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毕业设计物联网技术的发展与展望
毕业设计(论文)
题目物联网技术的发展与展望
系别软件与服务外包学院.
专业软件测试.
班级0801.
学生姓名.
学号
指导教师
2011年4月
物联网技术的发展与展望
摘要:
本文基于物联网的现状及发展方向。
详细讲解物联网的概念,物联网的基本构成及工作原理。
分析了中国电信作为全业务运营商发展家庭物联网的思路及需求,同时基于RFID和物联网技术综述了物联网国内外发展现状,设计了一种中国物联网体系架构,并综合此结构提出了RFID-IS的设计方法,为中国物联网的架构,发展和研究提供了参考。
同时介绍了传感网的基本概念.并列举了支撑物联网发展的关键技术。
传统的物联网应用仅仅是孤立系统。
未来物联网的发展必须实现和电信网的融合。
实现相互之间的互通和应用融合。
物联网和电信网的融合对于电信网自身在网络管理、业务管理、位置管理等方面提出了新的能力要求。
本文最后给出了电信网和物联网的融合举措建议。
关键词:
物联网;RFID-IS;家庭物联网;UPnP;
Contentdevelopmentandoutlookofnetworkingtechnologies
Abstract:
Basedonthepresentsituationanddevelopmentofthingnetworkingdirection.Explainedtheconceptofthatthingnetworking,networkingthebasiccompositionandworkingprinciple.AnalyzesthewholebusinessoperatorsChinatelecomasthedevelopmentofthoughtandfamilycontentnetworkingneedswhilerfid-enabledandphysicalnetworkingtechnologiesathomeandabroadweresummarizeddevelopmentsituation,thingnetworkingdesignedakindofChinesecontentnetworkingsystemframework,andcomprehensivethisstructureputsforwardthedesignmethodofRFID-ISthatforChina,thestructure,developmentandnetworkingresearchoffersreference.Meanwhileintroducesthebasicconceptofsensornetwork.Andliststhekeytechnologyofproppingnetworking.Thetraditionalcontentnetworkingapplicationmerelyisolatedsystem.Thedevelopmentoffuturecontentnetworksandtelecommunicationsnetworksmustrealizetheintegration.Realizemutualinterchangeandapplicationintegration.Networkingandtelecommunicationsnetworksthatfusionofthemselvesinnetworkmanagementfortelecommunications,businessmanagement,locationmanagementetc.Toputforwardnewcapacityrequirements.Finally,thepaperputsforwardthatthefusionoftelecommunicationandnetworksuggestion.Initiatives.
Keywords:
contentnetworking;RFID-IS;Familycontentnetworking;UPnP;
目录
前言5
第1章物联网的定义及具体概念6
1.1物联网的概念6
1.2物联网的关键技术7
1.2.1传感器与传感节点技术7
1.2.2射频识别技术7
1.2.3网络和通信技术8
第2章物联网的现状及RFID-IS9
2.1物联网的现状9
2.1.1RFID的定义9
2.1.2物联网在国外的研究11
2.1.3中国在物联网方面的研究12
2.1.4中国物联网信息服务系统架构13
2.2RFID-IS的概念14
2.3物联网信息服务系统管理协议(RFID-MP)15
2.3.1RFID-MP模型介绍15
2.3.2Agent的分类16
2.3.3物联网信息服务管理系统16
第3章家庭物联网的应用与展望18
3.1家庭物联网的业务需求18
3.2家庭物联网实现方案18
3.2.1家庭物联网网关18
3.2.2立体化家庭物联网应用服务体系21
3.3家庭物联网的实施难点及建议22
3.3.1关键技术尚需突破22
3.3.2体系架构仍未建立22
3.3.3缺乏完整的标准体系和成熟的商业模式22
3.3.4政策环境不够完善23
第4章物联网和电信网的融合需求及架构24
4.1网络管理25
4.2业务信息(pmfile)管理26
4.3设备信息管理26
