毕业论文-物联网的体系结构及其关键技术.doc

石家庄科技信息职业学院毕 业 论 文 题 目：物联网的体系结构及其关键技术 学 号： 姓 名： 专业班级： 09-22 指导教师： 完成日期： 2010年12月20日 物联网的体系结构及其关键技术摘要：物联网技术已经引起国内学术界、工业界和新闻媒体的高度重视，当前物联网的定义、内在原理、体系结构和系统模型等方面还存在很多值得探讨的问题，通过对现有物联网技术文献和应用实例的分析，探讨了物联网与下一代网、网路化物理系统和无线传感网的关系；提出了物联网的服务类型和节点分类，设计了基于无源、有源和互联网节点的物联网的体系结构和系统模型；在总结物联网特征的基础上，对物联网的研究提出了建议。在物联网的体系结构中，介绍了一种面向应用的物联网，也就是我们通常所说的将万维网嵌入到系统中，与此同时采用相应的万维网服务形式来使用的物联网。另一个就是自主体系结构。物联网的自主体系结构是为了适应于异构的物联网无线通信环境而进行相关设计的体系结构，该结构采用的是一种自主的通信技术。在物联网的关键技术中，分别从做成物联网的四大关键技术介绍，较为详细的解说了RFID技术、M2M技术、无线传感网技术、两化融合问题。关键词：物联网 物联网体系结构 物联网关键技术Networking architecture and its key technologyAbstract: The technology of the internet of Sthings(DT) has attracted highly attention of academia, industry,and newmedia there are still many open issues in the definition,initmal principles,architectures and system models of DT. Through the analysis of current technical materials and application cases of DT., this paper discusses the relations between Next Generation Network,Cyber-Physical systems, Wireless Sensor Network and the DT. It proposes service types and node calssification of DT and designs the architecture and system model of DT basesd onpassive, active and internet nodes structure of DT. After, summary of the feature of DT, if proposes the suggestions on the researches and development of DT.In network architecture, this paper introduces a kind of application oriented networking, namely what we say normally to the world wide web is embedded into the system, at the same time the corresponding web services to form using the Internet of things. Another is the independent system structure. The Internet of things independent architecture to adapt to heterogeneous network wireless communication environment and related design of the system structure, the structure is made using an autonomous communication technology.The key technology in the Internet of things, from the network made four key techniques are introduced, detailed explanation of the RFID technology, M2M technology, wireless sensor network technology, the integration of the two issues.Keywords: internet of the things network architecture The key technology of Internet of things目 录一、物联网的体系结构11.1 物联网的前景与背景11.2 物联网的体系结构31.2.1 感知层41.2.2 网络层41.2.3 应用层5二、物联网的关键技术62.1 RFID技术62.1.1 RFID技术简介72.1.2 EPC/无线射频识别技术(RFID)技术72.1.3 EPC/RFID技术应用92.2 解析M2M102.2.1 M2M的基本概念112.2.2 基于M2M的监控基础架构112.3 无线传感器网技术122.3.1 无线传感器网络技术概述132.3.2 无线网络的选择132.3.3 网络协议142.3.4 网络拓扑152.3.5 系统功耗152.3.6 兼容性162.4 两化融合问题172.4.1 中国装备制造业的升级之路一定要走“两化融合”之路182.4.2 在两化融合大趋势下，制造企业CIO必须应对的八大挑战19总 结22参 考 文 献23一、物联网的体系结构1.1 物联网的前景与背景物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。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。简而言之，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。物联网的概念是在1999年提出的。1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议就提出，“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”。2003年，美国技术评论提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。 