0-物联网技术概论剖解

物联网物联网技术概论嵌入式无锡泛太1.物联网的定义2.物联网的体系结构3.物联网的特征4.物联网的关键技术5.物联网的典型应用案例分析主要内容通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把所有物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，就叫物联网（TheInternetofThings，简称IOT）。物联网就是“物物相连的互联网”，具有两层含义：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。1.物联网的定义物联网由感知层、网络层、应用层等组成。感知层：顾名思义，就是用于感受外界变化的，就像我们的眼睛、嘴巴、鼻子等五官的作用，这就是传感器。感知层利用多种传感器、传感器网络、RFID、二维码、摄像头、GPS、智能物体等来全面感知现实世界中的各种信息。物联网的感知层节点具有数量多、成本低、计算能力弱等特点，是物联网信息的源头。2.物联网的组成与体系结构网络层：相当于人体的中枢神经和大脑，用来传递信息和处理信息。网络层将感知层获取的信息进行处理，供上层使用。应用层：就是把物联网的技术应用到实际社会生产的各个领域，比如数字化油田、智能交通、物流追踪系统、医疗保健系统、气候系统以及基础设施等方面。2.物联网的组成与体系结构2.物联网的体系结构-基本模型智能卡条形码二维码GPS传感器技术网关设备近距离通信因特网跟踪定位高速数据网络3.物联网的特征全面感知可靠传输智能处理感知传输智能利用RFID、传感器、二维码等能够随时随地采集物体的动态信息。通过网络将感知的各种信息进行实时传送。利用计算机技术，及时地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。3.物联网的特征物联网涉及的技术领域非常广泛，而且交叉性比较强。其核心技术为无线通信技术和网络技术。还有传感器检测技术、信息处理技术、嵌入式单片机技术，嵌入式操作系统、中间件技术、以及微电子技术等等。4.1RFID技术无线射频识别技术（RFID,RadioFrequencyIdentificationo)是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用无线射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。4.物联网的关键技术RFID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（在读写卡中还可写入）标签信息的设备；•天线：可以内置在读写器中，也可通过同轴电缆与读写器天线接口相连。4.物联网的关键技术RFID的主要频段与特性4.物联网的关键技术4.2无线传感器网络传感器：能感受规定的被测量，并能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,WirelessSensorNetwork)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、处理融化和传输应用。4.物联网的关键技术4.物联网的关键技术WSN体系结构：平面拓扑结构WSN体系结构：逻辑分层结构4.物联网的关键技术传感器节点体系结构传感器网络协议栈4.物联网的关键技术与现有无线网络的差别：•WSN集成了监测、控制与无线通信的网络系统，节点数码更庞大；•由于环境影响和能力耗尽，节点更容易出现故障；•环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化；•传感器节点具有的供电能力、处理能力、存储能力和通信能力有限；特点：•大规模、自组织、动态性、应用相关性、以数据为中心的网络4.物联网的关键技术WSN在无线网络中的位置4.物联网的关键技术4.3无线局域网WIFI技术也称WLAN。WLAN也是利用无线技术在空中传输数据、语音和视频信号，是一种代替传统布线网络的解决方案。4.4融合•信息融合：对同一个物体采用不同用途的传感器检测该物体的不同方面，将得到信息进行融合用来识别对象。•技术融合：RFID与WSN的融合、WSN与WIFI的融合等。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。Page15.物联网典型案例分析1.概述智能家居生活馆囊括了家庭安全类、宜居生活类、家庭防盗类，并且支持远程监控，为住户打造一个安全、舒适、智能化的家居生活体验间。用户通过家居生活设施的联动，感受到物联网技术给日常生活带来的便利，激发了用户对物联网学习的兴趣。该系统通过短距离无线通信方式，将监测传感器，家用电气、多媒体设备等整合到一个界面友好，操作简单的嵌入式信息机中，由信息机统一收集家居环境与电气设备运行状态信息，通过WIFI/Ethernet/GPRS等模块连接互联网。用户即可以在家中通过信息机查看居室环境，控制电气设备，也可以通过互联网或者短信远程监控家居系统。5.1智能家居生活馆应用方案分析生活馆实物图5.1智能家居生活馆应用方案分析物联网未来生活馆2.特点：先进的无线通信核心技术；系统通过ZigBee短距离无线通信技术，实现家庭基础设施与网关的互联互通，省掉了繁琐的布线；系统通过WIFI或Ethernet将网关接入局域网，或通过GPRS/3G模块将网关接入移动互联网，为最终实现远程监控奠定基础；生产生活中通用的传感器：传感器/执行器采用315、433频段，与信息机之间通过315-ZigBee/433-ZigBee转换器实现ZigBee无线连接方式；信息机的多模式接入方式：可选择以太网局域网或者WIFI、3G、GPRS等移动互联网模块连接入网；科技遍布家居中的每一个角落：温湿度、光线、指纹、吊灯、窗帘、加湿器、雨棚、电视、空调、摄像机等多种类型传感器安装在家居环境中；5.1智能家居生活馆应用方案分析3.