4.4业务注册和发现管理26
4.5服务质量(QoS)保障26
4.6连接管理27
4.7移动性管理27
4.8其他要求27
第5章物联网和电信网的融合举措28
谢辞29
参考文献30
前言
随着IT技术、互联网技术和电信技术的不断融合。
对于全社会生态系统的智能化。
即所有物品的智能化识别和管理.以实现人类社会与物理系统的整合的需求日益强烈。
在此背景下物联网孕育而生。
在互联网技术迅猛发展的今天,用户对家庭网络的需求已经体现出更为系统化的转变。
对于家庭网络中的信息、通信、娱乐和生活4类子网,所包含的各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智能家居等设备,需要通过不同的互连方式进行通信及数据交换,以实现各子网间的互联互通。
然而.现阶段的家庭网络中的4类子网分别处于孤岛状态.互联互通非常有限。
这使得它们之间迫切需要一个信息汇聚及核心控制单元.通过该单元以各种无线方式实现子网设备以及子网之间的互联,再以统一的IP方式实现家庭网络与外部网络的互联。
该单元可提供集成的语音、数据、多媒体、传感控制和管理等功能,达到信息在家庭内部终端之间以及与外部公网的充分流通和共享的目的。
作为综合信息服务提供商。
中国电信希望通过提供完整的家庭物联网实现方案。
在未来的家庭物联网应用领域占有一席之地,甚至在该领域处于主导地位。
第1章物联网的定义及具体概念
1.1物联网的概念
物联网(Intemetofthings)黼1999年由美国麻省理工大学提出,目前业界并没统一、精确的定义。
早期的物联网是依托射频识别(R兀D)技术的物流网络,随着技术和应用的发展.物联网的内涵已经发生了较大变化。
在新的时代,物联网是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式芯片和软件。
使之成为“智能物体”,通过网络设施实现信息传输、协同和处理,从而实现物与物、物与人之间的互联。
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。
在感知领域的另外一个术语就是传感网,它将大量、多种类传感器节点(传感、采集、处理、收发、网络于一体)组成自治的网络。
实现对物理世界的动态协同感知。
可以看出,传感网是以感知为目的的物物互联网络.从用户或产业应用的角度也被称为物联网,因此传感网和物联网的概念本质上是相同的。
两个概念的使用场景存在一定差异。
传感网是实现物物通信的重要手段和基础设施,因此更多的是从实现的角度来描述网络本身,而物联网则从应用的角度来描述物物通信的网络,在本文中根据实际情况,两种概念均会使用。
明确的物联网发展已有5~6年历史.日本最早于2004年提出以发展泛在网络社会为目标的U-Japan构想。
计划于2004—2007年共投入29亿美元.预计到2010年将带来371亿美元的直接收益。
韩国提出了U.Korea战略及IT839战略.计划到2010年共投入700亿美元,物联网发展是其中三大基础建设之一。
2009年4月,美国政府公布了40亿美元智能电网投资计划,智能电网在现有电网基础上,通过在发电、输电等各个环节引入先进的传感和测量技术、控制方法以及决策支持系统实现电网高可靠、高效运行。
智能电网可以实现高压输电线安全监控、电力设备工作情况监控、智能用户需求响应、实时定价、停电检测、电能质量监测等目标。
美国能源部预计这一计划在未来20年内将节省投资800亿美元。
1.2物联网的关键技术
物联网的几个关键环节可以归纳为“感知、传输、处理”,实现“及时、精确、全面地获取和处理信息,达到科学决策、降低成本、提高效率、保护环境、增强安全等目标,更加有利于人类的可持续性发展”。
其中,传感技术、纳米技术、嵌入式智能技术、射频识别技术以及网络和通信技术为物联网的发展和广泛应用提供了基础。
1.2.1传感器与传感节点技术
传感器是指能感知预定的被测指标并按照一定的规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。
传感器的类型多样.可以按照用途、材料、输出信号类型、制造工艺等方式进行分类。
常见的传感器有速度传感器、热敏传感器、压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器等。
随着技术的发展,新的传感器类型也不断产生。
传感器的应用领域非常广泛,包括工业生产自动化、国防现代化、航空技术、天技术、能源开发、环境保护与生物科学等。
随着纳米技术和微机电系统(MEMS)技术的应用.传感器尺寸的减小和精度的提高,也大大拓展了传感器的应用领域。
物联网中的传感器节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源构成。
节点具有感知能力、计算能力和通信能力,也就是在传统传感器基础上,增加了协同、计算、通信功能,构成了传感器节点。
智能化是传感器的重要发展趋势之一。
嵌入式智能技术是实现传感器智能化的重要手段,其特点是将硬件和软件结合,利用了嵌入式微处理器的低功耗、体积小、集成度高和嵌入式软件的高效率、高可靠性等优点.同时结合人工智能技术,推动物联网中智能环境的实现。
1.2.2射频识别技术
射频识别(RFID)技术是一种非接触式的自动识别技术,通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。
