物联网关键技术及应用

LOGOContent：2020/1/181.物联网概述2.物联网架构3.物联网关键技术4.物联网的应用5.发展趋势及面临的问题目录LOGO一、物联网的概念1、物联网（IOT）的定义早在1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中就已经提及物联网概念。但是，“物联网”概念的真正提出是在1999年，由EPCglobal的Auto-ID中心提出，被定义为：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。2005年，国际电信联盟（ITU）正式称“物联网”为“TheInternetofthings（IOT）”，并发表了年终报告《ITU互联网报告2005：物联网》。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换；并描绘出“物联网”时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；2020/1/18LOGO物联网(IOT)的概念公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等。现在较为普遍的理解是，物联网是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。通过装置在各类物体上的电子标签（RFID）、传感器、二维码等经过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的沟通和对话。2、广义的物联网含义广义的物联网就是利用条码、射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协2020/1/18LOGO物联网（IOT）的概念议，实现人与人、人与物、物与物的在任何时间、任何地点的连接（anything、anytime、anywhere），从而进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的庞大网络系统。如果说互联网实现了人与人之间的交流，那么物联网可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的连接和交互。图1-1物联网的概念模型2020/1/18LOGO2020/1/183、物联网（IOT）的特征感知传输智能全面感知利用RFID、传感器、二维码等能够随时随地采集物体的动态信息。可靠传输通过网络将感知的各种信息进行实时传送。智能处理利用计算机技术，及时对海量的数据进行信息控制，真正达到了人与物的沟通、物与物的沟通。LOGO2020/1/184、物联网（IOT）结构示意图LOGO5、物联网（IOT）提出的背景经济危机下的推手:经济长波理论：每一次的经济低谷必定会催生出某些新的技术，而这种技术一定是可以为绝大多数工业产业提供一种全新的使用价值，从而带动新一轮的消费增长和高额的产业投资，以触动新经济周期的形成。过去的10年间，互联网技术取得巨大成功。目前的经济危机让人们又不得不面临紧迫的选择，物联网技术成为推动下一个经济增长的特别重要推手。传感技术的成熟:随着微电子技术的发展，涉及人类生活、生产、管理等方方面面的各种传感器已经比较成熟。例如常见的无线传感器（WSN）、RFID、电子标签等。网络接入和信息处理能力大幅提高:目前，随着网络接入多样化、IP宽带化和计算机软件技术的飞跃发展，基于海量信息收集和分类处理的能力大大提高。2020/1/18LOGO二、物联网的体系架构1、应用层：应用层是构建在物联网技术架构之上的应用系统，包括商业贸易、物流、农业、军事等等不同的应用系统。2、网络层：网络层，即进行信息交换的通信网络，包括有Internet、WIFI网以及无线通信网络等网络。3、信息采集层：数据采集指通过包括条码、射频识别、无线传感器、蓝牙等在内的自动识别与近场通信技术获取物品编码信息的过程。4、编码层：编码层是物联网的基石，是物联网信息交换内容的核心和关键字。编码是物品、设备、地点、属性等的数字化名称。2020/1/18LOGO物联网架构示意图:2020/1/18LOGO物联网体系构成根据国际电信联盟的建议，物联网自底向上可以为以下的过程：感知：该层的主要功能是通过各种类型的传感器对物质属性、环境状态、行为态势等静态／动态的信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识，针对具体感知任务，常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线计算与控制，并通过接入设备将获取的信息与网络中的其它单元进行资源共享与交互。接入：该层的主要功能是通过现有的移动通信网(如GSM网、T胁SCDMA网)、无线接入网(如WiMAX)、无线局域网(WiFi)、卫将来自感知层的信息传送到互联网中。互联网：该层的主要功能是以IP、，6／IPv4以及后伊星2020/1/18LOGO物联网体系构成网等基础设施，(Post-IP)为核心建立的互联网平台，将网络内的信息资源整合成一个可以互联互通的大型智能网络，为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高效、可靠、可信的基础设施平台。服务管理：该层的主要功能是通过具有超级计算能力的中心计算机群，对网络内的海量信息进行实时的管理和控制，并为上层应用提供一个良好的用户接口。应用：该层的主要功能是集成系统底层的功能，构建起面向各类行业的实际应用，如生态环境与自然灾害监测、智能交通、文物保护与文化传播、运程医疗与健康监护等。2020/1/18LOGO三、物联网关键技术物联网的关键技术有射频识别技术、传感技术、纳米技术、智能嵌入技术、云计算、IPv6技术。当前各项技术发展并不均衡，射频标签、条码与二维码等技术已经非常成熟，传感器网络相关技术尚有很大发展空间。在此只介绍射频识别技术(RFID)和传感技术(WSN)。3.1RFID3.1.1RFID的定义RFID（RadioFrequencyIdentification）即射频识别技术，俗称电子标签，通过射频信号自动识别目标对象，并对其信息进行标志、登记、储存和管理。