物联网知识领域整理提炼.docx
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物联网知识领域整理提炼.docx
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物联网知识领域整理提炼
物联网知识领域整理提炼
1物联网
1.1概念解说
(1)概念:
根据国内外机构与专家的物联网定义,简单的归纳总结,从便于理解角度,我们认为:
物联网就是“物物相连的智能互联网”。
这有三意思:
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,第三,该网络具有智能属性,可进行智能控制、自动监测与自动操作。
更具体一点,一般认为物联网(TheInternetofthings)的定义是:
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。
这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围:
1、要有相应信息的接收器;2、要有数据传输通路;3、要有一定的存储功能;4、要有CPU;5、要有操作系统;6、要有专门的应用程序;7、要有数。
--摘自《2010年中国物联网产业发展研究报告》
在绝大多数物联网资料中,物联网技术体系一般分三层:
1、感知层;2网络层(传输层);3应用层。
在后续笔记中按明细的五层进行技术划分。
1.2基本原理
(2)基本原理:
物联网是在计算机互联网的基础上,利用RFID技术、传感网络技术、GPS卫星定位技术、M2M物物数据通信技术等现代信息技术手段,构造一个覆盖世界上万事万物的“InternetofThings”。
在这个网络中,物品(商品)能够彼此进行“交流”,而无需人的干预。
其实质是利用射频自动识别(RFID)技术,通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享。
物联网中非常重要的技术是射频识别(RFID)技术。
RFID是是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术,是目前比较先进的一种非接触识别技术。
以简单RFID系统为基础,结合EPC标准和已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等,构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的物联网罗。
RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息,通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统,实现物品(商品)的识别,进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享,实现对物品的“透明”管理。
传感网络技术是借助随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小
节点,通过自组织的方式构成的无线网络。
其特点是借助于节点中内置的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象。
可以将,传感技术更加拓宽了物品信息的自动提取方式及范围,可以全面提取物品的各类特征信息,从而形成一个可以感知现实世界的智能网络;
GPS卫星定位技术等也是感知物品,尤其是感知动态物流,实现物品移动可视化管理的一项技术,他与传感技术及图像识别技术结合,可以动态感知现实世界。
1.3物联网体系
(4)物联网的体系特征
物联网基本体系具有典型的层级特性,一个完整的物联网系统一般来说包含以下五个层面的功能:
1、信息感知层
该层的主要任务是将大范围内的现实世界的各种物理量通过各种手段,实时并自动化的转化为虚拟世界可处理的数字化信息或者数据。
物联网所采集的信息主要有如下种类:
●传感信息:
如温度、湿度、压力、气体浓度、生命体征等;
●物品属性信息:
如物品名称、型号、特性、价格等;
●工作状态信息:
如仪器、设备的工作参数等;
●地理位置信息:
如物品所处的地理位置等;
信息采集层的主要任务是对各种信息进行标记,并通过传感等手段,将这些标记的信息和现实世界的物理信息进行采集,将其转化为可供处理的数字化信息。
信息采集层涉及的典型技术如:
RFID(射频识别)、各种传感器等。
2、信息汇聚层
该层的主要任务是将信息采集层采集到的信息,通过各种网络技术进行汇总,将大范围内的信息整合到一起,以供处理。
信息汇总层涉及的典型技术如:
Adhoc(多跳移动无线网络),传感器网络,WiFi等。
3、信息处理层
该层的主要任务是将信息汇总层汇总而来的信息,进行分析和处理,从而对现实世界的实时情况形成数字化的认知。
信息处理层典型的技术如:
GIS(地理信息系统)[k1]、ERP(企业资源管理计划)
4、运营层
该层主要任务是开展物联网基础信息运营与管理,是网络基础设施与架构的主体。
