傳感器技術與定位系統(tǒng)第1頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器作為信息獲取的重要手段，與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱。第2頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月主要內容12345傳感器技術概述傳感器設計需求與硬件平臺傳感器技術典型應用典型定位系統(tǒng)常用定位技術6物聯(lián)網(wǎng)對定位技術的新挑戰(zhàn)第3頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)傳感器技術概述

一、傳感器定義定義我國國家標準對傳感器的定義是：“能感受被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置”。傳統(tǒng)傳感器的局限性網(wǎng)絡化、智能化的程度十分有限，缺少有效的數(shù)據(jù)處理與信息共享能力?，F(xiàn)代傳感器特點：微型化、智能化和網(wǎng)絡化典型代表：無線傳感節(jié)點傳感器定義發(fā)展進程第4頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月無線傳感節(jié)點無線傳感節(jié)點的組成：電池、傳感器、微處理器、無線通信芯片；相比于傳統(tǒng)傳感器，無線傳感節(jié)點不僅包括傳感器部件（左上圖），還集成了微型處理器和無線通信芯片等，能夠對感知信息進行分析處理和網(wǎng)絡傳輸。傳感器定義發(fā)展進程第一節(jié)傳感器技術概述

第5頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、發(fā)展進程：兩條主線對無線傳感器的研究始于20世紀90年代1996年，LWIM團隊將多種傳感器、控制和通信芯片集成在一個設備上，開發(fā)了LWIM節(jié)點1998年，LWIM團隊和Rockwell科學中心合作開發(fā)了WINS節(jié)點1999年，該校發(fā)布了WeC節(jié)點之后，該校又發(fā)布了一系列節(jié)點，包括Mica、Mica2、Mica2Dot，MicaZ

第一節(jié)傳感器技術概述

傳感器定義發(fā)展進程加州伯克萊分校SmartDust項目微型化傳感器節(jié)點加州洛杉磯分校LWIN項目低功耗無線傳感節(jié)點第6頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月傳感器緩慢提升的性能時間硬件能力摩爾定律

預測的曲線傳感器節(jié)點發(fā)展曲線2004計算機硬件的發(fā)展通常遵循摩爾定律：集成電路上可容納的晶體管數(shù)量，約每隔18個月增加一倍，性能也將提升一倍。

無線傳感器節(jié)點的發(fā)展并沒有像摩爾定律預測的速度發(fā)展！第一節(jié)傳感器技術概述

傳感器定義發(fā)展進程第7頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月制約傳感器性能提升的因素？第一節(jié)傳感器技術概述

傳感器定義發(fā)展進程功耗的制約：無線傳感節(jié)點一般被部署在野外，不能通過有線供電。其硬件設計必須以節(jié)能為重要設計目標。價格的制約：無線傳感節(jié)點一般需要大量組網(wǎng)，以完成特定的功能。其硬件設計必須以廉價為重要設計目標。體積的制約：無線傳感節(jié)點一般需要容易攜帶，易于部署。其硬件設計必須以微型化為重要設計目標。第二節(jié)第8頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月一、傳感器的設計需求低成本與微型化低成本的節(jié)點才能被大規(guī)模部署，微型化的節(jié)點才能使部署更加容易；節(jié)點的軟件設計也需要滿足微型化的需求。節(jié)點程序的設計必須節(jié)約計算資源，避免超出節(jié)點的硬件能力。第二節(jié)傳感器設計需求與硬件平臺

設計需求硬件平臺不同的應用場景對傳感器軟硬件提出獨特的設計需求。第9頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月低功耗在硬件設計上采用低功耗芯片例如TelosB節(jié)點使用的微處理器，在正常工作狀態(tài)下功率為3mW。軟件節(jié)能策略來實現(xiàn)節(jié)能軟件節(jié)能策略的核心就是盡量使節(jié)點在不需要工作的時候進入低功耗模式，僅在需要工作的時候進入正常狀態(tài)。設計需求硬件平臺第二節(jié)傳感器設計需求與硬件平臺

