物联网研究与实践.ppt

“物联网”研究与实践,张晶晶、马莹、李金涛、何萧龙、秦东东,2019/7/19,一、物联网概述,利用条码、射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，实现人与人、人与物、物与物的在任何时间、任何地点的连接（anything、anytime、anywhere），从而进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的庞大网络系统。,IBM前首席执行官郭士纳提出一个重要的观点：计算模式每隔15年发生一次变革。,每一次这样的技术变革都引起企业间、产业间甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化。而互联网革命一定程度上是由美国“信息高速公路”战略所催熟。,物联网技术面临的五个主要问题,（1）技术标准问题 世界各国存在不同的标准。中国信息技术标准化技术委员会于2006年成立了无线传感器网络标准项目组。2009年9月，传感器网络标准工作组正式成立了PG1(国际标准化)、PG2(标准体系与系统架构)、PG3(通信与信息交互)、PG4(协同信息处理)、PG5(标识)、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(电力行业应用调研)等8个专项组，开展具体的国家标准的制定工作。 （2）安全问题 信息采集频繁，其数据安全也必须重点考虑。 （3）协议问题 物联网是互联网的延伸，在物联网核心层面是基于TCP/IP，但在接入层面，协议类别五花八门，GPRS/CDMA、短信、传感器、有线等多种通道，物联网需要一个统一的协议栈。 （4）IP地址问题 每个物品都需要在物联网中被寻址，就需要一个地址。物联网需要更多的IP地址，IPv4资源即将耗尽，那就需要IPv6来支撑。IPv4向IPv6过渡是一个漫长的过程，因此物联网一旦使用IPv6地址，就必然会存在与IPv4的兼容性问题。 （5）终端问题。 物联网终端除具有本身功能外还拥有传感器和网络接入等功能，且不同行业需求千差万别，如何满足终端产品的多样化需求，对运营商来说是一大挑战。,二、物联网应用实例,畜 牧 溯 源,给放养的牲畜中的每一只羊都贴上一个二维码，这个二维码会一直保持到超市出售的肉品上，消费者可通过手机阅读二维码，知道牲畜的成长历史，确保食品安全。我国已有10亿存栏动物贴上了这种二维码。,无 线 葡 萄 园,2002 年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。通过长年的数据记录以及相关分析，便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。,大鸭岛生态环境监测系统,2002年，由英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的科学家把无线传感器网络技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况。位于缅因州海岸大鸭岛上的海燕由于环境恶劣，海燕又十分机警，研究人员无法采用通常方法进行跟踪观察。为此他们使用了包括光、湿度、气压计、红外传感器、摄像头在内的近10种传感器类型数百个节点，系统通过自组织无线网络，将数据传输到300英尺外的基站计算机内，再由此经卫星传输至加州的服务器。在那之后，全球的研究人员都可以通过互联网察看该地区各个节点的数据，掌握第一手的环境资料，为生态环境研究者提供了一个极为有效便利的平台。,水下无线传感器网络技术,根据目前欧美各国在研项目的文献资料，可以大致将水下传感器网络的组成结构可分为以下几类： (1) 基于水面浮标的(射频+水声通信)可任意升降的三维立体水下传感器网络系统。优点：布放比较容易，可利用太阳能、GPS以及水面上的无线通信，回避、降低了水下通信的困难。缺点：阻碍航道，易被发现破坏，容易随波逐流，位置不能固定。 (2) 由固定在海底基站的节点构成的，可任意升降的三维立体网络系统。通过光缆或声通信与水面网关、节点联结，将数据传输至基站。优点：不会影响航行。缺点：维护不容易。,(3) 基于水面浮标节点 (射频+水声通信)、水中自主航行器（水声通信）和水底固定节点（水声通信）的三维立体系统。优点：覆盖全面，配置灵活，功能强大。缺点：系统复杂，成本高。 与地面无线传感器网络相比，水下传感器网络仍然存在着诸多困难：如有效带宽非常有限、水下信道非常恶劣等等，在这个领域还有许多的困难需要解决。,个人保健,人身上可以安装不同的传感器，对人的健康参数进行监控，并且实时传送到相关的医疗保健中心，如果有异常，保健中心通过手机，提醒您去医院检查身体。