目前运营层主要由中国电信、中移动、广电网等基础运营商组成,从而形成中国物联网的主体架构
5、应用层
主要是物联网在各个行业的垂直应用层面,物流行业就是一个主要的应用行业。
(5)物联网体系特点:
1、实时性;2、大范围;3、自动化;4、全天候。
1.4面临的问题
1、国家安全问题
2、隐私问题
3、物联网的政策和法规
4、技术标准的统一与协调
5、管理平台问题
6、物联网安全问题
7、应用的开发问题
1.5相关组织及缩写
国际电信联盟(ITU)
全球产品电子代码管理中心
中国物品编码中心
2物联网核心技术与应用
物联网不同层面需要不同的技术,物联网并不是一项单一的技术,而是多种技术的综合应用,在物联网系统中应用到的技术主要包括:
2.1感知层:
传感器技术、射频识别技术、二维码技术、微机电系统
1、传感器技术
传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱。
从仿生学观点,如果把计算机看成处理和识别信息的“大脑”,把通信系统看成传递信息的“神经系统”的话,那么传感器就是“感觉器官”。
传感技术是关于从自然信源获取信息,并对之进行处理(变换)和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术,它涉及传感器(又称换能器)、信息处理和识别的规划设计、开发、制/建造、测试、应用及评价改进等活动。
获取信息靠各类传感器,它们有各种物理量、化学量或生物量的传感器。
按照信息论的凸性定理,传感器的功能与品质决定了传感系统获取自然信息的信息量和信息质量,是高品质传感技术系统的构造第一个关键。
信息处理包括信号的预处理、后置处理、特征提取与选择等。
识别的主要任务是对经过处理信息进行辨识与分类。
它利用被识别(或诊断)对象与特征信息间的关联关系模型对输入的特征信息集进行辨识、比较、分类和判断。
微型无线传感技术以及以此组件的传感网是物联网感知层的重要技术手段。
2、射频识别(RFID)技术
射频识别(RadioFrequencyIdentification,简称RFID)是通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据的无线通讯技术。
在国内,RFID已经在身份证件、电子收费系统和物流管理等领域有了广泛的应用。
RFID技术市场应用成熟,标签成本低廉,但RFID一般不具备数据采集功能,多用来进行物品的身份甄别和属性的存储,且在金属和液体环境下应用受限,RFID技术属于物联网的信息采集层技术。
3、微机电系统(MEMS)
微机电系统(MicroElectroMechanicalSystems,简称MEMS)是指利用大规模集成电路制造工艺,经过微米级加工,得到的集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。
MEMS技术近几年的飞速发展,为传感器节点的智能化、小型化、功率的不断降低制
造了成熟的条件,目前已经在全球形成百亿美元规模的庞大市场。
近年更是出现了集成度更高的纳米机电系统(NanoElectromechanicalSystem,简称NEMS)。
具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适合大批量生产等特点。
MEMS技术属于物联网的信息采集层技术。
4、GPS技术
GPS又称为全球定位系统(GlobalPositioningSystemGPS),是具有海、陆、空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
GPS是由空间星座、地面控制和用户设备等三部分构成的。
GPS测量技术能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精确三维坐标以及其他相关信息,具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,广泛应用于军事、民用交通(船舶、飞机、汽车等)导航、大地测量、摄影测量、野外考察探险、土地利用调查、精确农业以及日常生活(人员跟踪、休闲娱乐)等不同领域。
GPS作为移动感知技术,是物联网延伸到移动物体采集移动物体信息的重要技术,更是物流智能化、可视化重要技术,是智能交通重要技术。
2.2信息汇聚层:
传感网自组网技术、局域网技术及广域网技术
1、无线传感器网络(WSN)技术
无线传感器网络技术(WirelessSensorNetwork,简称WSN)的基本功能是将一系列空间上分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接,从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总,以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控,并根据这些信息进行相应的分析和处理。
WSN技术贯穿物联网的三个层面,是结合了计算、通信、传感器三项技术相的一门新兴技术,具有较大范围、低成本、高密度、灵活布设、实时采集、全天候工作的优势,且
