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1、9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,1,物联网工程概论,主讲教师王良民 MAIL:熊书明MAIL:,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,2,第三讲内容安排,感知节点与传感芯片几类典型感知节点节点组织结构网关节点传感器与传感板RFID读写系统RFID标签RFID读写器节点定位GPS与位置计算基于距离的节点定位距离无关的节点定位数据采集与A/D转换数据采集模块组成A/D转换原理,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,3,第三讲内容安排,感知节点与传感芯片几类典型感知节点节点组织结构网关节点传感器与传感板RFID读写系统RFID标签RFID读写器节
2、点定位GPS与位置计算基于距离的节点定位距离无关的节点定位数据采集与A/D转换数据采集模块组成A/D转换原理,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,4,几类典型感知节点,1.特定传感器平台 特定传感器平台侧重于节点的超低功耗和体积微型化设计，但同时也决定了其处理能力和传输能力非常有限。UC Berkeley大学的Spec节点就是在2.5mm2.5mm的硅片上集成了处理器、RAM、通信接口和传感器的一种节点，它依靠一个附带的微型电池供电可以连续工作几年。另外，由UC Berkeley研发的Smart Dust也是一种超微型的节点，其体积的设计目标是1mm3左右。为了减少体积和功耗
3、，Smart Dust 放弃了传统的射频通信方式，而是采用光通信作为它的通信方式，由于采用了光通信的主动和被动两种工作模式，其功耗可以进一步降低。Smart Dust节点采用了微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）技术。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,5,例:,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,6,2.通用传感器平台 UC Berkeley的Mica系列节点为典型代表，主要包括Rene、Mica、Mica2、Mica2dot和MicaZ等不同版本，还包括性能增强版本IRIS节点。另外，还包括SUN公司
4、生产的SUN SPOT节点，我国中科院计算技术研究所宁波分部设计生产的GAINSJ 系列节点。,几类典型感知节点,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,7,几类典型感知节点,MicaZ节点 MicaZ节点采用Atmel公司的ATMega128L微处理器，该处理器是8位的CPU内核，工作在7.37MHz，内部具有128KB的FLASH ROM，可用于存放程序代码和一些常数。具有4KB的SRAM，用于暂存一些程序变量和处理结果。在MicaZ节点上的射频通信模块采用CC2420芯片，支持标准，传输速率达到250 kbps，具有硬件加密（AES-128）功能。MicaZ节点能够通过标准
5、51针扩展接口与多种传感器板和数据采集板连接，支持模拟输入、数字I/O、I2C、SPI和UART接口，使其易于与其它外设连接，比如，可扩展连接Crossbow公司的MTS400传感器板，可以采集光、温度、气压、加速度/振动、声音和磁场等信息。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,8,几类典型感知节点,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,9,几类典型感知节点,2.通用传感器平台 GAINSJ节点 GAINSJ节点采用了Jennic公司的SoC芯片JN5139，此芯片集成了MCU和RF模块。GAINSJ节点由宁波中科设计、生产。节点板上具有温/湿度传感器，与PC
6、机采用RS-232通信接口相连，而且提供了JN5139的I/O扩展端口，并将其引到节点的插排上，用户可以根据不同的应用需求进行设计开发。每个GAINSJ节点都拥有ZigBee License，用户可以无限制地使用而不必再为此支付任何费用。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,10,几类典型感知节点,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,11,几类典型感知节点,3.高性能传感器平台 Imote2是一款先进的无线传感器节点平台，集成了Intel公司低功耗的PXA271 XScale CPU和兼容的CC2420射频芯片。Intel PXA271处理器可工作于低电压（
7、0.85V）、低频率（13MHz）的模式，可进行低功耗操作，该处理器支持几种不同的低功耗模式，如睡眠和深度睡眠模式。Imote2节点使用动态电压调节技术，频率范围可从13MHz达到416MHz。Imote2的正反两面都设计有扩展接口等标准组件，正面提供标准I/O接口，用于扩展基本的芯片；反面附加高速接口，用于特殊I/O。正反两面都可以连接的电池板为系统提供电源。Imote2可用于数字图象处理、状态维修、工业监控和分析和地震及振动监控等领域。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,12,几类典型感知节点,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,13,几类典型感知节点