,未来数字家庭,数字家庭是以计算机技术和网络技术为基础，包括各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智能家居等，通过不同的互连方式进行通信及数据交换,实现家庭网络中各类电子产品之间的“互联互通”的一种服务。 数字家庭的四大功能：信息、通信、娱乐和生活。,文物保护,对珍贵的古老建筑进行保护，是文物保护单位长期以来的一个工作重点。将具有温度、湿度、压力、加速度、光照等传感器的节点布放在重点保护对象当中，无需拉线钻孔，便可有效地对建筑物进行长期的监测。此外，对于珍贵文物而言，在保存地点的墙角、天花板等位置，监测环境的温度、湿度是否超过安全值，可以更妥善地保护展览品的品质。,空间、海洋探索,探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索，是一种经济可行的方案。NASA 的 JPL 实验室研制的 Sensor Webs 就是为将来的火星探测、选定着陆场地等需求进行技术准备的。现在该项目已在佛罗里达宇航中心的环境监测项目中进行测试和完善。,美国宇航局的空间探索计划中 无线传感器网络的应用模式示意图,智 慧 城 市,电子病历 家庭健康服务 医疗费用管理,物联网应用频谱,照明、信号、应急、灾害、识别,生产、安全、防灾、水电油气,物流、零售、自动服务,交易、订单、跟踪、识别,险情、油井、运输、管线,联动、消防栓、定位、调度,目前在我国，仓储管理基本处于人工管理或半自动化管理状态，存在产品识别困难，产品信息难以实时获取，仓储管理自动化程度不高、人工依赖性强等诸多问题。,基于物联网的仓储管理系统是以RFID(Radio Frequency Identification:射频识别)技术为基础，充分利用物联网技术，集成先进的硬件设备和完善的软件系 统建立的智能仓储管理系统。具有以下功能： (1) 自动精确地获得产品信息和仓储信息； (2) 自动形成并打印入库清单和出库清单； (3) 动态分配货位，实现随机存储，从而最大限度利用仓储空间； (4) 产品库存数量、库存位置、库存时间和货位信息查询； (5) 产品库存随机抽查盘点； (6) 仓库系统综合盘点； (7) 汇总和统计各类信息，输出各类统计报表。,三、基于物联网技术的仓储管理系统研究,仓储的定位分析 仓储作为物流环节的一部分， 其产生的原因主要分为主动储存和被动储存。其中主动储存包括战略考虑、时间差异、市场因数（如为了使货物价格趋高避低进行的储存）； 被动储存包括管理失误、供需脱节、不可抗拒因素等。,仓储管理内容研究大致可以分为仓、储、物和环境四个方面。仓是指仓储活动所需的设施、设备； 储是指仓储业务及其管理， 包括商品的出入库业务、在库业务、仓储规划和货位管理等； 物是指对仓库内货物及人的管理。环境是指仓、物的活动、存放环境。,仓储管理系统的软件设计,基于物联网技术的仓储管理系统主要实现三个功能： 一是利用物联网技术优化仓库作业流程； 二是利用物联网技术对仓库内的人员、叉车、托盘、货架等设备进行监管、调 配和权限管理， 实现合理布控。 三是利用物联网技术对仓库内温度、湿度等环境进行实时监控。 根据实际运用中的要求， 该智能仓储管理系统软件结构上分为业务管理、安全管理、数据管理、协作管理、基本信息管理、设备管理和电子地图7 大功能模块。,仓储管理系统的硬件布局方案,未来仓储的发展趋势是多功能混合运用、自动化、智能化和集约化。根据仓储管理系统的功能，结合物联网技术，实现模块功能所涉及到硬件设备大致有PC 机、手机、PDA、FID 货物标签（大件物品）、RFID 托盘标签（散装小物品）、工作人员RFID 标签、RFID 货位标签、叉车载读卡器、天线、电子显示屏、电子语音设备、温度传感标签、湿度传感标签、光传感标签、红外传感器和相应读卡器、门式固定读卡器、摄像头、通风和供暖设备等。,运用物联网技术搭建仓储管理系统， 在实际的布置实施中可能会出现许多问题，对于这些问题需要灵活的进行处理， 以减少系统搭建的难度与投入。,（1）RFID 识别技术在距离上存在问题，识别范围大致在百米内。如果仓库面积太大，安装天线的数量就较大，增加了成本。对于一些不需要及时识别的功能，可以采用在仓库上方部分区域设置移动天线，减少天线数量 的同时实现信息识别。 （2 仓库出入通道中设置RFID 阅读器查阅出入货，但是有可能受到通道外其它货物RFID 的干扰，影响出入货检测的正确性。鉴于此，可以将通道用金属做成一个闭环的形式，RFID 阅读器置于闭环通道中，屏蔽外部信号， 只能阅读通道内部货物的信息。 （3）针对金属和液体货物管理，FRID 技术的穿透能力有限，在不改用其他技术的情况下，可以改变天线的空间布局，实现信号叠加，增强穿透能力。 （4）由于目前识别技术的编码各个行业还没有完全统一， 而且采用统一的编码有可能会给小的企业带来不必要的麻烦，所以企业可以在内部制定编码， 采用软件法实现货物、货位、工作人员的虚实识别技术，将企业关注 的信息进行编码、采集和分