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物联网的主要技术和应用

物联网 | 发布时间:2017-07-10 | 人气: | #评论# |本文关键字:物联网,智能电网,智能交通,智能建筑
摘要:本文简单介绍了物联网的起源、发展和特点。然后根据信息生成、传输、处理和应用的原则,把物联网分为4层:认知层、网络层、管理层、应用层。并逐层介绍它们所用到的技术。最后

 本文简单介绍了物联网的起源、发展和特点。然后根据信息生成、传输、处理和应用的原则,把物联网分为4层:认知层、网络层、管理层、应用层。并逐层介绍它们所用到的技术。最后以智能电网、智能交通和智能建筑为例展示物联网的具体应用。

 关键词:物联网  智能电网  智能交通  智能建筑

一、 概述

1、 基本概念

究竟什么是物联网,由于对其认识的不够深入和不同领域研究者出发点的不同,现在还没有一个公认和明确的定义。但大家都认可的是“物联网是一个基于互联网、传统电信网络等信息承载体,让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络”。换句话说,在物联网世界,每一个物体均可寻址,每一个物体均可通信,每一个物体均可控制。普遍认为物联网是继计算机、互联网和移动通信后引领信息产业革命的新一次浪潮。又由于物联网所倡导的物物互联规模要远大于现阶段的人与人通信业务,因此物联网的预期市场前景也要远大于之前的计算机、互联网和移动通信等。

2、 起源和发展

1995年比尔·盖茨在《未来之路》一书中就提出了“物物互联”的构想;1999年美国Auto-ID中心首先提出建立在物品编码、无线射频技术和互联网基础上的物联网概念。物联网的基本思想虽然成型与上世纪末,但在这些年才真正引起人们的关注。2005年国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,指出物联网时代即将来临,世界上所有的物体小到纸巾达到房屋都可以通过互联网主动进行信息交换。

随后世界许多国家都提出了自己的物联网发展战略。包括2009年美国IBM提出的“智慧地球”、欧盟的《Internet of ThingsAn action plan for Europe》行动方案、日本的《iJapan战略2015》信息化战略等。温家宝总理在20098月考察时也提出了“感知中国”战略构想,随后我国政府高层一系列的讲话、报告 和相关政策都表明中国要抓住机遇,紧跟世界先进潮流,大力发展物联网技术。

3、 主要技术

物联网在逻辑上可以分为认知层、网络层、管理层和应用层。把它与传统的信息系统构架相比,多了一个认知层。

认知层,即遍布在我们周边的各类传感器、条形码、摄像头等组成的传感器网络。它的作用是实现对物体的感知、识别、检测及数据采集,以及反应和控制等。这些作用改变了传统信息系统内部运算能力强但是但是对外部感知能力弱的状况,因此认知层是物联网的基础,也是物联网与传统信息系统的最大区别所在。

网络层,即由各种有线及无线节点、固定与移动网关组成的通信网络与互联网的融合体。主要作用是把认知层的数据接入网络以供上层使用。它的核心是互联网(包括下一代互联网),而各种无线网络则提供随时随地的网络接入服务。使用的技术包括互联网、移动通信网络、WiFi等无线宽带网络和蓝牙等无线低速网络等。

管理层,其作用是在高性能计算机和海量存储技术的支撑下,将大规模数据高效可靠地组织起来,为上层服务层提供智能的支撑平台。包括能储存大量数据的数据中心、以搜索引擎为代表的网络信息查询技术、智能处理系统和保护信息与隐私的安全系统等。

应用层,即物联网技术与各类行业应用相结合,通过物联网的“物物互联”实现无所不在的智能化应用,例如智能物流、智能电网、智能交通、环境监测等。

4、 主要特点

物联网最主要的特点,也是他与传统信息网络最大的区别是物联网突破了以前只能人与人或人与机器互联的模式。物与物之间也可以通过网络彼此交换信息、协同运作、相互操控。这可以称作“异构设备互联化”,即不同种类不同型号的设备利用无线通信模块和标准通信协议,形成自组织网络,实现信息的共享和融合。从而在各行各业中创造出自动化程度更高、功能更强大、对环境适应性更好的应用系统。

二、 认知层相关技术

1、无线射频识别技术(RFID)