RFID为物体贴上电子标签,实现高效灵活管理,是物联网的支撑技术之一。
典型的砌D系统由电子标签、读写器和信息处理系统组成。
当带有电子标签的物品经过特定的信息读写器时.标签被读写器激活并通过无线电波将标签中携带的信息传送到读写器以及信息处理系统,完成信息的自动采集工作。
信息处理系统根据需求承担相应的信息控制和处理工作。
1.2.3网络和通信技术
传感网依托网络和通信技术实现感知信息的传递和协同。
传感网的网络技术分为两类:
近距离通信和广域网络通信技术等。
在广域网络通信方面。
IP互联网、2G/3G移动通信、卫星通信技术等实现了信息的远程传输.特别是以IPv6为核心的下一代互联网的发展.将为每个传感器分配IP地址创造可能,也为传感网的发展创造了良好的基础网条件。
在近距离通信方面,以IEEE802.15.4为代表的近距离通信技术是目前的主流技术,805.15.4规范是IEEE制定的用于低速近距离通信的物理层和媒体接入控制层规范.工作在工业科学医疗(ISM)频段,免许可证的2.4GHzISM频段全世界都可通用。
802.15.4的低功耗、低速率和短距离传输的特点使它非常适宜支持计算和存储能力有限的简单器件。
随着互联网的进一步扩展,业界开始研究如何通过一种新型的低功耗网络连接技术将IP的使用扩展到资源受限的传感器节点设备上,IETF6LowPAN工作组负责研究的IPv6over802.15.4协议.在应用层和MAC层之间增加了一个适配层.使得IPv6可以在802.15.4网络上实现高效通信,从而逐步实现物联网和互联网的融合。
目前IE7I'F在该领域已经形成两个RFC:
RFC4919和RFC4944。
物联网能够整合上述所有技术的功能.实现一个完全交互式和反应式的网络环境。
第2章物联网的现状及RFID-IS
2.1物联网的现状
2005年11月17日.在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上,国际电信联盟(nTU)发布了(rru互联网报告2005:
物联网》,正式提出了“物联网”的概念。
目前,多个发达国家已将发展物联网提升为国家战略。
温家宝总理2009年在无锡考察传感网产业时对促进物联网发展做出了重要指示:
“着力突破传感网、物联网关键技术。
及早部署后IP时代相关技术研发,使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机。
”现阶段物联网的发展,是基于特定终端.以IP/CDMA等为接人手段,为行业和家庭客户提供机器到机器的解决方案.满足客户对生产过程,家居生活监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的信息化需求。
它有以下几个主要特征。
·全面感知:
即利用RFID、传感器、二维码等随时随
地获取物体的信息。
·可靠传递:
通过各种电信网络与互联网的融合,将
物体的信息实时、准确地传递出去。
·智能处理:
利用云计算、模糊识别等各种智能计算
技术,对海量的数据和信息进行分析和处理,对物
体实施智能化的控制。
基于此.对物联网的研究应聚焦在民生应用和行业应用方面,而民生应用。
也就是家庭物联网,是与人类的日常生活息息相关、密不可分的。
家庭物联网应用的发展对未来构建数字家庭起到了决定性的作用。
2.1.1RFID的定义
R兀D(射频识别)技术是一种无线自动识别技术,又称为电子标签技术.RFID技术具有众多优点,广泛应用于交通、物流、安全、防伪等领域⋯12|,作为条形码等识别技术的升级换代产品.近年来巨大的市场需求使得RFID迅速发展起来.通常的RFID系统包括前端的射频终端和后台的计算机信息管理系统.射频终端由读写器和标签组成.标签用于存储所标识物品的身份和属性的信息;读写器作为信息采集终端,利用射频信号对标签进行识别并与计算机信息系统进行通信【3J.将RFID技术与Intemet相结合,将读写器安装到任何需要采集信息的地方,通过Intemet就能全程跟踪贴有电子标签的物品.这样所有的物品和Intemet就组成了“物联网”.典型的物联网结构如图2-1所示.每一个物品都被赋予一个独一无二的代码,将这个代码存储在电子标签中贴在物品上,同时将这个代码所对应的详细信息和属性存储在RFID信息服务系统的服务器中.当物品从生产到流通的各个环节中被识别并记录时,通过ONS(对象名解析服务,ObjectNamingService)的解析可获得物品所属信息服务系统的URI(统一资源标识,UniversalResourceIdentifier),进而通过网络从RFID信息服务器中获得其代码所对应的信息和属性,以进行物品的识别和达到对物流供应链自动追踪管理的目的.物联网的最终目标是为每一个物品建立全球的、开放的标识标准,它的发展不仅能够实现对物品的实时跟踪,而且能够提高物流运输物联网概念一经提出,立即受到了各国政府、企业和学术界的重视,在需求和研发的相互推动下,迅速热遍全球.本文在综述物联网发展现状和关键技术的同时,提出了我国物联网的框架,并在这个框架下对中国物联网信息服务系统进行了研究,提出了其信息服务(RFID-IS:
RFIDInformationService)和管理架构(RFID-MP:
RFIDManagementProtoc01)的解决方案.
