物联网核心技术和知识体系

1物联网核心技术和知识体系2011年5月11日2我们的实训核心•RFID(HF和UHFEPC),ZIGBEE,嵌入式WIFI,蓝牙，无线定位和卫星数据通讯系统；3物联网技术开发实力•技术资源和开发工具，从源代码到价值数万美元的开发设备；•物联网开发实验室一般都具有齐备的高频无线测试设备和仪器和各种开发系统和工具。附图其中主要物联网设计需要的高频仪器和设备。4物联网核心技术和知识体系主要内容•第一部分为全球物联网技术4大趋势及其代表性技术的深度分析；附带介绍美国和国外相关典型最新应用和市场；•第二部分为物联网技术教学知识体系的思考：教什么？如何教？并具体示范其中一课教学－－“微功耗无线简单网络”；5物联网核心技术/技术趋势研究/最新应用6物联网核心技术•目前公认的概念：物联网由传感层，网络层，应用层组成；物联网是一个比互联网更大的网络•我们的观点一：物联网的本质是网络通讯，（网状网络）是关键；•我们的观点二：物联网核心技术是无线技术，包括无线SOC、无线网络标准、无线通讯的协议栈和其它相关嵌入式软件，数据库，中间件等；•我们的观点三：无线网络通讯中的主流技术；卫星数据通讯7越来越小的无线网络节点和功耗ZIGBEE传感器网络节点AA电池X25X3CM20-30微安电流WIFIGS1010传感器网络节点AA电池X14X3CM电池工作5年无线监控手表微型电池3X3CM平均电流10微安有源433MHZ电子标签CR2032钮扣电池直径2.2X3CM电池工作6年123456电子药丸特殊微型电池小于直径2.0X2CM无源EPC电子标签无需电池直径1.6X1.6X0.001CM总量0.002克物联网传感层8越来越小的无线网络终端节点带来了全新的应用和市场空间牙刷也上物联网无线网络节点的微型化和微功耗化，加上SOC芯片大幅度降价：16位单片机MSP430G系列，价格下降到0.25美元，32位M0单片机，价格下降到0.5美元；无线单片机也下降到接近1美元；而且待机功耗下降到1微安以下；这样，物联网技术将以很快的速度，进入家电和消费电子市场，衍生出全新应用；手持，轻薄，网络化，微功耗是主要特点和主要卖点；物联网上的温度计物联网上血糖仪物联网上的计步器9越来越小的无线网络路由节点逐步实现微功耗的能量收集运行•无线传感器网络路由节点承担路由转发任务，必须要消耗一定功率，一般设计采用外加电源供电；•但是随着路由节点功耗和体积下降，使用最新的能量收集技术，作为路由节点供电可能性逐步加大；•荒漠，草原，农业环境监测，滴灌，根灌等野外传感器网，物联网应用将逐步实现；太阳能供电路由节点示意图振动收集供电路由节点示意图植物收集为无线网络路由器供电，实现能量收集无线传无线感器网络示意图可以监视野外环境火灾报警等10超高频电子标签（节点）微型化：推动UHFEPC技术新应用－1•超高频电子标签微型化的主要技术原因是：•1、读卡器输出功率增加；•2、标签芯片灵敏度提高；•标签体积微型化，将带来一系列新应用目前我们在美国实验室测试，UHFEPC无源标签读写距离已经可以达到30－40米这意味着货物识别将具有更大准确性，快捷性；将有更多的商业应用可以实现小型药瓶名酒酒瓶放心猪肉UHF标签小型化和微型化，为防伪应用开辟了广阔的天地；很多体积小，价格敏感的商品将也很容易实现跟踪和识别11超高频电子标签（节点）微型化：推动UHFEPC技术新应用－2长距离UHF标签智慧公交系统UHF微型标签可以在很远的地方被准确读取将大大加快智慧商业应用长距离标签12物联网技术趋势研究之二无线网络覆盖范围越来越大低轨道卫星数据通讯有源RFID网络802.11SWIFI网状网3G/4G电信网络13低轨道卫星数据通讯，物联网连接更遥远•美国最近发射了第二代低轨道卫星；•卫星接收模块实现了微型化，容易实现全球集装箱，交通工具实时跟踪联网和监控；低轨道卫星M2M油管远程监控实例新一代低轨道卫星系统14长距离有源电子标签和网络扩展RFID范