物联网初步认识与关键技术研究

智慧生活无处不在—感知“物联网”XXX计算机应用技术CompanyLogo绪论“每一次大危机，都会催生一些新技术，而新技术也是使经济，特别是工业走出危机的巨大推动力。”工业和信息化部总工程师朱宏任8月26日在中国工业经济运行2009年夏季报告会上如是表示。物联网正是这样一种新技术，掀起了继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业新浪潮，近来受到业界的广泛关注。CompanyLogo课题概要5展望4物联网存在的问题分析3物联网发展前景及应用2物联网关键技术分析1物联网概述CompanyLogo1物联网概述如果说互联网缩短了人与人之间的距离，那么即将到来的物联网的时代更将逐渐消除人与物之间的隔阂，人与物、物与物的对话将得以实现。CompanyLogo1.1物联网的提出1995年比尔盖茨在其《未来之路》一书中已提及物联网概念。“EPC物联网”：1999年由美国麻省理工学院(MIT)Auto_ID中心提出了EPC(ElectronicProductCode,电子产品码)的概念。人们将按照特定的数据格式,将每一件物品赋予一个惟一的编号,这个编号就是EPC。而电子标签是这一编号的载体。基于互联网和射频技术的EPC系统,即实物物联网(简称物联网)是在计算机互联网的基础上,利用RFID(射频识别)、无线数据通信等技术,构造了一个实现全球物品信息实时共享的“Internetofthings”。CompanyLogo1.2物联网的概念“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。物联网到现在为止还没有约定俗成的公认的概念，但目前用的最广的一个定义是：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，把任何物品与互联网相连接，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概念。CompanyLogo中科院软件所研究员、中国计算机学会传感器网络专业委员副主任孙利民也给出了自己的理解：全面信息感知和获取、无缝互联与协同、高度智能化的新型网络形态。CompanyLogo早期的物联网（EPC物联网）=射频识别（RFID等）+Internet目前的物联网=传感网+通信网+应用系统理想（将来）的物联网=带IP的任何物+InternetCompanyLogo1.3物联网的特征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。可靠传递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。CompanyLogo2物联网关键技术分析物联网是多学科性质的物联网感知层：得到状态信号（模拟信号或数字信号），涉及到传感器芯片及技术、射频识别（RFID）技术、二维码、条形码、MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统）等。网络层：连接感知信号与应用系统桥梁，涉及到通信技术（有线通信和无线通信）、互联网技术等。应用层：普遍与感知终端关系密切，主导应用层的解决方案，往往是由感应终端厂商提供的，涉及到中间件系统、人工智能、数据处理与分析、智能算法等。CompanyLogo物联网架构示意图CompanyLogo本章重点2.1传感器简介2.2通信方式综述2.3RFID技术2.4EPC物联网系统2.5M2M简述2.6其他技术CompanyLogo2.1传感器简介传感器定义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。传感器组成敏感元件转换元件信号调节与转换电路中间量电量被测量电信号CompanyLogo2.2通信方式综述有线通信总线技术通信，如RS485总线、USB总线、现场总线、CAN总线等；RJ45（网口）接口通信，如双绞线；同轴电缆通信光纤通信有线电话网通信有线电视网通信CompanyLogo无线通信短距离无线通信，如NFC（NearFieldCommunication）、RFID、WAPI(无线局域网鉴别和保密基础结构)、WiFi、WiGig、802.15系列（蓝牙、HomeRF、IRDA、UWB、ZigBee）、DSRC（DedicatedShortRangeCommunication，专用短程通信）、IEEE1451（网络化智能传感器标准）等；移动通信，如GSM、GPRS、USSD(非结构化补充数据业务，如*125*100#)、CDMA、EDGE、3G（TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA）、4G（TD-LTE）等；卫星通信其他通信方式，如WiMax(802.16，全球微波互联接入)CompanyLogoGlobalWirelessStandardsIEEE802.15Bluetooth、Zigbee、UWBHomeRF、IRDAWMAN20kmWLAN100mWPAN10mETSIHiperPANIEEE802.11WirelessLANETSIHiperLANIEEE802.16WirelessMANETSIHiperMANHIPERACCESSIEEE802.20(proposed)3GPP,GSM/EDGEWCDMATD-SCDMA3GPP2CDMA20001xEV/DO/DVCompanyLogo2.3RFID技术RFID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。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。