìn)行仿真、調(diào)試和Flash編程。完全兼容TI公司原裝仿真器（SmartRF04EB）。2）支持IAR Embedded Workbench for 8051 from IAR Systems，并可以通過SmartRF Studio實(shí)現(xiàn)RF測試。3）仿真器內(nèi)部電路設(shè)計(jì)有自恢復(fù)保險(xiǎn)絲（200mA）,防止仿真器因電流過大而損壞。4）本CC系列仿真器燒錄TI公司SmartRF04EB最新固件，版本00