第10頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月靈活性與擴展性傳感器節(jié)點被用于各種不同的應用中，因此節(jié)點硬件和軟件的設計必須具有靈活性和擴展性

節(jié)點的硬件設計需滿足一定的標準接口，例如節(jié)點和傳感板的接口統(tǒng)一有利于給節(jié)點安裝上不同功能的傳感器軟件的設計必須是可剪裁的，能夠根據(jù)不同應用的需求，安裝不同功能的軟件模塊

設計需求硬件平臺第二節(jié)傳感器設計需求與硬件平臺

第11頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月魯棒性魯棒性是實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡長時間部署的重要保障；

對于普通的計算機，一旦系統(tǒng)崩潰了，人們可以采用重啟的方法恢復系統(tǒng)，而傳感器節(jié)點則不行，就整個網(wǎng)絡而言，可以適當增加冗余性，增加整體系統(tǒng)的魯棒性。設計需求硬件平臺第二節(jié)傳感器設計需求與硬件平臺

第12頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月二、傳感器的硬件平臺第二節(jié)傳感器設計需求與硬件平臺

結合設計需求可得出傳感器節(jié)點硬件平臺的基本特征。設計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性傳感器硬件平臺傳感器微處理器無線通信芯片電池傳感器有許多傳感器可供節(jié)點平臺使用，使用哪種傳感器往往由具體的應用需求以及傳感器本身的特點決定。需要根據(jù)處理器與傳感器的交互方式：通過模擬信號和通過數(shù)字信號，選擇是否需要外部模數(shù)轉換器和額外的校準技術。第13頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月設計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性傳感器硬件平臺傳感器微處理器無線通信芯片電池第二節(jié)傳感器設計需求與硬件平臺

常用傳感器及其關鍵特性第14頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月設計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性傳感器硬件平臺傳感器微處理器無線通信芯片電池第二節(jié)傳感器設計需求與硬件平臺

微處理器微處理器是無線傳感節(jié)點中負責計算的核心，目前的微處理器芯片同時也集成了內存、閃存、模數(shù)轉化器、數(shù)字IO等，這種深度集成的特征使得它們非常適合在無線傳感器網(wǎng)絡中使用。影響節(jié)點工作整體性能的微處理器關鍵性能包括功耗特性，喚醒時間（在睡眠/工作狀態(tài)間快速切換），供電電壓（長時間工作），運算速度和內存大小。第15頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月設計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性傳感器硬件平臺傳感器微處理器無線通信芯片電池第二節(jié)傳感器設計需求與硬件平臺

常用微處理器及其關鍵特性第16頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月設計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性傳感器硬件平臺傳感器微處理器無線通信芯片電池第二節(jié)傳感器設計需求與硬件平臺

通信芯片通信芯片是無線傳感節(jié)點中重要的組成部分，在一個無線傳感節(jié)點的能量消耗中，通信芯片通常消耗能量最多。

低功耗的通信芯片在發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)時消耗的能量差別不大，這意味著只要通信芯片開著，都在消耗差不多的能量。通信芯片的傳輸距離是選擇傳感節(jié)點的重要指標。發(fā)射功率越大，接受靈敏度越高，信號傳輸距離越遠。第17頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月設計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性傳感器硬件平臺傳感器微處理器無線通信芯片電池第二節(jié)傳感器設計需求與硬件平臺

常用通信芯片及其關鍵特性第18頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)傳感器設計需求與硬件平臺

設計需求回顧低成本與微型化低功耗靈活性與擴展性魯棒性傳感器硬件平臺傳感器微處理器無線通信芯片電池供能裝置采用電池供電，使得節(jié)點容易部署。但由于電壓、環(huán)境等變化，電池容量并不能被完全利用。可再生能量，如太陽能。可再生能源存儲能量有兩種方式：充電電池，自放電較少，電能利用會比較高，但充電的效率較低，且充電次數(shù)有限；超電容，充電效率高，充電次數(shù)可達100萬次，且不易受溫度，振動等因素的影響。第三節(jié)第19頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)傳感器技術典型應用