1.1 概述

通过上面的介绍我们已经知道,物联网追求的是“物物互联”,但是当赋予地球上所有的物品以唯一地址时,对各个物品所蕴含的信息的储存、识别、读取和传输就十分重要。这就需要应用到自动识别技术。

自动识别技术主要包括以下几种:光符号识别技术、语音识别技术、生物计量识别技术、IC卡技术、条形码技术和射频识别技术等。其中条形码技术在我们生活中应用的十分广泛,几乎在每件商品上都有条形码的身影。但是它也有例如读取速度慢、储存能力小。工作距离近等很明显的缺点。

近年来无线射频识别技术(RFID)逐渐完善,它有许多独特的优势,例如防水防磁、读取速度快、储存能力强和识别距离远等,因此RFID能十分好的替代现有的条形码技术。特别是当有通信能力的RFID技术和赋予任何物体IP地址的IPv6技术相结合后,充分释放了它们二者的优点,使物联网所倡导的人和人、人和物、物和物的互联称为可能。

1.2 无线射频识别(RFID)的发展

射频识别技术(RFID)是利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)来实现无接触信息传递并通过所传递的信息来达到自动识别目的的技术。RFID技术的雏形甚至可以追溯到二战时期雷达系统为了区分敌我而使用的敌我飞机识别器(IFF)。20世纪60年代,人类对RFID的研究正式拉开大幕。而随着大规模集成电路、可编程存储器、微处理器以及软件技术和编程语言的发展,RFID技术才开始逐渐推广和部署在民用领域。

    发达国家如美国、德国等在RFID技术上起步较早也发展较快,因而具有比较成熟和先进的RFID系统。而在中国,RFID技术也已经广泛应用于铁路机车识别、二代身份证、危险品管理等多个领域。相信随着RFID产品种类的不断丰富和价格的逐渐降低,RFID技术将更加大规模的应用到我们的生活中,深刻影响各行各业。

1.3 无线射频识别(RFID)技术分析

我们通常将RFID系统分为3个部分:阅读器、天线和电子标签。在工作时,阅读器通过天线发出电子信号,标签在接收到信息后发射自己内部储存的信息,这些信息再通过天线被阅读器接收,最后再被主机所接收。阅读器和电子标签之间通过耦合元件实现信号的空间耦合,其方式有两种,即变压器模型的电感耦合和雷达模型的电磁反向散射耦合。

阅读器是RFID系统中最重要的组成部分,它的作用是通过天线主动向标签询问标识信息,因而在使用中经常把它和天线集成于一个设备。天线的作用是在阅读器和标签间传递射频信号,由于RFID系统的工作频率范围很广,主要的工作频率有125kHz13.56MHz433MHz2.45GHz等,所以天线与标签间的匹配问题就十分重要。

标签是由芯片、微型天线和耦合元件组成的,它附在物体上,用来标识目标对象。当标签接收到阅读器发出的射频信号,利用感应电流的能量发出储存在芯片内的电子编码或主动发出信号。标签利用三种方式进行数据存储:电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、铁电随机存取存储器(FRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)。一般主要采用的方式是EEPROM。而根据是否内置电源又可将标签分为三类:被动式标签、主动式标签和半主动式标签。

2、 传感器技术

2.1概述

    传感器扩展了人感知周围环境的能力,是现代生活中人类获取信息的重要手段。最早的传感器早在1861年就已经出现。随着科技的进步,现代传感器走上了微型化、智能化和网络化的发展路线,其典型代表就是无线传感器节点。无线传感器节点与传统传感器最大的不同,就是它不仅包括传感器部件还集成了微处理器和无线通信芯片,因此无线传感节点不但能从外界获取信息还能对信息进行分析和传输。

2.2无线传感器网络

    无线传感网是由大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络。它主要用于长期、实时、大规模、自动化的环境监测。随着节点软硬件技术的发展使节点的价格更加低廉,所以节点的部署也可以更加广泛,计算能力也可以更强更智能。一方面,传感器将朝着低价格、微体积的方向发展;另一方面,传感器将和智能手机、医疗设备等结合,朝着智能化、人性化的方向发展。而物联网的兴起也带给传感网新的发展契机。物联网将扩展传感网的应用模式,实现更透彻的感知、更深入的智能,实现“物物相联”。

