搜索
物联网工程布线技术王公儒主编单元一认识物联网工程主要内容1.1认识物联网工程应用系统1.2物联网工程关键技术1.3物联网工程布线关键技术1.4物联网的发展和应用前景1.5典型行业应用案例1.6思考题了解物联网基本概念以及与互联网的关系，物联网工程关键技术和布线技术，比较全面的认识物联网的发展应用和布线技术。重点1.1认识物联网工程应用系统在互联网、传感网、通信、射频识别等新技术的推动下，一种能够实现人与人、人与机器、人与物、物与物之间直接沟通的物联网（InternetofThings）已经全面深入我们的日常生活，推动社会向前发展。在互联网时代，不仅人与人之间的距离变小了，沟通和交流高效快捷，而且快速改变了人们的生活方式和世界观。在物联网时代，不仅物与物之间的距离变小了，实现了信息自动采集、传输和相互控制，而且再次快速改变我们的生活方式，改变人类对物质世界的认识和管理。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。国际电联曾预测，未来世界是无所不在的物联网世界，到2017年将有7万亿传感器为地球上的70亿人口提供服务。一方面物联网可以用于提高经济效益，大大节约成本，另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟等都在投入巨资，深入研究探索物联网，中国政府高度关注、重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。1.1认识物联网工程应用系统1.1.1物联网工程的相关概念关于物联网的概念和定义，学术界和业界由多种认识和观点，一种概念从物联网与互联网的对比角度认为，物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等信息传感设备，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的另一种概念认为物联网是由具有自我标识、感知和智能的物理实体基于通信技术相互连接形成的网络，这些物理设备可以在无需人工干预的条件下实现协同和互动，为人们提供智慧和集约的服务，具有全面感知、可靠传递、智能处理的特点。根据物联网与互联网的关系分类，不同的专家学者对物联网给出了各自的定义，下面介绍几种目前比较流行的概念和定义。1.1认识物联网工程应用系统1.1.1物联网工程的相关概念1.物联网是传感网有的专家认为，物联网就是传感网，只是给人们生活环境中的物体安装传感器，这些传感器可以更好的帮助人类识别环境，这个传感器网不接入互联网。传感网是把所有物品通过RFID和条码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的网络。2.物联网是互联网的补充网络常说的互联网是指人与人之间通过计算机结成的全球性网络，服务于人与人之间的信息交换。而物联网的主体则是各种各样的物品，通过物品间传递信息从而达到最终服务于人的目的。3.物联网是未来的互联网从宏观概念上讲，未来的物联网将使人置身于无所不在的网络之中，在不知不觉中，人可以随时随地与周围的人或物进行信息交换，这时物联网也就等同于泛在网络，或者说未来的互联网。1.1认识物联网工程应用系统1.1.2各种信息网络之间的关系在信息技术行业，目前比较流行的网络概念主要有互联网、物联网、传感网、泛在网等，这些概念和来源不同，内涵既有重叠，重点各不相同，他们之间的关系如图1-1所示。图1-1传感网、物联网和泛在网的关系1.1认识物联网工程应用系统1.1.2各种信息网络之间的关系1.传感网传感网是由各种传感器（光、电、温度、湿度、压力等）与中低速的近距离无线通信技术构成的一个独立的网络，是由多个具有有线/无线通信与计算能力的低功耗、小体积的微小传感器节点构成的网络系统，简单的理解，可以认为它重点解决局域或小范围的物与物的信息交换，是物联网末端采用的关键计算之一，图1-2为传感器网络树状拓扑图。图1-2传感器网络树状拓扑图1.1认识物联网工程应用系统1.1.2各种信息网络之间的关系2.物联网广义来讲，物联网是一个未来发展的远景，等同于“未来的互联网”或者“泛在网络”，能够实现在任何时间、地点，使用任何网络的任何人与物的信息交换以及物与物之间的信息交换。狭义来讲，物联网是物品之间通过传感器连接起来的局域网，不论接入互联网与否，都属于物联网的范畴。全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的基本特征，如图1-3所示。图1-3物联网的基本特征示意图1.1认识物联网工程应用系统1.1.2各种信息网络之间的关系3.泛在网泛在网是指基于个人和社会的需求，利用现有的网络技术和新的网络技术，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络超强的环境感知、内容感知及其智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。计算机和云计算将是泛在网信息基础设施中重要的技术。图1-4泛在网业务架构示意图1.1认识物联网工程应用系统1.1.2各种信息网络之间的关系4.各种信息网络之间的关系传感网、物联网、泛在网各有定位，传感网是泛在网和物联网的组成部分，物联网是泛在网发展的物联阶段。通信网、互联网、物联网之间相互协同、融合是泛在网发展的目标。也就是说，通信网、互联网、物联网各自的发展是泛在网初级发展阶段，泛在网的最终目标是各种网络的高度融合和协同。表1-1各种网络技术特征对比表特征网络联接主体信息采集信息传输信息处理社会状态物联网人与物，物与物自动数字化，网络化智能化现实传感网物与物，人与物自动数字化，网络化智能化现实互联网人与人人工数字化，网络化交换虚拟泛在网人与人，人与物物与物自动，人工数字化，网络化智能化交换现实，虚拟1.1认识物联网工程应用系统1.1.2各种信息网络之间的关系4.