8、,4.网关节点平台 网关平台是无线传感器网络中不可缺少的部分，通常，它的处理能力和接口带宽比其他几类更高。它实现的是无线传感器网络与其他类型网络之间，或者是不同无线传感器网络之间的数据交换，由通用接口使用协议转换功能实现。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,14,节点组织结构,传感器节点一般由：微控制器模块、无线通信模块、传感器模块和电源管理模块四个部分组成。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,15,节点组织结构,1.微控制器模块 目前，许多前端传感器节点（数据采集用）都使用ATMEL公司AVR系列的ATMega128L处理器，以及TI公司生产的MSP4
9、30系列处理器。而汇聚节点（负责数据融合或数据转发的节点）则采用了功能强大的处理器，比如，ARM处理器、8051内核处理器或PXA270处理器等。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,16,节点组织结构,2.无线通信模块 无线数据可以通过激光、红外线和射频三种介质进行传输。激光与红外线具有能耗低、无需天线和保密性好等优点，但定向传输的特性限制了它们的应用范围，不适合传感器节点的随机布置行为。射频通信具有易于使用和易于集成等优点，使其成为理想的传感器节点通信方式。目前，传感器网络节点多采用射频芯片构建通信模块。缺点：不易微型化、保密性差现在的传感器网络节点使用较多的射频芯片是T
10、R1000和CC2420。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,17,节点组织结构,3.电源管理模块 节点的供电单元通常由电池和直流转直流电源模块(DC/DC)组成，DC/DC模块是为传感器节点的用电单元提供稳定的输入电压。由于电池在为负载供电时，随着电量的释放，输出电压不断降低，因此，通常采用升压型DC/DC，这样可以使得电池的容量得到更为充分的利用。某些电源管理IC芯片能够监视电池的剩余容量，这使得节点清楚当前的能量状态。传感器网络可根据节点的能量状态动态调整网络的拓扑结构，使剩余能量多的节点承担较繁重的任务，剩余能量少的节点则转为低功耗状态，以平衡节点间的能量开销。,9
11、/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,18,节点组织结构,4.传感器模块 节点的传感单元由能感受外界特定信息的传感器组成，相当于传感器网络的“眼睛”和“鼻子”。根据传感器感受信息性质的不同，可以把传感器分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器。物理量传感器能感受声、光、热、磁和图像等信息，化学量传感器通常对某种气体敏感，而利用生物量传感器可对微生物进行快速检测，这对于军事、医疗、食品卫生等方面意义重大。此外，根据传感器提供的信号不同，可分为模拟量传感器和数字量传感器。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,19,网关节点,通俗地讲，从一个网络向另一个网络发送信
12、息，必须经过一道“关口”，这道关口就是网关(Gateway)。网关又称为网间连接器、协议转换器，网关在传输层及以上实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。究其本质而言，网关是一种进行功能转换的计算机系统，在使用不同通信协议、数据格式，甚至体系结构完全不同的两种网络之间，实现功能的互通。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,20,网关节点,传感器网络的网关节点通常是一个嵌入式硬件设备，其硬件部分通常由微处理器单元、存储单元、无线射频收发模块和以太网通信模块等组成，如下所示：,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,21,网关节点,在
13、2007年10月，Crossbow公司发布了一款高性能处理平台Stargate，可应用于嵌入式Linux系统的单片机、机器人控制卡、定制的802.11a/b网关和无线传感器网络网关。随后，又发布了高性能嵌入式传感器网络网关NB100，作为Stargate的替代产品，NB100具有丰富的用户接口、I/O接口和预装的开发平台，便于使用。作为一个简易网关，我们也可以用节点MicaZ和编程板MIB520组合实现网关功能，在传感器网络和PC机之间完成数据转发。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,22,传感器与传感板,1.传感器 传感器是指能感受规定的被测量，并按照一定的规律将其转换成