3、 定位系统

3.1概述

    位置信息是最重要的信息之一,具体而言它包括三大要素:所在的地理位置、处在该地理位置的时间、处在该地理位置的对象。可见位置信息的内涵十分丰富,可以根据时间、空间和人物信息制定个性化的服务。由于位置信息的重要性,如何获取位置信息就成为了物联网时代一个重要的课题。随着几十年来技术的发展,人类开发出了一些比较成熟的定位系统,是定位变得越来越简单。

3.2定位系统及技术

·GPS       GPSGlobal Positioning System)是目前世界上最常用的卫星导航系统。GPS计划开始于1973年,是由美国国防部领导研制的。在1994年由24颗工作卫星组成的GPS卫星星座网组网成功,从此GPS正式投入使用。

GPS主要由三大部分组成:宇宙空间部分、地面监控部分和用户设备部分。

GPS定位的原理很简单,首先测出接收机与三颗卫星之间的距离,然后利用三点定位方式得到接收机的位置。在GPS系统中,根据卫星的空间位置和到接收机的距离可以做出一个球面,三个卫星就有三个球面,这样在空间中三个球的交集就是两个点,而距离地面近的点就是接收机的位置。然而在实际的应用中,由于参考卫星和接收机的距离是由发送和接收的时间差乘以光速来确定的,这就导致微小的时间测量误差就会导致位置误差很大。因此实际上需要借助至少四颗卫星。

由于GPS在军事和民用方面的巨大作用,为了避免受制于人,其他国家也陆续展开了自主的卫星导航系统的研究和部署。目前已经投入使用的有俄罗斯的GLONASS系统和我国的北斗一号区域性导航系统。欧盟的伽利略系统预计将在2014年投入使用。我国正在建设自主研发的北斗二号系统,届时将可以实现全球范围的导航覆盖。

·蜂窝基站定位       GPS系统虽然应用十分广泛,但是它也有弊端,例如在室内的定位效果就十分不理想,而且定位速度比较缓慢。而且并不是所有的移动设备都配备了GPS模块,此外有时对定位的精度需求并不是特别高。因此人们需要用蜂窝基站定位来作为GPS系统的补充。

在通信网络中,通信区域被划分成一个一个蜂窝小区,通常每一个小区有一个基站。目前大部分的GSMCDMA3G等通信网络均采用了蜂窝网络架构,在移动通信时,设备是始终与一个基站联系的。蜂窝基站定位也就是利用了这种广泛采用的蜂窝网络。

蜂窝基站定位的方法有许多种。最简单的是COO方法,它只利用一个基站,因此误差范围相当大,但优点是定位速度快,适用于情况紧急的场合。在多基站定位法中,常用的是ToATDoA。前者的原理类似于卫星定位系统;后者则是利用信号到达基站的时间差来通过方程求解位置,因此减少了时间不一致所带来的误差。这两种方法都至少需要三个基站。除此之外,还有只利用两个基站的AoA定位法和利用信号强度的RSS定位法。

·无线室内定位       由于室内的障碍物较多,而且ToA/TDoA等技术需要比较昂贵的硬件支持,因此前面的定位方法就产生了局限性。现在大部分室内定位系统都基于信号强度即RSS。这种方法不依赖于专门的定位设备,利用已建好的蓝牙、WiFiZigBee等就可以进行定位,十分方便和经济实惠。

    除了以上三类比较成熟的定位系统,随着技术的发展又产生了一些新的定位系统。包括通过GPS和蜂窝基站结合进行定位的AGPS定位以及通过WiFi接入点进行定位的无线AP定位。

3.3定位系统与物联网

定位技术发展了几十年,已经相对比较成熟,而物联网的兴起又对定位技术带来了新的挑战。首先物联网环境下接入网络的设备五花八门,连接它们的网络也是各式各样,在如此复杂的环境下准确定位是一个很大的挑战。其次,如何在物联网环境下保护信息和隐私的安全也是一大课题。最后,在物联网时代如果算上RFID标签等,接入网络的设备可达数百亿。在如此大的数量下保障网络和设备的正常运行也是对现有技术很大的挑战。不过更大的挑战也意味着更大的机遇,利用定位技术和物联网发展,人类必将受益匪浅。