围和功能读卡器网络化有源标签读卡器和唤醒基站标签具有网络和定位功能15典型UHF有源标签硬件和协议软件UHF有源标签工作距离：10-2000m(1.2mi)频率：433MHz速率：28kbps标签容量：数千个标签具有multi-hop,sensors,security,IPv6和很多功能软件协议C语言代码1万行编译后执行代码典型8-16KB长距离有源电子标签和网络：标签结构性能和软件有源标签电路板16长距离有源电子标签和网络广阔的应用范围和全球市场17802.11SWI－FI网状网络无线网络覆盖范围越来越大802.11S网络拓扑802.11S都市无线网络802.11S车载无线网络18WI-FI网状网实际应用举例：智慧医院急诊室无线定位系统802.11S路由器802.11S路由器－2输液器标签WIFISOCGS1010工作人员标签WIFISOCGS1010病人标签WIFISOCGS101014325619物联网技术趋势研究之三无线SOC结构越来越复杂•无线单片机（无线SOC）处理器内核从8位到16位，到32位到多处理器，结构越来越复杂；•不仅实现了系统在芯片，而且实现了无线网络在芯片；•我们从分析GS1010WI－FI无线单片机来看这个技术趋势；GS1010WI-FI无线单片机结构20无线SOC－GS1010单芯片实现WIFI传感器网络节点轻松实现WIFI无线传感器网络21无线SOC－GS1010嵌入软件实现WIFI传感器网络在芯片22无线SOC－GS1010需要完备的软件编译开发平台•USEUCOS-II实时操作系统；•KEIL编译和调试平台；•加上完备的源代码包和软件资源；23物联网技术趋势研究之四无线网络协议栈设计越来越难低功耗蓝牙协议栈24IEEE-802.11协议栈802.11协议栈25802.15.4ZIGBEE协议栈ZIGBEE协议栈26物联网教学体系和知识体系27物联网教学体系和知识体系•前面论述了物联网核心技术和四大主要趋势，物联网教学体系和知识体系显然必须围绕这个核心技术来培养物联网人才；•我们已经初步建立了一个物联网教育体系和知识体系的框架；并且以《物联网技术概论》为起步，开始了12本物联网专业教材的编辑准备工作。28物联网技术教学体系要解决教什么？物联网初级教育物联网技术概论，无线传感器网基础RFID技术基础教学设备开发生产企业提供支撑平台包括：教学用物联网实验箱，大型物联网演示系统，物联网开发系统，实验实训系统和教师培训，技术支持物联网高级教育体系教育部组织全国高校技术和教育专家教授编写系列物联网技术专业教材教学大纲、题库实验指导书系统库和考试大纲目前已经规划专业课教材12本传统电子，信息，计算机，通讯，控制课程体系桥接到物联网核心课程教材编写体系高频电路和微波、卫星通讯3G/4G/TD远程网络和基站蓝牙/WIFI/ZIGBEERFID和EPC无线传感网和OS广播电视和光纤网络车载无线网络和汽车电子29物联网技术教学知识体系主要结构物联网技术基础知识体系25个知识点每个知识点涵盖一个物联网技术方向传感层使用基础RF2510/2480/2431基础RFWSN/PS实验箱网络层使用感知RF912/2440实验箱应用层使用创新RF101/102系统完成全部直观化课堂演示和实验物联网技术高级课程沿着25个知识点深度扩展重点在协议栈和微功耗无线网络核心软件物联网专业实验室RFID实验室蓝牙实验室WIFI实验室ZIGBEE实验室等电信网络广播电视光纤网络3G/4G/TD无线基站车载网络WIFI网状网络知识点扩展物联网技术知识库新一代专业实验室设备30物联网技术专业教材规划12本31《物联网技术导论》教材•按照物联网技术教育规划了25个知识点。•计划由年底由北理工出版社出版，作为教育部物联网技术应用工程师培训教材和高校物联网基础教材；•同时配备各种实验箱；物联网技术导论32物联网技术教学必须解决如何教？