14、可用输出信号的器件或装置。传感器种类繁多，具体应用时，必须根据实际需求选择合适的传感器。传感器有多种分类标准。传感器的组成结构：,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,23,传感器与传感板,2.传感器板为了便于使用，常常在一块电路板上集成多个传感器，比如，可以包括光强传感器、温度传感器和磁力传感器等，这样的电路板便称为传感器板（Sensor Board）。目前，市场上出现了许多配合传感器网络节点使用的传感器板，其中，以Crossbow公司的传感器板影响较大，下面介绍几种Crossbow公司的典型传感器板和数据采集板。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,24,
15、传感器与传感板,2.传感器板,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,25,传感器与传感板,2.传感器板,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,26,第三讲内容安排,感知节点与传感芯片几类典型感知节点节点组织结构网关节点传感器与传感板RFID读写系统RFID标签RFID读写器节点定位GPS与位置计算基于距离的节点定位距离无关的节点定位数据采集与A/D转换数据采集模块组成A/D转换原理,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,27,RFID读写系统,RFID读写系统主要由电子标签和读写器构成，但也需要结合使用许多其他组件，例如，计算机、通信网络和软件系
16、统。电子标签、读写器和所有这些组件共同工作，组成了完整的解决方案。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,28,RFID标签,1.RFID技术的发展无线射频识别（Radio Frequency IDentification，RFID）技术是一种非接触式的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输特性，实现对被识别物体的自动识别。RFID虽然被认为是一种新的技术，但实际上它比条形码技术还要古老。RFID技术就是无线电技术与雷达技术的结合。条形码技术产生于20世纪40年代后期，但直到60年代后期和70年代前期，这项技术才变得比较实用。当时，由于需要识别飞
17、机的情况并不多，加之成本比RFID低廉，条形码技术成为自动识别技术的首选。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,29,RFID标签,1.RFID技术的发展随着RFID技术成本的逐渐降低，工业界开始用它来做更多的事情，RFID技术在50年代得到了进一步的开发。60年代，RFID开始被用于身份识别和监测有害物质。1979年，RFID开始被用来鉴别和跟踪动物。1991年，美国俄克拉何马州的电子公路收费系统第一次批量使用RFID技术。1994年，美国所有的轨道车都用电子标签来进行鉴别。近年来，由于半导体制造业和无线技术的发展，RFID技术的成本得以进一步降低，特别是在多目标识别、高速
18、运动物体识别和非接触识别等方面，RFID技术显示出其巨大的发展潜力。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,30,RFID标签,2.RFID标签的组成 RFID电子标签一般由天线、调制器、编码发生器、时钟及存储器等模块组成。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,31,RFID标签,2.RFID标签的组成 时钟把所有电路功能时序化（timing），以使存储器中的数据在精确的时间内被传送到读写器。存储器中的数据是应用系统规定的唯一性编码，在电子标签被安装在识别对象上以前已经被写入。标签数据被读出时，编码发生器对存储器中的数据进行编码，而调制器接收由编码器编码后的信
19、息，并通过天线电路将此信息发射/反射到读写器。数据写入时，由控制器控制，将天线接收到的信号解码后写入到存储器。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,32,RFID标签,3.RFID标签的分类 RFID电子标签可以根据五种不同的方式进行分类，分类方式包括：标签供电方式标签工作方式标签读写方式标签作用距离标签工作频率。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,33,RFID标签,3.RFID标签的分类(1)根据标签供电方式划分有源标签和无源标签有源标签是指内部有电池提供电源的电子标签。有源标签的作用距离较远，但是寿命有限、体积较大、成本较高，并且不适合在恶劣环境下工
20、作，需要定期更换电池。无源标签是指内部没有电池提供电源的电子标签。无源标签通过耦合读写器发射的电磁场能量作为自己的工作能量，这种标签的作用距离相对于有源标签要近，但是重量轻、体积小，寿命可以非常长，成本低，而且可以制作成各种各样的体积和形状，便于使用。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,34,RFID标签,3.RFID标签的分类(2)根据标签工作方式划分主动式标签和被动式标签。主动式标签就是利用自身的射频能量主动发射数据给读写器的电子标签，主动标签一般具有电源模块，它的识别距离较远。被动式标签是指在读写器发出查询信号后，被触发才进入通信状态的电子标签。被动式标签既可以是有源