3.1.2RFID系统组成电子标签：由芯片和标签天线或线圈组成，通过电感耦合2020/1/18LOGORFID介绍或电磁反射原理与读写器进行通信；读写器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备；天线：可以内置在读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器天线接口相连。RFID系统组成图示：2020/1/18标签阅读器天线LOGO3.1.3RFID的工作频率RFID的工作频率可划分为：1、LF：低频30－300KHz，常用125KHz；2、HF：高频3－30MHz，工作频率为13.56MHz;3、UHF：特高频300MHz－3GHz，工作频率：433MHz，866－960MHz2.45GHz；4、SHF：超高频3－30GHz，工作频率：5.8GHz、24GHz；RFID工作频率图：2020/1/180f(Hz)30k300k3M30M300M3G30G125k13.56M常用：433M866～960M5.8GLOGO图3-1RFID系统工作原理2020/1/18读写器将要发送的信息，经编码后加载到高频载波信号上再经天线向外发送。进入读写器工作区域的电子标签接收此信号，卡内芯片的有关电路对此信号进行倍压整流、调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过片上天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至信息系统进行处理。若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起电子标签内部电荷泵提升工作电压，提供电压擦写E2PROM。若经判断其对应密码和权限不符，则返回出错信息。LOGO3.1.4RFID的ISOIEC标准ISO/IEC（国际标准化组织和国际电工委员会）制定的RFID标准概况技术标准：ISO/IEC10536、ISO/IEC14443、ISO/IEC18000系列标准等数据结构标准：ISO/IEC15424、ISO/IEC15418、ISO/IEC15434等性能标准：ISO/IEC18046、ISO/IEC18047、ISO/IEC10373-6等应用标准：ISO/IEC10374、ISO/IEC18185、ISO/IEC11784等2020/1/18LOGO3.2无线传感器网络（WSN）传感器能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。无线传感器网络（WSN）无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。3.2.1WSN的特征与现有无线网络的差别1.WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大（上千甚至上万），节点分布更为密集；2020/1/18LOGOWSN的特征2.由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；3.环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化；4.通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的；5.传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等十分有限；6.传统无线网络的首要设计目标是提高服务质量和高效率带宽利用，其次才考虑节约能源；而WSN的首要设计目标是能源的高效使用，这也是WSN和传统网络最重要的区别之一。传感器节点的限制电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限。WSN的特点2020/1/18LOGOWSN的体系结构大规模网络、自组织网络、动态性网络、可靠的网络、应用相关的网络、以数据为中心的网络3.2.2WSN体系结构图3-2平面拓扑结构图3-3逻辑分层结构2020/1/18LOGOWSN的体系结构2020/1/18图3-4传感器节点体系结构图3-5传感器网络协议栈LOGO3.2.3传感器与无线通信传感网中使用的几种通信技术：1、移动通信：2G、3G、B3G、LTE；2、无线局域网：WiFi：无线局域网，802.11，校园网；WiMAX：无线城域网，802.16，已成为3G标准3、超宽带UWB：特征是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。工作频率3.1G-10.6GMHz，低功耗，如射频标签RFID（RadioFrequencyIdentification也称电子标签、无线电频率识别）。4、ZigBee：低功耗、近距离的无线组网通信技术；802.15.4（s）;5、NFC（近场通信），双向RFID，可实现设备之间的近距离通信（20cm，比兰牙短，但是不需要加密）；6、兰牙（Bluetooth）、红外（IiRD）；2020/1/18LOGO3.2.4WSN通信2020/1/18图3-6WSN在无线通信框架中的位置LOGO3.2.5WSN融合图3-7WSN和其它无线通信技术的融合2020/1/18LOGO3.3RFID和WSN融合2020/1/18图3-8物联网架构物联网架构下RFID与WSN的融合RFID侧重于识别，能够实现对目标的标识和管理，同时RFID系统具有读写距离有限、抗干扰性差、实现成本较高的不足；WSN侧重于组网，实现数据的传递，具有部署简单，实现成本低廉等优点，但一般WSN并不具有节点标识功能。RFID与WSN的结合存在很大的契机。LOGORFID和WSN的融合2020/1/18RFID与WSN可以在两个不同的层面进行融合：物联网架构下RFID与WSN的融合，传感器网络架构下RFID与WSN的融合。图3-9传感器网络架构下RFID与WSN的融合：智能基站LOGORFID和WSN的融合图3-10传感器网络架构下RFID与WSN的融合：智能节点图3-11传感器网络架构下RFID与WSN的融合：智能传感标签2020/1/18LOGO四、物联网的应用物联网应用核心关键技术：操作系统级应用中间件平台各环节关键技术：RFID技术(自动识别、防伪、可读写数据)、二维码技术（防伪、可读数据）、传感器技术、自动控制技术、传感网通讯技术（ZIGBEE）、嵌入式终端技术、IPV6、3G网络技术、SOA架构、语音识别、视频识别