軍事監(jiān)測中的傳感器典型應用VigilNet智能樓宇中的傳感器LoCal醫(yī)療監(jiān)控中的傳感器Mercury第20頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)傳感器技術典型應用

軍事監(jiān)測中的傳感器：VigilNetVigilNet是由美國弗吉尼亞大學研制的用于軍事監(jiān)測的無線傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)由XSM，Mica2和Mica2Dot節(jié)點構成，其規(guī)模最大達200個節(jié)點；節(jié)點通過電池供電，鋪設在道路旁邊，用于檢測與收集移動目標的情況。應用特點節(jié)點自主成網(wǎng)、多跳傳輸；節(jié)點通過電池供電，通過軟件節(jié)能機制延長網(wǎng)絡的生命周期；節(jié)點智能感知、協(xié)同工作，向上提供預警的功能。第21頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)傳感器技術典型應用

智能樓宇中的傳感器：LoCal每年美國用電報告顯示至少有30%的電量是浪費的。這些電能浪費在何處？由美國加州大學伯克利分校大學發(fā)起的LoCal項目試圖通過在智能樓宇中部署無線傳感器網(wǎng)絡來解決這些問題。應用特點傳感器能實現(xiàn)空間和時間上的細粒度感知，可實時跟蹤到單個電器；傳感器能實現(xiàn)“多功能”的感知，能推測用戶的行為；傳感器能夠互聯(lián)互通，通過大量連續(xù)的數(shù)據(jù)則有助于分析得出更多有用的信息。第22頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)傳感器技術典型應用

醫(yī)療監(jiān)控中的傳感器：Mercury傳感器的另一個重要應用是醫(yī)療監(jiān)控，哈佛大學研究組改進了傳統(tǒng)傳感器，使得其外形更小，適合穿戴在身上。應用特點傳感器的設計十分人性化；傳感器具有高精度的感知能力，醫(yī)用的數(shù)據(jù)需要較高的采樣精度供醫(yī)生分析診斷；傳感器能連續(xù)長期地采集數(shù)據(jù)；傳感器使用無線通信方式，其數(shù)據(jù)傳輸是機會性的。第四節(jié)第23頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)典型定位系統(tǒng)

為什么需要定位？基于位置的服務自動導航搜索周邊服務信息基于位置的社交網(wǎng)絡：Foursquare位置信息和我們的生活息息相關位置信息不是單純的“位置”地理位置（空間坐標）處在該位置的時刻（時間坐標）處在該位置的對象（身份信息）第24頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)典型定位系統(tǒng)

現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS蜂窩基站定位無線室內環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)：A-GPS，網(wǎng)絡定位第25頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)典型定位系統(tǒng)

一、衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)各國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)美國：GPS俄羅斯：GLONASS歐盟：伽利略中國：北斗一號（區(qū)域）、北斗二號（全球）GPS是目前世界上最常用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。第26頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)典型定位系統(tǒng)

衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)GPS系統(tǒng)結構GPS定位原理GPS主要特點宇宙空間部分24顆工作衛(wèi)星地面監(jiān)控部分1個主控中心4個專用地面天線6個專用監(jiān)視站用戶設備部分GPS接收機優(yōu)點精度高全球覆蓋，可用于險惡環(huán)境缺點啟動時間長室內信號差需要GPS接收機第27頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)典型定位系統(tǒng)

二、蜂窩基站定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)GSM蜂窩網(wǎng)絡通訊區(qū)域被分割成蜂窩小區(qū)每個小區(qū)對應一個通訊基站通訊設備連接小區(qū)對應基站進行通訊利用基站位置已知的條件，可對通訊設備進行定位第28頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)典型定位系統(tǒng)

衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)1.單基站定位法COO定位（CellofOrigin）將移動設備所屬基站的位置視為移動設備的位置精度直接取決于基站覆蓋的范圍基站分布疏松地區(qū)，一個基站覆蓋范圍半徑可達數(shù)公里，誤差巨大優(yōu)點：簡單、快速，適用緊急情況第29頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)典型定位系統(tǒng)

衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)2.多基站定位法ToA/TDoA定位法需要三個基站才能定位稀疏地區(qū)可能只能收到兩個基站的信號，不適用。AoA定位法第30頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)典型定位系統(tǒng)

衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點優(yōu)點不需要GPS接收機，可通訊即可定位啟動速度慢信號穿透能力強，室內亦可接收到缺點定位精度相對較低基站需要有專門硬件，造價昂貴第31頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)典型定位系統(tǒng)

衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)三、無線室內環(huán)境定位室內環(huán)境的復雜性多徑效應原因：障礙物反射電磁波，反射波和原始波在接收端混疊室內障礙物眾多，多徑效應明顯對電磁波的阻礙作用長波信號（GPS）傳播能力強，穿透能力弱室內應選用短波信號來進行定位第32頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)典型定位系統(tǒng)

衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)需求主要來自企業(yè)和個人：難以購置ToA，TDoA，AoA等技術所需的昂貴硬件。RSS定位技術使用信號強度進行定位利用已有的無線網(wǎng)絡（藍牙、Wi-Fi、ZigBee）紅外線、超聲波、藍牙、RFID、超寬帶……第33頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)第四節(jié)典型定位系統(tǒng)

四、新興定位系統(tǒng)1.利用可見Wi-Fi接入點來定位；2.在大城市中，無線AP數(shù)目多，定位非常精確；3.在iPhone中成熟應用。1.GPS定位和蜂窩基站定位的結合體2.利用基站定位確定大致范圍3.連接網(wǎng)絡查詢當前位置可見衛(wèi)星4.大大縮短搜索衛(wèi)星的時間1.用于無線傳感網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡；2.通過少量位置已知節(jié)點，定位出全網(wǎng)絡節(jié)點的位置。新興定位系統(tǒng)A-GPS無線AP定位網(wǎng)絡定位第五節(jié)第34頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)常用定位技術

定位技術的關鍵：有一個或多個已知坐標的參考點得到待定物體與已知參考點的空間關系定位技術的兩個步驟：測量物理量→根據(jù)物理量確定目標位置常見定位技術：基于距離的定位（ToA）基于距離差的定位（TDoA）基于信號特征的定位（RSS）第35頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)常用定位技術

基于距離基于距離差基于信號特征1.基于距離的定位（ToA）距離測量方法距離d=波速v*傳播時間Δt傳播時間Δt=收到時刻t–發(fā)出時刻t0問題：接受端如何得知t0

？（方法1）：利用波速差發(fā)送端同時發(fā)送一道電磁波和聲波接收端記錄：電磁波到達時刻、聲波到達時刻距離由于遠大于，上式可簡化為第36頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)常用定位技術

（方法2）：測量波的往返時間發(fā)送端于時刻發(fā)送波接收端收到波后，等待時間后返回同樣的波發(fā)送端記錄收到回復的時間距離基于距離基于距離差基于信號特征位置計算方法：多邊測量（也稱多點測量）平面上定位，取三個參考點以每個參考點為圓心，到該參考點的距離為半徑畫圓，目標必在圓上平面上三個圓交于一點第37頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)常用定位技術

基于距離基于距離差基于信號特征2.基于距離差的定位（TDoA）ToA的局限需要參考點和測量目標時鐘同步TDoA不需要參考點和測量目標時鐘同步參考點之間仍然需要時鐘同步距離差測距方法測量目標廣播信號參考點i，j分別記錄信號接收到的時刻ti，tj測量目標到i，j的距離差第38頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)常用定位技術

位置計算方法至少兩組數(shù)據(jù)聯(lián)立方程求解實際采用多組數(shù)據(jù)最小二乘法求解每次測量結果參考點坐標到參考點的距離構建方程：基于距離基于距離差基于信號特征第39頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)常用定位技術

基于距離基于距離差基于信號特征3.基于信號特征的定位ToA和TDoA都需要接收端特殊裝置基于信號特征的定位直接利用無線通信的射頻信號定位，不需要額外設備原理：信號強度隨傳播距離衰減第40頁，課件共45頁，創(chuàng)作于2023年2月基于距離基于距離差基于信號特征第五節(jié)常用定位技術

問題：