对物联网其他产业具有显著带动作用。
2、WiFi
WiFi(WirelessFidelity,无线保真技术)是一种基于接入点(AccessPoint)的无线网络结构,目前已有一定规模的布设,在部分应用中与传感器相结合。
3、GPRS
GPRS(GeneralPacketRadioService,通用分组无线服务)是一种基于GSM移动通信网络的数据服务技术。
GPRS技术可以充分利用现有GSM网络,目前在很多领域有广泛应用,在物联网领域中也有部分应用。
2.3传输层:
通信网、互联网、3G网络、GPRS网络、广电网络、NGB等广域网络
1、通信网
通信网是一种使用交换设备,传输设备,将地理上分散用户终端设备互连起来实现通信和信息交换的系统。
通信最基本的形式是在点与点之间建立通信系统,但这不能称为通信网,只有将许多的通信系统(传输系统)通过交换系统按一定拓扑结构组合在一起才能称之为通信.也就是说,有了交换系统才能使某一地区内任意两个终端用户相互接续,才能组成通信网。
通信网由用户终端设备,交换设备和传输设备组成.交换设备间的传输设备称为中继线路(简称中继线),用户终端设备至交换设备的传输设备称为用户路线(简称用户线)。
2、3G网络
3G是英文the3rdGeneration的缩写,指第三代移动通信技术。
相对第一代模拟制式手机(1G)和第二代GSM、CDMA等数字手机(2G),第三代手机(3G)一般地讲,是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。
3G与2G的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升,它能够在全球范围内更好地实现无线漫游,并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式,提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务,同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。
为了提供这种服务,无线网络必须能够支持不同的数据传输速度,也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps(兆比特/每秒)、384kbps(千比特/每秒)以及144kbps的传输速度(此数值根据网络环境会发生变化)。
3GPRS网络
这是是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的无线IP连接。
通俗的讲,GPRS是一项高速数据处理的科技,方法是以“分组”的形式传送资料到用户手上。
虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术,但是它在许多方面都具有显著的优势。
4、广电网络
广电网通常是各地有线电视网络公司(台)负责运营的,通过HFC(光纤+同轴电缆混合网)网向用户提供宽带服务及电视服务网络,宽带可通过CableModem连接到计算机,理论到户最高速率38M,实际速度要视网络具体情况而定。
5、NGB广域网络
中国下一代广播电视网(NGB)是以有线电视数字化和移动多媒体广播(CMMB)的成果为基础,以自主创新的“高性能宽带信息网”核心技术为支撑,构建的适合我国国情的、“三网融合”的、有线无线相结合的、全程全网的下一代广播电视网络。
科技部和广电总局将联合组织开发建设,通过自主开发与网络建设,突破相关核心技术,开发成套装备,拉动相关电子产品市场,满足老百姓对现代数字媒体和信息服务的需求,计划用三年左右的时间建设覆盖全国主要城市的示范网,预计用十年左右的时间建成中国下一代广播电视网(NGB),使之成为以“三网融合”为基本特征的新一代国家信息基础设施。
中国下一代广播电视网(NGB)的核心传输带宽将超过每秒1千千兆比特、保证每户接入带宽超过每秒40兆比特,可以提供高清晰度电视、数字视音频节目、高速数据接入和话音等“三网融合”的“一站式”服务,使电视机成为最基本、最便捷的信息终端,使宽带互动数字信息消费如同水、电、暖、气等基础性消费一样遍及千家万户。
同时NGB还具有可信的服务保障和可控、可管的网络运行属性,其综合技术性能指标达到或超过国际先进水平,能够满足未来20年每个家庭“出门就上高速路”的信息服务总体需求。
2.4运营层:
专家系统、云计算、API接口、客户管理、GIS、ERP
1、企业资源计划(ERP)
企业资源计划(EnterpriseResourcePlanning,简称ERP)是指建立在信息技术基础上,以系统化的管理思想,为企业决策层及员工提供决策运行手段的管理平台。
ERP技术属于物联网的信息处理层技术。
2、专家系统(ExpertSystem)
专家系统(ExpertSystem)是一个含有大量的某个领域专家水平的知识与经验能够利用人类专家的知识和经验来处理该领域问题的智能计算机程序系统。
属于信息处理层技术。
3、云计算
云计算概念是由Google提出的,这是一个美丽的网络应用模式。
狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式,指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源;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,它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等独特功效;“云计算”图书版本也很多,都从理论和实践上介绍了云计算的特性与功用。
云计算(cloudcomputing是透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序,再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。
透过这项技术,网络服务提供者可以在数秒之内,达成处理数以千万计甚至亿计的信息,达到和“超级计算机”同样强大效能的网络服务。
最简单的云计算技术在网络服务中已经随处可见,例如搜寻引擎、网络信箱等,使用者只要输入简单指令即能得到大量信息。
未来如手机、GPS等行动装置都可以透过云计算技术,发展出更多的应用服务。
进一步的云计算不仅只做资料搜寻、分析的功能,未来如分析DNA结构、基因图谱定序、解析癌症细胞等,都可以透过这项技术轻易达成。
云计算时代,可以抛弃U盘等移动设备,只需要进入GoogleDocs页面,新建文档,编辑内容,然后,直接将文档的URL分享给你的朋友或者上司,他可以直接打开浏览器访问URL。
我们再也不用担心因PC硬盘的损坏而发生资料丢失事件。
2.5应用层:
垂直行业应用、系统集成、资源打包
应用层主要是根据行业特点,借助互联网技术手段,开发各类的行业应用解决方案,将物联网的优势与行业的生产经营、信息化管理、组织调度结合起来,形成各类的物联网解决方案,构建智能化的行业应用。
如交通行业,涉及的就是智能交通技术;电力行业采用的是智能电网技术,物流行业采用的是智慧物流技术等等。
行业的应用还要更多涉及系统集成技术、资源打包技术等。
2.6物联网关键技术分析
我们认为,从物联网的定义及各类技术所起的作用来看,物联网的关键核心技术应该是无线传感器网络(WSN)技术,主要原因是:
WSN技术贯穿物联网的全部三个层次,是其它层面技术的整合应用,对物联网的发展有提纲挈领的作用。
WSN技术的发展,能为其它层面的技术提供更明确的发展方向。
WSN技术的应用将极大的带动其它各层技术的发展。
在现实应用中,WSN往往成为系统的核心,物联网技术中其它层面的技术,如MEMS、RFID等,都在WSN技术中有所应用,WSN技术和市场的不断发展将给这些技术带来不断扩大的市场。
经过普遍调查我们发现,在WSN的组网方面每进行一元钱的投资,将拉动RFID、传感器、集成电路、软件、系统集成等相关产业10~15元的投资。
WSN是物联网中最新鲜,最具增长性的技术,与RFID、MEMS等发展周期较长的技术不同,WSN能产生更新的应用,使产业产生更大的增量。
因此,推动WSN的发展对促进整个物联网产业的发展具有显著作用。
总之,物联网是一场代表未来计算和交流的技术革命,它的发展取决于一系列重要领域中从无线传感器到纳米技术的不断革新。
3RFID及WSN技术及应用
3.1概念解说
(1)RFID
RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写,即射频识别。
常称为感应式电子芯片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等等。
一套完整RFID系统由Reader与Transponder两部份组成,其动作原理为由Reader发射一特定频率之无限电波能量给Transponder,用以驱动Transponder电路将内部之IDCode送出,此时Reader便接收此IDCode。
(2)电子标签
(3)RFID分类
1、RFID按应用频率的不同分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波(MW),相对应的代表性频率分别为:
低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M~960MHz、(目前中国移动、中国联通、中国电信推广的手机支付
2、RFID按照能源的供给方式分为无源RFID,有源RFID,以及半有源RFID。
无源RFID读写距离近,价格低;有源RFID可以提供更远的读写距离,但是SRR110UUHF超高频桌面读写器需要电池供电,成本要更高一些,适用于远距离读写的应用场合。
(4)RFID关键技术
主要包括产业化关键技术和应用关键技术两方面。
1、其中RFID产业化关键技术主要包括:
标签芯片设计与制造:
例如低成本、低功耗的RFID芯片设计与制造技术,适合标签芯片实现的新型存储技术,防冲突算法及电路实现技术,芯片安全技术,以及标签芯片与传感器的集成技术等。
天线设计与制造:
例如标签天线匹配技术,针对不同应用对象的RFID标签天线结构优化技术,多标签天线优化分布技术,片上天线技术,读写器智能波束扫描天线阵技术,以及RFID标签天线设计仿真软件等。