家庭安全类：模拟厨房环境监测系统；厨房有燃气、漏水、烟雾（或者火焰）等几个安全隐患；厨房安装：燃气、水浸、烟雾等探测器，采用市面上的315/433类型传感器（与实际生活一样），厨房门口安装315/433-zigbee协议转换网关，用来向信息机传输探测器采样的燃气浓度、水位、烟雾浓度等；5.1智能家居生活馆应用方案分析4.宜居生活类：联动控制类：在客厅、卧室内，安装温湿度、光线、结露、烟雾等传感器，安装窗帘、吊灯、加湿器、雨棚等设备控制器。传感器采用ZigBee技术将采样信息传输给信息机，信息机内的应用程序实时处理，根据设置参数及时向设备控制器发送控制命令，继而利用继电器或电磁阀驱动设备拉开/关闭窗帘、打开/关闭吊灯，打开/关闭加湿器，打开/关闭雨棚等设备；红外学习遥控类：在客厅、卧室安装红外节点，可以学习电视、空调、DVD等的遥控器，将多个遥控器学习到一个红外节点中，红外节点通过ZigBee技术与信息机相连，将多种家电设备都统一集成到信息机中，用户只需控制信息机就可以控制多种家电设备的开关、调速、调频道、调声音等。5.1智能家居生活馆应用方案分析4.宜居生活类：家电控制类：（1）窗帘控制：在卧室安装电动窗帘，采用真实的窗帘和窗帘控制器。窗帘控制器通过标准总线接口与ZigBee控制节点相连，ZigBee控制节点接收信息机的控制命令，开合窗帘。窗帘电机参数：电压220V，功率45W，移动速度20cm/s；手动开关，遥控器开关，信息机控制开关，手机开关，web网页开关等。5.1智能家居生活馆应用方案分析4.宜居生活类：（2）灯光控制模块，在客厅安装采用实际的吊灯和灯光控制器。灯光控制器通过标准总线接口与ZigBee控制节点相连，ZigBee控制节点接收信息机的控制命令，开关吊灯。吊灯控制器参数：电压220V，功率45W；手动开关，信息机控制开关，手机开关，web网页开关等。（3）台灯控制模块，在卧室安装实际的台灯和灯光控制器。灯光控制器通过标准总线接口与ZigBee控制节点相连，ZigBee控制节点接收信息机的控制命令，开关台灯。台灯控制器参数：电压220V，功率45W；手动开关，信息机控制开关，手机开关，web网页开关等。5.1智能家居生活馆应用方案分析4.宜居生活类：（4）风扇控制模块，在客厅安装实际的风扇与风扇控制器。风扇控制器通过标准总线接口与ZigBee控制节点相连，ZigBee控制节点接收信息机的控制命令，开关风扇。风扇控制器参数：电压220V，功率45W；手动开关，信息机控制开关，手机开关，web网页开关等。（5）冰箱控制模块，在厨房安装冰箱与冰箱控制器。冰箱控制器通过标准总线接口与ZigBee控制节点相连，ZigBee控制节点接收信息机的控制命令，开关冰箱。5.1智能家居生活馆应用方案分析5.家庭防盗类：安装门磁、红外人体感应探测器，采用市面上的315/433类型传感器，同时安装315/433-zigbee协议转换网关，用来向信息机传输探测器采样的门磁意外拉开、恶意人员进入等信息；客厅门口：模拟住户门，安装红外对射模块，有人经过，会发出”滴滴“声，信息机启动摄像头监控；客厅门口：安装指纹门禁系统，存储住户的指纹信息，匹配后，才可开启门锁。客厅顶部角落：安装IPcamera，可通过以太网或WIFI连接无线路由器，与住户电脑形成局域网，用户就可以通过网络浏览室内情况。5.1智能家居生活馆应用方案分析6.汇聚节点——信息机：采用A8嵌入式系统作为智能家居生活馆的网关；采用美观、耐磨的亚克力壳体，人机交互界面简单易操作；内置ZigBee协调器，用来连接生活馆中的各类ZigBee传感器节点和控制节点，实现一房一网络，全无线互连；内置2GSD卡，用来构建数据库，存放节点添加、退出、意外删除、采集的信息、控制命令等；内置WIFI模块，用来连接生活馆中的无线路由器，可与家庭电脑组成局域网；也可用以太网连接路由器，这样更可靠稳定；也可内置GPRS模块，可以收发短信，拨接电话等，可以建立生活馆管理联系人，接收管理者的短信采集命令，或设备控制命令。5.1智能家居生活馆应用方案分析7.访问终端：Android平板连接家庭无线路由器，与智能家居系统形成局域网；Android平板可浏览监测信息，控制家电设备等；也可使用使用Android系统智能手机执行平板相同的功能；5.1智能家居生活馆应用方案分析智能农业大棚（温室）系统是一种结合了计算机自控技术、智能传感技术等高科技手段的资源节约型高效设施农业技术，它主要是根据环境的温度、湿度、二氧化碳含量、光照、雨量以及土壤状况等因素，来控制大棚内的各项指标和各种营养元素配方，以创造出适合作物生长的最佳环境。5.2智能农业大棚（温室）系统应用方案分析1.【系统组成】：主要由监测节点，控制节点、信息机、IPCAMERA、访问终端以及软件组成。①传感器节点：空气温湿度、光线、CO2浓度、土壤温湿度、风速、雨雪等用于监测大棚室内、外环境状况；②控制设备：植物光照补光灯、水泵、换气扇、温度调节设备等；③信息机：由A8嵌入式网关实现，内置ZigBee协调器，通过zigbee与传感器节点、控制设备通信，通过以太网、wifi、3G接入网络将信息上报。④IPCAMERA:接入信息机所在的局域网，PC服务器或者智能终端通过输入IPcamera的IP地址视频预览大棚环境；⑤软件：信息机使用嵌入式Linux系统，应用界面使用QT软件开发。⑥访问终端：可以用PC机，也可以用平板。PC机：B/S模式；平板：C/S模式。5.2智能农业大棚（温室）系统应用方案分析2.【系统功能】：（1）农业环境监测：大棚内空气温湿度、光线、CO2、土壤温湿度等传感器节点采集大棚内的温湿度、光照度，CO2浓度，土壤温湿度，通过ZigBee