图2-1物联网结构示意图
2.1.2物联网在国外的研究
目前国际上对物联网的研究逐渐明朗起来,最典型的解决方案有欧美的EPC系统和日本的UID系统等.1999年麻省理工学院Auto-ID中心在美国统一代码委员会的支持下提出了EPC(ElectronicProductCode)的概念.2003年11月1日Auto-ID中心更名为Auto.ID实验室,致力于自动识别技术的开发和研究工作,倡导为能够跨越整个供应链的操作方案制定公共的标准.EPC系统使用了数据接口组件的方式解决数据的传输和存储问题,用标准化的计算机语言来描述物品的信息.2003年9月Auto-ID中心发布的规范1.0版【4J中将这个组件命名为PML(物品标识语言,PhysicalMarkupIamguage)Server.作为EPC系统中的信息服务关键组件,PML成为描述自然物体、过程和环境的统一标准.在其后的一年中,技术小组依照各个组件的不同标准和作用以及它们之间的关系修改了规范,于2004年9月发布了修订的EPC网络结构方案,EPCIS(EPC信息服务,EPCInfornmtionService)代替了原来的PMLServer.这个方案提出了EPCIS在EPC系统中的作用和具体功能,如图2-2所示.目前一些系统原型已经建立起来,但是具体针对EPCIS的规范仍在制定中.
图2-2EPC网络结构图
日本在电子标签方面的发展,始于20世纪80年代中期的实时嵌入式系统TRON,T-En巧ne是其中核心的体系架构.在T—En异i∞论坛领导下,UIDCenter(泛在识别中心,Ubiqui.tousIDcenter)中心于2003年3月成立,具体负责研究和推广自动识别的核心技术,即在所有的物品上植入微型芯片,组建网络进行通信.UID得到了日本政府经济产业省和总务省以及大企业的支持.U1D提出一种UID技术终端来支持用户和泛在识别计算机环境的通信,叫做泛在通讯器(UbiquitousCommunicator),简称UC.UC提供了多制式的通信接口以处理不同种标签和读写器的信息,无论是本地还是网络都可以通过嵌入式的接口连接UID信息把服务系统.由于涉及到很多重要领域和国家信息安全,很多国家都重视信息服务系统的建设。
希望提出自主知识产权的RFID标准和物联网标准,不再像Internet那样主要由美国主导.