CompanyLogoRFID标签工作原理电感耦合电磁反向散射耦合CompanyLogoRFID系统工作原理读写器通过发射天线发送一定频率的射频信号；当电子标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，它获得能量被激活，并将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从电子标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到读写器，读写器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。CompanyLogoRFID电子标签容量一维条形码的容量常为十几字节，最大可达50B，二维条形码最大容量达3000B，RFID电子标签使用集成电路存储器，最大可达数兆字节，一般为256B~2KB。RFID系统防碰撞方法信道竞争问题；传统的解决方法：空分多址（SDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）和时分多址（TDMA）。在RFID无源标签系统中，目前广泛使用的防碰撞算法大都是基于TDMA，比较经典的两类基本方法是：基于Aloha算法（纯Aloha和时隙Aloha）和基于树形防碰撞算法（二进制搜索（BS）算法和询问树（QT）算法）。CompanyLogoRFID的典型应用有：第二代身份证、非接触式IC卡等。CompanyLogo2.4EPC物联网系统EPC物联网系统的思想是为每一个商品提供惟一的号码—EPC（电子产品码）。EPC采用一组编号来代表制造商及产品，不同的是EPC还用另外一组数字来惟一标识单品。EPC是惟一存储在RFID标签微型芯片中的信息，这样可使得RFID标签能够维持低廉的成本并保持灵活性，使在数据库中无数的动态数据能够与EPC标签相连接。CompanyLogoEPC系统结构EPC系统是一个非常先进的、综合性的复杂系统，其最终目标是为每一单品建立全球的、开放的标识标准。它由全球产品电子代码（EPC）的编码体系、射频识别系统及信息网络系统三部分组成，主要包括六个方面，如下所示。CompanyLogoEPC编码类型目前，EPC代码有64位、96位和256位3种。为了保证所有物品都有一个EPC代码并使其载体—标签成本尽可能降低，建议采用96位，这样其数目可以为2.68亿个公司提供惟一标识，每个生产厂商可以有1600万个对象种类并且每个对象种类可以有680亿个序列号，这对未来世界所有产品已经非常够用了。EPC-96编码规范CompanyLogoEPC编码标准目前全球主要有EPCglobal、ISO/IEC、UID、AIM、IP-X五大标准组织，分别代表了国际上不同组织或国家的利益，其中EPCglobal势力最为强大，它采用的是EPC-96型编码规范。对象名称解析服务(ONS)ONS是一个自动的网络服务系统，类似于域名解析服务(DNS),ONS给EPC中间件指明了存储产品相关信息的服务器。因此，可以使整个EPC网络以因特网为依托，迅速架构并顺利延伸到世界各地。CompanyLogoEPC中间件EPC中间件具有一系列特定属性的“程序模块”或“服务”，并被用户集成以满足他们的特定需求，EPC中间件以前被称为SAVANT。EPC中间件是加工和处理来自读写器的所有信息和事件流的软件，是连接读写器和企业应用程序的纽带，主要任务是在将数据送往企业应用程序之前进行标签数据校对、读写器协调、数据传送、数据存储和任务管理。EPC信息服务(EPCIS)EPCIS提供了一个模块化、可扩展的数据和服务的接口，使得EPC的相关数据可以在企业内部或者企业之间共享。CompanyLogoEPC中间件及其应用程序通讯CompanyLogoEPC系统工作流程PML：PhysicalMarkupLanguage，物理标示语言，PML核心提供通用的标准词汇表来分配直接由Auto-ID的基础结构获得的信息，如位置、组成以及其他遥感勘测的信息。CompanyLogo2.5M2M简述M2M相关概念在通信行业，有一种类似物联网性质的技术—M2M技术；狭义的M2M是指：机器与机器(MachinetoMachine)之间的通信；广义的M2M是指：机器与机器(MachinetoMachine)、人与人(MantoMan)、人与机器(MantoMachine)之间的通信；M2M是一种理念，也是所有增强机器设备通信和网络能力的技术的总称。M2M技术的目标就是使所有机器设备都具备连网和通信能力，其核心理念就是网络一切（NetworkEverything）。CompanyLogoM2M技术重点目前M2M主要基于成熟的移动通信网络，通过GPRS、EDGE、3G/HSPA分组数据方式或者SMS（ShortMessagingService）、USSD等基础链路方式进行数据传输和交换；M2M平台与终端接口规范，即WMMP协议，是为实现行业终端与M2M平台数据通信过程而设计。协议建立在UDP协议之上，效率高，流量小，节省网络带宽资源；M2M涉及到5个重要的技术部分：机器、M2M硬件、通信网络、中间件、应用。CompanyLogoM2M技术发展情况当前M2M技术已经在欧洲、韩国和日本实现商用，主要应用在安全监测、机械服务和维修业务、公共交通系统、车队管理、工业自动化、城市信息化等领域；中国政府已将M2M相关产业正式纳入国家《信息产业科技发展十一五规划及2020年中长期规划纲要十一五规划》重点扶持项目；国内三大运营商充分利用其优势，纷纷推出自己的M2M产品。中国移动部分M2M产品CompanyLogo2.6其他技术云计算广义云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。这种服务可以是IT和软件、互联网相关的，也可以是任意其他的服务；云计算是并行计算(ParallelComputing)、分布式计算(DistributedComputing)和网格计算(GridComputi