RFID标签封装技术与装备:
例如基于低温热压的封装工艺,精密机构设计优化,多物理量检测与控制,高速高精运动控制,装备故障自诊断与修复,以及在线检测技术等。
RFID标签集成:
例如芯片与天线及所附着的特殊材料介质三者之间的匹配技术,标签加工过程中的一致性技术等。
读写器设计:
例如密集读写器技术,抗干扰技术,低成本小型化读写器集成技术,以及读写器安全认证技术等。
2、RFID应用关键技术主要包括:
RFID应用体系架构:
例如RFID应用系统中各种软硬件和数据的接口技术及服务技术等。
RFID系统集成与数据管理:
例如RFID与无线通信、传感网络、信息安全、工业控制等的集成技术,RFID应用系统中间件技术,海量RFID信息资源的组织、存储、管理、交换、分发、数据处理和跨平台计算技术等。
RFID公共服务体系:
提供支持RFID社会性应用的基础服务体系的认证、注册、编码管理、多编码体系映射、编码解析、检索与跟踪等技术与服务。
RFID检测技术与规范:
例如面向不同行业应用的RFID标签及相关产品物理特性和性能一致性检测技术与规范,标签与读写器之间空中接口一致性检测技术与规范,以及系统解决方案综合性检测技术与规范等。
(5)RFID系统
RFID是一种简单的无线系统,只有两个基本器件,该系统用于控制、检测和跟踪物体。
系统由一个询问器(或阅读器)和很多应答器(或标签)组成。
最基本的RFID系统由三部分组成:
1、标签(Tag):
由耦合组件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,附着在物体上标识目标对象;
2、阅读器(Reader):
读取(有时还可以写入)标签信息的设备,可设计为手持式或固定式;
3、天线(Antenna):
在标签和读取器间传递射频信号。
(6)RFID组成部分详解
1、RFID标签俗称电子标签,也称应答器(tag,transponder,responder),根据工作方式可分为主动式(有源)和被动式(无源)两大类,一般为被动式RFID标签及系统。
被动式RFID标签由标签芯片和标签天线或线圈组成,利用电感耦合或电磁反向散射耦合原理实现与读写器之间的通讯。
RFID标签中存储一个唯一编码,通常为64bits、96bits甚至更高,其地址空间大大高于条码所能提供的空间,因此可以实现单品级的物品编码。
当RFID标签进入读写器的作用区域,就可以根据电感耦合原理(近场作用范围内)或电磁反向散射耦合原理(远场作用范围内)在标签天线两端产生感应电势差,并在标签芯片通路中形成微弱电流,如果这个电流强度超过一个阈值,就将激活RFID标签芯片电路工作,从而对标签芯片中的存储器进行读/写操作,微控制器还可以进一步加入诸如密码或防碰撞算法等复杂功能。
RFID标签芯片的内部结构主要包括射频前端、模拟前端、数字基带处理单元和EEPROM存储单元四部分。
2、读写器也称阅读器、询问器(reader,interrogator),是对RFID标签进行读/写操作的设备,主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。
读写器是RFID系统中最重要的基础设施,一方面,RFID标签返回的微弱电磁信号通过天线进入读写器的射频模块中转换为数字信号,再经过读写器的数字信号处理单元对其进行必要的加工整形,最后从中解调出返回的信息,完成对RFID标签的识别或读/写操作;另一方面,上层中间件及应用软件与读写器进行交互,实现操作指令的执行和数据汇总上传。
在上传数据时,读写器会对RFID标签原子事件进行去重过滤或简单的条件过滤,将其加工为读写器事件后再上传,以减少与中间件及应用软件之间数据交换的流量,因此在很多读写器中还集成了微处理器和嵌入式系统,实现一部分中间件的功能,如信号状态控制、奇偶位错误校验与修正等。
未来的读写器呈现出智能化、小型化和集成化趋势,还将具备更加强大的前端控制功能,例如直接与工业现场的其它设备进行交互甚至是作为控制器进行在线调度。
在物联网中,读写器将成为同时具有通讯、控制和计算(communication,control,computing)功能的C3核心设备。
3、天线(antenna)是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备。
RFID系统中包括两类天线,一类是RFID标签上的天线,由于它已经和RFID标签集成为一体,因此不再单独讨论,另一类是读写器天线,既可以内置于读写器中,也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。
目前的天线产品多采用收发分离技术来实现发射和接收功能的集成。
天线在RFID系统中的重要性往往被人们所忽视,在实际应用中,天线设计参数是影响RFID系统识别范围的主要因素。
高性能的天线不仅要求具有良好的阻抗匹配特性,还需要根据应用环境的特点对方向特性、极化特性和频率特性等进行专门设计。
4、中间件(m
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