21、标签，也可以是无源标签。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,35,RFID标签,3.RFID标签的分类(3)根据读写方式划分 只读型标签和读写型标签。只读型标签是指在识别过程中，内容只能读出不可写入的电子标签。只读型标签所具有的存储器是只读的存储器。在识别过程中，标签的内容既可被读写器读出，又可由读写器写入的电子标签是读写型标签。读写型标签可以只具有读写型存储器，也可以同时具有读写型存储器和只读型存储器。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,36,RFID标签,3.RFID标签的分类(4)根据作用距离划分 根据标签的作用距离，可以把标签分为密耦合标签、近耦
22、合标签、疏耦合标签和远距离标签。密耦合标签作用距离小于1cm，近耦合标签作用距离大约为15cm，而疏耦合标签作用距离大约为1m，远距离标签作用距离最远，从1m到10m，甚至可达更远的距离。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,37,RFID标签,3.RFID标签的分类(5)根据工作频率划分根据标签的工作频率，可以把标签分为低频标签、中高频标签和超高频与微波标签3类。低频标签低频标签工作频率范围为30300kHz，典型的工作频率有125kHz和133kHz两种。低频标签一般为无源标签，其工作能量通过电感耦合方式从读写器耦合线圈的辐射近场中获得。,9/13/2023,江苏大学计算
23、机科学与通信工程学院,38,RFID标签,3.RFID标签的分类(5)根据工作频率划分中高频标签中高频射频标签的工作频率一般为330MHz，典型工作频率为13.56MHz。该频段的射频标签，从射频识别应用角度来说，其工作原理与低频标签完全相同，即采用电感耦合方式工作。中高频标签一般也采用无源标签。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,39,RFID标签,3.RFID标签的分类(5)根据工作频率划分超高频与微波标签超高频与微波频段的射频标签简称为微波射频标签，其典型工作频率为433.92MHz、862（902）928MHz、2.45GHz和5.8GHz。微波射频标签可分为有源标
24、签与无源标签两类。工作时，射频标签位于读写器天线辐射的远场区内，标签与读写器之间的耦合方式为电磁耦合。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,40,RFID读写器,1.RFID读写系统 RFID读写系统的核心模块包括读写器和标签，其基本组织模型：,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,41,RFID读写器,1.RFID读写系统 按照读写器与标签之间射频信号的耦合方式，可以把它们之间的通信分为：电感耦合和电磁反向散射耦合电感耦合：依据电磁感应定律，通过空间高频交变磁场实现耦合。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离RFID系统。电磁反向散射耦合：依据电磁波的空
25、间传播规律，发射出去的电磁波碰到目标后发生反射，从而携带回相应的目标信息。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离RFID系统。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,42,RFID读写器,1.RFID读写系统,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,43,RFID读写器,2.读写器的结构 各种读写器虽然在耦合方式、通信流程、数据传输方式，特别是在频率范围等方面具有很大的差别，但是在功能原理上，以及由此决定的结构设计上，各种读写器十分类似。读写器的结构：,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,44,RFID读写器,2.读写器的结构(1)
26、天线天线是发射和接收射频载波信号的设备。在确定的工作频率和宽带条件下，天线发射由射频模块产生的射频载波，并接收从标签发射或反射回来的射频载波信号。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,45,RFID读写器,2.读写器的结构(2)射频模块射频模块由射频振荡器、射频处理器、射频接收器和前置放大器组成。射频模块可以发射和接收射频载波。射频载波信号由射频振荡器产生并被射频处理器放大，该载波通过天线发射出去；另一方面，射频模块将接收的标签发射/反射回来的载波解调后传给控制模块。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,46,RFID读写器,2.读写器的结构(3)控制模块一
27、般由放大器、解码及纠错电路、微处理器、时钟电路、标准接口以及电源组成。它可以接收射频模块传送过来的信号，解码后获得标签内部信息。或者将要写入标签的信息编码后传送给射频模块，完成写标签操作。控制模块还可以通过标准接口，比如，RS-232接口，将标签内容和其他信息传送给后台计算机。由前图可见，读写器可将来自主机的读写命令及数据信息发送给电子标签，发送数据前，可能需要对数据进行加密操作；电子标签返回的数据经读写器解密后送回主机，在主机端，完成标签数据信息的存储及管理等。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,47,RFID读写器,3.读写器的分类 根据射频识别应用的不同，各种读写器在
