物联网原理与应用技术 教学课件 作者 刘幺和 第5章 无线传感器网络.pptx

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1、第5章无线传感器网络第5章无线传感器网络5.1引言5.2无线传感器网络的结构及特点5.3无线传感器网络的协议5.4时间同步5.5定位技术5.6无线传感器网络与互联网融合5.7无线传感器网络软硬件的开发与设计5.8应用实例—钻井工程监控系统5.1引言5.2无线传感器网络的结构及特点图5-1无线传感器网络的体系结构5.2.1无线传感器网络的拓扑结构5.2无线传感器网络的结构及特点(1)星形结构(2)树形结构(3)网状结构图5-2无线传感器网络的拓扑结构5.2.2无线传感器网络节点的结构5.2无线传感器网络的结构及特

2、点图5-3无线传感器网络节点的组成5.2.3无线传感器网络协议栈5.2.4无线传感器网络的特点(1)大规模网络5.2无线传感器网络的结构及特点(2)节点硬件资源有限(3)动态网络(4)自组织网络(5)可靠的网络(6)应用相关的网络(7)以数据为中心的网络5.3无线传感器网络的协议1.路由协议(1)扩散法(Flooding)(2)低功耗自适应聚类路由算法(LEACH)(3)定向扩散(Directed04D06xx_Embed_14.png(4)GEAR5.3无线传感器网络的协议04D06xx_Embed_15.p

3、ng2.MAC协议5.3无线传感器网络的协议(1)空闲侦听(2)碰撞冲突(3)控制信息消耗(4)串音04D06xx_Embed_16.png5.4时间同步04D06xx_Embed_17.png5.5定位技术(1)基于测距的定位算法1)基于AOA(AngelOfArrival)的算法是通过无线成列感知发送节点发送信号到达方向，进而计算接收节点和发送节点之间的相对方位和角度。2)基于TOA(TimeOfArrival)的算法是根据发送信号的传播时间和传播速度计算节点之间的距离。3)基于TDOA(TimeDiffe

4、renceOfArrival)的算法是向外发送信号的发送节点同时向接收节点发送两种传播速率不同的无线信号波束，接收节点根据两种信号到达的时间差以及两个不同的传播速率，就可以计算发送节点到接收节点之间的距离。4)基于RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)的算法是一种接收信号强度指示测距的定位算法。5.5定位技术(2)与距离无关的定位算法1)基于质心的算法是一种基于网络连通性的室外定位算法。2)基于DV-HOP的算法是利用测距矢量计算跳数的算法。3)基于APIT的算法的理论基础是

5、最佳三角形内点测试法，未知节点处于多个三角形覆盖区域的重叠部分中，在未知节点的所有邻居点集合中选取三个节点，测试未知节点是否处于这三个节点组成的三角形内部。5.6无线传感器网络与互联网融合04D06xx_Embed_18.png5.7无线传感器网络软硬件的开发与设计5.7.1无线传感器网络的硬件设计(1)数据处理模块(2)无线通信模块开发(3)传感器模块开发(4)电源模块开发5.7.2无线传感器网络的软件设计(1)TinyOS操作系统04D06xx_Embed_19.png5.7无线传感器网络软硬件的开发与设计

6、图5-11TinyOS网页界面(2)Mantis操作系统5.7无线传感器网络软硬件的开发与设计图5-12Mantis操作系统的结构(3)SOS操作系统5.7无线传感器网络软硬件的开发与设计04D06xx_Embed_22.png表5-1三种操作系统比较表5.8应用实例—钻井工程监控系统1.系统总体设计04D06xx_Embed_23.png5.8应用实例—钻井工程监控系统2.物联网的感知层设计04D06xx_Embed_24.emf5.8应用实例—钻井工程监控系统(1)无线节点设计1)2.4GHz免执照频段，兼

7、容IEEE802.15.4标准。2)128位AES加密安全处理器。3)在休眠模式下功耗小于5A，正常接收电流44mA，发送电流49mA。4)接收灵敏度为-90dBm，发射功率为0dBm。1)16MHz主频的32位RISC处理器，功耗3MIPS/mA。2)96KB的RAM，64KB的ROM。3)4路12位模拟输入，2路11位模拟输出，2个比较器，1路温度传感器。4)2个应用程序定时计数器，3个系统定时计数器。5)2个串口，其中1个用于系统调试。5.8应用实例—钻井工程监控系统6)SPI接口，支持5个外围设备；2

8、1个GPIO接口。7)工业级别的温度范围：-40～85℃。(2)无线节点接口设计1)串口：串口用于下载节点程序，也可以用来与上位机通信。2)电源：无线节点的供电是比较关键的问题，考虑到 JN5121 模块的工作电压范围是2.7～3.6V，所以针对室内调试和室外使用的情况采用不同的供电方案。3)LED与按钮：主要用于调试。4)接线端口：便于连接传感器及外围设备。5)ADC转换：节点的AD