2.1.3中国在物联网方面的研究
目前我国的商品制造和出口量非常巨大,如果采用国外的识别体系和技术规范,则必须使用其中央数据库和解析服务器等相关设施,我国企业商业秘密就无从保护,给国家信息安全及经济情报造成安全隐患.一旦国外的主服务器发生意外,我国的国民经济活动将受到严重影响.另一方面,如果电子标签采用国外的标准,我国数百亿美元的电子标签产业中最关键的核心部分:
编码规则、传输协议、中央数据库等规则只能随之来制定,我国物流业的发展战略将依附予国外.作为世界最大的制造业基地,我国不但每年要支付昂贵的专利费,同时也很难做出适合中国国情的修改.所以,确立我国自有知识产权的商品编码及网络管理制式标准非常重要.物联网的建设在我国日益受到重视,制定我国自主知识产权的标准体系和网络系统的呼声越来越强烈.2006年6月9日,由中华人民共和国科学技术部等十五部委联合编写的《中国射频识别(RFID)技术政策白皮书》发布,对RFID产业化和应用方面的关键技术进行了探讨,为中国RFID技术与互联网、通讯等技术相结合,应用于物流制造业的发展指明了道路.我国的研究人员对物联网信息服务的研究较发达国家稍晚,在跟踪发达国家研究的同时已经逐渐有了自己的创新.参与这方面研究的有中国物品编码中心、中国标准协会、AIMChina、复旦大学Auto-ID中国实验室、北京航空航天大学等科研机构及一些企业,并取得了一些初步的成果.同时,有国内从事RFID研发的知名企业在2005年两会期间提交了《适应社会经济发展需求,建立中国物流互联网工程》的提案,提出了开展中国物联网研究和规划的建议,目前有关部委领导已就此提案进行了考察和论证.一些刊物和网站成为物联网信息服务的讨论阵地.
2.1.4中国物联网信息服务系统架构
目前,我国已成为世界制造业中心,信息技术发展迅速,物联网技术研究已迫在眉睫.本文提出的中国物联网信息服务系统分为四层,其架构如图2-3所示.
图2-3我国物联网信息服务系统架构
国家物联网管理中心是一级管理中心,制定和发布总体标准,负责与国际物联网互联,并对二级物联网管理中心进行管理.二级物联网管理中心分为各行业的物联网管理中心(如公路运输、航运等)和专用物联网(如军用、海关等)管理中心,制定各行业、各领域的标准和规范.各行业和领域内部的统计信息可以存储在二级物联网管理中心,其他行业和领域根据一定权限可以进行查询,同时方便国家管理中心的管理.第三级为本地物联网管理中心,负责管理各企业、各单位内部的物流信息.这一级是最基本的物联网信息服务管理中心,对本企业或本系统物品进行追踪和信息存储,一方面可以了解物品的去向和仓储销售情况,作好生产计划;另一方面在出现事故或丢失时还可以追踪物品制造和流通环节.第四级为各种RFID应用系统,负责前端的标签识别、读写和信息管理工作,将读取的信息通过计算机或直接通过网络传送给上级物联网信息服务系统.每一级信息管理中心负责本级中各节点的信息传输、存储与发布;管理各节点接口的用户权限与数据安全;监控各节点的运转,及时报告和排除故障,保障物联网信息服务系统的安全畅通.
2.2RFID-IS的概念
物联网运行依靠各级物联网管理中心的信息服务器.信息服务器既要保证与上下级管理中-tL,的信息传递,又要对来自物联网内外的查询进行身份鉴别和提供信息服务.物联网信息服务器在具备普通服务器功能的同时,还要适合物联网尤其是我国物联网的特点和需要.物联网信息服务系统中,第四级RFID应用管理系统存在于生产商或运输商等底层的服务器中,负责存储其物品的生产或流通信息;第三级管理中心服务器提供数据存储、统计和查询等功能;第二级管理中心服务器提供更高层次的存储和查询,以此类推.基于中国物联网的特点,图2-4提出了RFID-IS信息服务器的结构和数据流程.包括SOAP(简单对象访问协议,SimpleObjectAccessProtoc01)、服务管理应用程序、数据库、PML文档和HTML文档.
图2-4RFID-IS服务器的结构和数据流程
·SOAP
SOAP是一种在非集中、分布环境中交换信息的协议.它使用SOAP信封将定义信息的内容、来源、目的和处理框架封装起来,传递给服务器管理应用程序.在处理过程的最后,SOAP还要负责将处理结果传递给物联网客户端.SOAP使用HTrP作为通信协议,接受和发送PML格式的数据参数.
·服务器管理应用程序
服务器管理应用程序接收和处理SOAP发送的数据,并将处理结果反馈给SOAP.
·数据库
物联网信息服务器中的数据库在不同层次存储不同的信息,其作用是提供查询或存储对象与其在物联网中的统一代码的映射.
·PML文档
PML语言是XML语言的扩展,集成了XML的许多工具与技术,成为描述自然物体、过程和环境的统一标准.物联网中真正用于存储信息的是PML文档,它可以由应用程序创建,并允许随后不断
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