28、结构及制造形式上千差万别，大致可以将读写器划分为：小型读写器手持型读写器平板型读写器隧道型读写器出入通道型读写器大型通道型读写器。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,48,RFID读写器,4.读写器的发展趋势 随着RFID技术的发展，RFID识别系统的结构和性能也会不断提高，越来越多的应用对RFID系统的读写器提出了更高的要求。多功能 模块化、小型化和便携式、嵌入式成本更低智能多天线端口多种数据接口多频段兼容,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,49,第三讲内容安排,感知节点与传感芯片几类典型感知节点节点组织结构网关节点传感器与传感板RFID读写系统RFI
29、D标签RFID读写器节点定位GPS与位置计算基于距离的节点定位距离无关的节点定位数据采集与A/D转换数据采集模块组成A/D转换原理,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,50,节点定位,无线传感器网络是用来监测网络部署区域内各种环境信息的，但是，在不知道节点位置的情况下，传感器节点感知的许多数据往往没有意义。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,51,GPS与位置计算,1.GPS全球定位系统GPS全球定位系统是美国政府20世纪70年代开始研制建设的，于1994年全面建成，并投入使用。GPS定位系统采用广播方式来发送信号，因此终端用户只需要拥有一台终端设备就可以
30、使用该系统，而且无需付费。该系统具有很多优点，比如，可以全天候使用、全球覆盖率高达98%等。GPS系统的用户设备部分叫GPS信号接收器，该接收器的定位功能实际上是通过计算接收器到不同卫星的距离来完成的，这一过程称为测距。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,52,GPS与位置计算,1.GPS全球定位系统定位原理GPS定位的基本原理是利用高速运动卫星的瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测节点的位置。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,53,GPS与位置计算,1.GPS全球定位系统定位原理,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通
31、信工程学院,54,GPS与位置计算,1.GPS全球定位系统应用：GPS定位适用于无遮挡的室外环境，用户节点能耗高、体积大，成本也比较高，这使得GPS定位系统适用于低成本、自组织网络时的困难比较大。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,55,GPS与位置计算,2.节点位置的计算 带有GPS设备的节点虽然能提供节点自身位置信息，但成本较高，所以，通常情况下系统中并不是所有的节点都带有GPS设备，这就存在普通节点的定位问题。我们把系统中的节点分为信标节点和未知节点。信标节点是指那些通过携带上述GPS定位设备等手段可以获得自身精确位置的节点，但信标节点在系统中所占的比例很小。除信标节
32、点外，其他都是未知节点，未知节点将信标节点作为定位的参考点，它们通过信标节点的位置信息来确定自身位置。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,56,GPS与位置计算,2.节点位置的计算,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,57,GPS与位置计算,2.节点位置的计算（方法）(1)三边测量法,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,58,GPS与位置计算,2.节点位置的计算（方法）(2)三角测量法,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,59,GPS与位置计算,2.节点位置的计算（方法）(2)三角测量法,过D点作圆O1的切线q1q2,9
33、/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,60,GPS与位置计算,2.节点位置的计算（方法）(3)极大似然估计法,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,61,GPS与位置计算,2.节点位置的计算（方法）(3)极大似然估计法,矩阵相乘的形式：AX=b,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,62,GPS与位置计算,2.节点位置的计算（方法）(3)极大似然估计法,得到节点D的近似坐标：,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,63,GPS与位置计算,根据定位过程中是否测量实际节点之间的距离，定位算法可分为：基于距离的(range-based)定