各种信息网络之间的关系国际或国家主干网地区主干网企业或校园网互联网核心交换部分终端系统部分互联网端系统物联网端系统物联网互联网无线自组网接入无线局域网接入（802.11）无线局域网接入（802.16）无线接入有线接入局域网接入（802.3）电话交换网接入ADSL接入设备CableModemISDNCATV无线传感网络接入无线传感器结点无线传感器网络（WSN）RFID应用系统RFID系统接入RFID读写器RFID读写器RFID结点RFID结点有线电视网接入图1-5互联网、物联网、传感网等各种网络连接的架构示意图1.2物联网工程关键技术IBM对智慧地球的3I描述是“更透彻的感知、更全面的互联和更深入的智能”，对应了物联网感知、传输和应用3个层面。而这3个“更”则对应着3个方面技术的应用和技术的进步：感知技术、传输技术、应用层支撑技术。其中与物联网起源密切相关的两类感知技术为射频识别（RFID）技术和无线传感网（WSN）技术。1.2物联网工程关键技术1.2.1物联网架构关键技术物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层，如图1-6所示。个人应用智能电力智能家居智能环境公共安全智能农业智能工业应用服务子层应用支撑子层核心网子层接入网子层电信网互联网专网信息开发平台通信环境平台服务支撑平台公共中间件RFID摄像头传感器感知/延伸层应用层家庭网关网络层Reader感知层由各种传感器以及传感器网关构成，主要功能是识别物体，采集信息。网络层由各种企业和事业单位网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户（包括人、组织和其它系统）的接口。图1-6物联网感知层、网络层、应用层架构示意图1.2物联网工程关键技术1.2.2无线传感网关键技术无线传感器网络是一种由独立分布的节点以及网关构成的传感器网络。安放在不同地点的传感器节点不断采集着外界的物理信息，如温度、声音、震动等。相互独立的节点之间通过无线网络进行通信。无线传感器网络的每个节点都能够进行采集，数据的简单处理，还能接收来自其他节点的数据，并最终将数据发送到网关。工程师可以从网关获取数据，查看历史数据记录或进行分析。通常，一个典型的无线传感器网络节点的硬件结构包括：传感器接口、ADC、微处理器、电源以及无线收发装置。无线传感网必须重点考虑网络选择，拓扑结构，功耗以及兼容性。1.2物联网工程关键技术1.2.2无线传感网关键技术1.无线网络的选择挑选无线网络时，带宽、传输距离以及功耗是三个主要考虑因素。ZigBee已被证明是最适合用于无线传感器网络的无线技术，它拥有250kbps的带宽，传输距离可达1km以上，并且功耗更小，采用普通AA电池就能够支持设备在高达数年的时间内连续工作。2.网络协议无线传感器网络一般是由在空间分布的和独立的网络节点组成的。节点包含有传感器来监控节点的物理或环境条件，如温度、声音、震动、压力、运动或污染物等。每个节点通常带有无线电收发器或其他无线设备通信设备以通过网络把传感数据传输给数据库和其他用户。这样，无线传感器网络可以用于数据收集、目标跟踪以及报警监控等。国际电气和电子工程师联合会(IEEE)的1451工作组(IEEE1451)建立了一个智能传感器即插即用(plug-and-play)的标准，使所有符合标准的传感器能和其它仪器和系统一起工作。1.2物联网工程关键技术1.2.2无线传感网关键技术3.网络拓扑星形是最简单的网络拓扑结构，每一个节点都拥有一条直接通向网关的通道，然而其传输距离有限。采用树形拓扑能够解决这个问题，添加路由节点后，远处的节点上的数据能够通过路由节点传输到网关。然而树形拓扑仍然存在可靠性的问题，一旦路由节点产生问题，所有由这个节点通向网关的通路将被切断。所以，对于可靠性要求很高的无线网络，建议选择网状拓扑结构。网关路由节点终端节点图例说明星形拓扑树形拓扑网状拓扑可靠性反应时间距离复杂度图1-7传感网常用网络拓扑结构示意图1.2物联网工程关键技术1.2.2无线传感网关键技术4.系统功耗无线传感器网络通常被放置在室外，无法进行长距离的布线，这就牵涉到两个问题，一是信号的传输，二是设备的供电。信号传输问题可以通过选择无线网络解决，设备供电问题，则必须考虑外部电源，例如电池或小型发电设备。由于电池所能供应的电量有限，为了满足设备长时间使用的要求，必须严格控制无线传感器网络节点的能耗。所以用户一方面应选用ZigBee技术保证无线收发器的低功耗，同时，在保证处理器性能的前提下，还应选择带有休眠功能并且工作能耗尽可能低的处理器。5.兼容性无线传感器网络能够帮助工程师完成远程数据的采集以及后续数据的分析、显示以及发布等功能。在一些工业应用中，更有可能将无线传感器网络连接到多样的工业现场设备，进行协同工作。在这些情况下，无线传感器网络必须具备良好的兼容性，实现与各种现场设备的快速连接。1.2物联网工程关键技术1.2.3射频识别关键技术RFID是射频识别技术RadioFrequencyIdentification的缩写，射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号，通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递的信息进行识别的技术。1.射频识别技术发展历史1940-1950年，雷达的改进和应用催生了射频识别技术。1950-1960年，早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。1960-1970年，射频识别技术理论得到了发展，开始一些应用尝试。1970-1980年，射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速，出现了一些最早的射频识别应用。1980-1990年，射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。1990-2000年，射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。1.2物联网工程关键技术1.2.3射频识别关键技术2.RFID的组成及工作原理最基本的RFID系统由三部分组成：1）标签(Tag，即射频卡)。由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。2）阅读器。读取标签信息的设备，在读写卡中还可以写入。3）天线。在标签和读取器间传递