4、 智能信息设备

现在人们的生活中充斥着大量的智能设备。传统的智能设备有个人计算机(PC)和个人数字处理(PDA)等。而随着物联网带来的信息空间和物理空间的融合,又应运而生了许多新型的智能设备。包括应用于智能交通的车载设备、在大型场所的数字标牌、智能医疗领域的医疗设备和智能电视、智能手机等等。

随着物联网的发展,智能设备呈现出三个发展趋势,即更深入的智能化、更透彻的感知和更全面的互联互通。

1)更深入的智能化:包含横向智能化和纵向智能化两层含义。前者是指传统意义上的通过个体设备性能的提升来实现的智能化;后者是指通过把单个设备融入整个智能系统中来实现智能化。而为了实现更深入更广泛的智能化,必须要更透彻的感知。

2)更深入的智能化:是物联网向物理世界的延伸,包含两个层面:主动感知和被动感知。前者是传统的通过传感器来实现对外部世界信息的感知;后者则是设备主动向周围广播自身的功能和状态,以便与环境中的其他设备更好的协作。

3)更全面的互联互通:只有实现更全面的互联互通才能实现更深入的智能化和更透彻的感知。设备之间通过网络广泛的互联互通在实现信息共享的同时也有利于相互协作完成任务。许多的设备连接起来形成一个功能强大的设备群,能释放出更大的潜力。

 三、 网络层相关技术

1、 互联网

1.1概述

互联网诞生于上世纪60年代的美国大学实验室,现在经过了40余年的发展互联网已经深入了我们生活的方方面面,未来互联网亦是实现物联网中物与物之间更全面的互联互通的最重要也是最主要的途径。在物联网时代,任何一个具有感知能力或是贴附有RFID标签的物体都可以接入到网络中。

互联网最主要的作用就是使设备在可以在相当远的距离相互传输信息和数据。要实现数据的传输,前提条件是发送端和接收端都接入了网络。网络的接入方式有很多种,常见的有互联网普及初期的电话线拨号上网;基于普通电话线的宽带接入方式(DSL);以太网接入方式;利用电力线来传输的新型接入方式;以WiFi为代表的短距无线接入方式等。

在终端接入网络后,数据从发送端发送到接收端的过程称为数据交换。根据交换方式的不同可以吧数据交换分为三种:电路交换、报文交换和分组交换。其中分组交换由于其具有效率高等显著优点是现在也会是未来的物联网时代最主流的交换技术。

1.2分层结构

互联网是一个非常复杂和庞大的系统,因此需要分层结构来管理和组织。按照功能将互联网分为五层,即应用层、传输层、网络层、链路层和物理层,使每层需要解决的问题相对集中。为了解决不同分层面对的问题,对每一层都有一些专门的通信协议,例如HTTPTCPIP等。

应用层 是我们日常接触最多的分层,数据处理的基本单位是报文。常用的HTTP(网页文本传输)、FTP(文件传输)、DNS(域名解析)等都属于应用层。应用层为互联网提供了一个面向用户的上层接口,使互联网有很强的扩展性,能为用户提供应用和服务。

传输层 负责网络中终端间的数据传输,它的数据处理的基本单位是数据段。传输层主要包含了TCPUDP两个端到端的传输协议。它们能将应用层产生的报文进行包装并传向下一层,在逻辑上实现发送端的应用程序和接收端的应用程序成功的进行数据传输。

网络层 的功能是将发送端传输层产生的数据段成功传送到接收端,数据处理的基本单位是数据包。本层中最常见的协议是IP协议。IP协议通过IP地址的标示和路由算法的参与,可以实现将数据包从发送端发出,通过路由器最终到的接收端。IPv4是当前的主流,其理论上有232次方个地址,但是由于需要接入网络设备的剧增,IPv4地址面临枯竭的危险。为了突破这一限制,人们探索出了新的协议方案,即IPv6IPv6地址理论上有2128次方个,如此巨大的地址数量为物联网时代大量终端设备的联网扫清了障碍。

链路层 主要负责两个直接相连设备的直接通信,数据处理的基本单位是帧。网络层中实现的终端到终端间的传输,实际上是由链路层一次一次的直接传输组成的。其直接相连方式可以是有线也可以是无线。

物理层 负责将链路层中产生的数据帧按比特的顺序,从一个网络原件沿着传输介质发送到另一个与其相连的网络原件。物理层位于整个协议的最底层,其数据处理的基本单位是比特。

责任编辑:电气自动化网

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