34、位算法距离无关的(range-free)定位算法前者是利用测量得到的距离或角度信息来进行位置计算，而后者一般是利用节点的连通性和多跳路由信息交换等方式来估计节点间的距离或角度，并完成位置估计。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,64,基于距离的节点定位,基于距离的定位机制是通过测量相邻节点之间的实际距离或方位进行定位，具体过程通常分为如下三个阶段：第一阶段是测距阶段，未知节点首先测量获得到邻居节点的距离或角度，然后，进一步计算到邻近信标节点的距离或方位。第二阶段是定位阶段，未知节点在计算出到达三个或三个以上信标节点的距离或角度后，利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法计
35、算出未知节点的坐标。第三阶段是修正阶段，对求得的节点的坐标进行求精，提高定位精确度、减少误差。具体算法：1.加州大学洛杉矶分校的Andreas Savvides等人：AHLos算法 2.美国罗格斯大学的Niculescu等人：基于AOA的APS算法,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,65,距离无关的节点定位,虽然基于距离的定位能够实现精确定位，但对节点的硬件要求往往很高。出于硬件成本、能耗等因素的考虑，人们提出了距离无关的定位技术。距离无关的定位技术就是无需测量节点间的绝对距离或方位的定位技术，降低了对节点硬件的要求，但定位误差有所增加。目前，有一类距离无关的定位方法，它通
36、过已经完成定位的邻居节点或信标节点确定包含未知节点的区域，然后把这个区域的质心作为未知节点的坐标，而质心算法正是运用这种思想来完成定位的。南加州大学Bulusu等人提出的质心算法(centroid algorithm)是一种典型的距离无关的定位算法，在自由室外环境中，利用未知节点与信标节点之间的连通性实现节点定位。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,66,第三讲内容安排,感知节点与传感芯片几类典型感知节点节点组织结构网关节点传感器与传感板RFID读写系统RFID标签RFID读写器节点定位GPS与位置计算基于距离的节点定位距离无关的节点定位数据采集与A/D转换数据采集模块组成
37、A/D转换原理,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,67,数据采集与A/D转换,物联网后台处理的许多数据都来自前端感知模块采集到的数据，本节介绍物联网前端数据采集模块的组成和A/D转换的工作原理。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,68,数据采集模块组成,在物联网应用中，前端被控实体的信号可以是电量（如电流、电压），也可以是非电量（如加速度、温/湿度、磁力、水流量等），这些量在时间和幅值上都是连续变化的，我们把它们称为模拟量。现在的计算机都是数字计算机，只能处理数字量，而传感器节点作为一种特殊的计算机，也只能处理数字信号。因此，各种模拟量都必须通过传感器变
38、换成相应的电信号，再通过A/D转换器转换为数字量送给传感器节点处理。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,69,数据采集模块组成,物联网前端的数据采集模块组成结构如下图：,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,70,A/D转换原理,根据不同的转换原理，A/D转换器可以分为:计数式、双积分式、并行式、逐次逼近式等。计数式A/D转换器结构简单，但转换速度慢，且转换时间随输入不同而变化。双积分式A/D转换器速度不够理想，但其抗干扰能力强、转换精度高。并行式A/D转换器的转换速度快，但因结构复杂而成本较高。传感器节点中广泛采用逐次逼近式A/D转换器作为模数接口电路，它
39、的转换速度较高、转换时间稳定，且结构不复杂。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,71,A/D转换原理,逐次逼近式A/D转换器也称为逐次比较A/D转换器。它由N位结果寄存器、N位D/A转换器、电压比较器和控制逻辑等部件组成，工作原理图如下：,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,72,A/D转换原理,图中，N位D/A是数模转换部件，完成N位数字量到模拟量的转换，比如，把数字量0转变为0V电压，把满量程的数字量FFFH转换为输出约为Vref的电压，相应地，把数字量400H转变为0.5Vref的电压。逐次逼近式A/D转换采用二分搜索法，逐次比较、逐步逼近来实现模拟
40、量到数字量的转换，整个转换过程是一个“试探”的过程。转换结束时，DONE信号有效。N位结果寄存器的状态便是与输入的模拟量Vi对应的数字量，即图中N位寄存器的结果为对应的数字量输出。,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,73,思考与讨论,节点的分类 节点的组织结构典型的传感器板和数据采集板 RFID标签的组成 RFID读写器 GPS定位的基本原理 位置计算的方法 逐次逼近式A/D转换,9/13/2023,江苏大学计算机科学与通信工程学院,74,下一节课的准备,形成3-5个小组集中一个关于数据感知质量控制的topic,列举自己的观点、支持论据，下一节课选一个代表来讲，每组5-8分钟分别准备一个典型物联网数据感知处理系统，派代表下一节课来讲，每组5-8分钟。,A&Q,