•物联网知识体系前面1－5个知识群，是要打下必要基础，初步明白单片机，C语言编程和简单电子电路和高频电路基础；•6－10个知识群，是应用前面的基础，建立无线传感器网络初步概念；主要教学方法是采用C语言编程为骨干来串接无线，高频，通讯和网络技术；•11－15个知识群，是进一步加入比较复杂的网状网络；网络通讯算法和原理，循序渐进，由浅入深，每将复杂的高频技术，进行难点分散到相关课程中，主要教学方法是采用C语言编程为骨干组织教学；•17－25个知识群，加入物联网网络层知识，仍然主要教学方法是采用C语言编程为骨干，加入了实时操作系统的技术和概念；•以软件编程技术为核心，以无线SOC为基础，以协议栈和网状网络算法为关键，多种网络进行大范围覆盖和交互路由，这个物联网教学知识体系，完成符合物联网技术发展的4大趋势和潮流；33物联网技术教学知识体系知识点1－51高频技术基础信号和噪声传输和损耗频率和频道，ISM波段典型的无线收发系统2数字模拟电路3微控制器4无线SOC5无线数字通讯基础多路访问，FDMATDMA，CSMAFHSS单片机和SOC内核单片机C语言编译和调试工具34物联网技术教学知识体系知识点6－106无线传感器传感器技术单片机传感器接口无线传感器系统7无线网络微功耗8简单无线网络9感知层节点设计10无线网络拓扑微功耗无线网络拓扑和路由典型无线网络协议栈解剖麻雀35物联网技术教学知识体系知识点11－1511ZIGBEEZIGBEE的物理层和网络拓扑；ZIGBEE的协议栈12无线通讯加密13高频RFID14超高频RFID15无线定位WIFI/ZIGBEE无线定位电子标签国际标准电子标签原理读写器原理和设计；36物联网技术教学知识体系知识点17－2117标准和协调器IEEE802.11IEEE802.15.4IEEE802.15.118远程网络19M2M网络20多网络路由和互联21数据库和中间件程序设计语言；数据库知识企业级应用系统GSM/GPRS3G网络TD和CDMA多网络融合软件设计编程技术37物联网技术教学具体如何做？典型课程“微功耗简单无线网络”•讲原理•讲理论•打基础概念－1：什么是微功耗无线无线网络？概念－2：什么是网络拓扑？概念－3：什么是星状拓扑？概念－4：什么是节点类型？典型的简单无线网络－SimpliciTI网络知识点介绍：典型的简单无线网络－SimpliciTI网络终端节点，路由节点，网关节点概念各种实际拓扑和原理38典型课程“微功耗简单无线网络”如何使用无线单片机构建节点？•讲电路•讲设计方法•无线网络节点电路板和模块硬件设计和高频设计知识；无线单片机构成了SimpliciTI网络的基本部件，包括：网关（AP），终端节点（ED）转发节点（RE），设计这些节点涉及电路，PCB设计，无线单片机，天线和电磁辐射等知识综合知识点CC2510无线单片机电路图简单无线网络高频电路板设计2.4GHZ天线设计和选择39“微功耗简单无线网络”课堂演示•需要器材PC机1套，基础RF-1试验箱中RF2510模块•现场演示•所见所得•实际感受无线网络；实验系统结构PC软件直观观察和演示基础RF-1实验箱40“微功耗简单无线网络”深度课程，解剖麻雀理解协议栈要素做•分析典型协议栈；•讨论关键算法和源代码实现•深度代码分析；SimpliciTI协议栈功能结构SimpliciTI协议栈软件分层SimpliciTI协议栈软件接口和数据格式41“微功耗简单无线网络”深度课程，分析理解如何实验C代码写协议栈做•协议栈C代码2－3万行源代码；•理解如何使用C语言代码实现一个完整的无线网络协议栈功能；协议栈C典型源代码分析SimpliciTI组网流程图SimpliciTI协议栈源代码结构NWK_DELAY(1);SMPL_Ioctl(IOCTL_OBJ_RADIO,IOCTL_ACT_RADIO_RSSI,(void*)&dbm);//监听当前信道的信号强度sSample[i]=dbm;//如果当前信道信号强度很强，则改变频率if(dbmINTERFERNCE_THRESHO