2005年8月24日，中国移动总裁王建宙在台湾公开演讲中，也提到了物联网这个概念。2008年11月，在北京大学举行的第二届中国移动政务研讨会“知识社会与创新2.0”提出移动技术、物联网技术的发展代表着新一代信息技术的形成，并带动了经济社会形态、创新形态的变革，推动了面向知识社会的以用户体验为核心的下一代创新（创新2.0）形态的形成，创新与发展更加关注用户、注重以人为本。而创新2.0形态的形成又进一步推动新一代信息技术的健康发展。2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。工信部总工程师朱宏任在中国工业运行2009年夏季报告会上表示，物联网是个新概念，到现在为止还没有一个约定俗成的，大家公认的概念。他说，总的来说，“物联网”是指各类传感器和现有的“互联网”相互衔接的一种新技术。 2009年8月7日，温家宝总理到中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心考察时说：“当计算机和互联网产业大规模发展时，我们因为没有掌握核心技术而走过一些弯路。在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术。”提出要加快推进传感网发展，建立中国传感信息中心。 “物联网前景非常广阔，它将极大地改变我们目前的生活方式。”南京航空航天大学国家电工电子示范中心主任赵国安说。业内专家表示，物联网可以广泛应用于经济社会发展的各个领域，引发和带动生产力、生产方式和生活方式的深刻变革，成为经济社会绿色、智能、可持续发展的关键基础和重要引擎。主要表现在两方面:一方面物联网市场空间广阔，受众群突破人口限制，扩大到几乎所有的生产资料/机器终端/传感器网络，据Forrester咨询公司预测，到2020年，地球上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30：1，因此物联网被称为下一个万亿级的通信业务；另一方面物联网获得国家层面的重视，政策的扶持和资金投入都在加大，物联网第一次写入政府工作报告，并被纳入7大战略性新兴产业。据不完全统计，去年各大部委对物联网的研究扶持资金投入已经超过20亿。不少地方政府近期都在热衷建设物联网产业基地，给予相关企业在税收、资金、用工、服务等一系列的优惠政策，吸引物联网产业链在地方落地，从而带动地方社会发展，提升传统产业，推动经济结构的调整和发展方式的深刻转变。不过，也有观点认为，物联网迅速普及的可能性有多大，尚难以轻言判定。毕竟RFID早已为市场所熟知，但新大陆等拥有RFID业务的相关上市公司定期报告显示出业绩的高成长性尚未显现出来，所以，对物联网的普及速度存在着较大的分歧。但可以肯定的是，在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网会是工业乃至更多行业信息化过程中，一个比较现实的突破口。而且，RFID技术在多个领域多个行业所进行的一些闭环应用。在这些先行的成功案例中，物品的信息已经被自动采集并上网，管理效率大幅提升，有些物联网的梦想已经部分的实现了。所以，物联网的雏形就象互联网早期的形态局域网一样，虽然发挥的作用有限，但昭示着的远大前景已经不容质疑。1.2 物联网的体系结构物联网的价值在于让物体也拥有了“智慧”，从而实现人与物、物与物之间的沟通，物联网的特征在于感知、互联和智能的叠加。因此，物联网由三个部分组成：感知部分，即以二维码、RFID、传感器为主，实现对“物”的识别；传输网络，即通过现有的互联网、广电网络、通信网络等实现数据的传输；智能处理，即利用云计算、数据挖掘、中间件等技术实现对物品的自动控制与智能管理等。目前在业界物联网体系架构也大致被公认为有这三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面则是内容应用层，如图1所示。图1 物联网体系架构示意图在物联网体系架构中，三层的关系可以这样理解：感知层相当于人体的皮肤和五官；网络层相当于人体的神经中枢和大脑；应用层相当于人的社会分工，具体描述如下。 感知层是物联网的皮肤和五官识别物体，采集信息。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等，主要作用是识别物体，采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。 网络层是物联网的神经中枢和大脑信息传递和处理。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心和信息处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。 应用层是物联网的“社会分工”与行业需求结合，实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会。 在各层之间，信息不是单向传递的，也有交互、控制等，所传递的信息多种多样，这其中关键是物品的信息，包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息。下面对这三层的功能和关键技术进行分别介绍。1.2.1 感知层这里的“物”并不是自然物品，而是要满足一定的条件才能够被纳入物联网的范围，例如有相应的信息接收器和发送器、数据传输通路、数据处理芯片、操作系统、存储空间等，遵循物联网的通信协议，在物联网中有可被识别的标识。可以看到现实世界的物品未必能满足这些要求，这就需要特定的物联网设备的帮助才能满足以上条件，并加入物联网。物联网设备具体来说就是嵌入式系统、传感器、RFID等.物联网感知层解决的就是人类世界和物理世界的数据获取问题，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。感知层处于三层架构的最底层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。作为物联网的最基本一层，感知层具有十分重要的作用。 感知层一般包括数据采集和数据短距离传输两部分，即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据，通过蓝牙、红外、ZigBee、工业现场总线等短距离有线或无线传输技术进行协同工作或者传递数据到网关设备。也可以只有数据的短距离传输这一部分，特别是在仅传递物品的识别码的情况下。在实际上，感知层这两个部分有时很难以明确区分开。1.2.2 网络层物联网网络层是在现有网络的基础上建立起来的，它与目前主流的移动通信网、国际互联网、企业内部网、各类专网等网络一样，主要承担着数据传输的功能，特别是当三网融合后，有线电视网也能承担数据传输的功能。 在物联网中，要求网络层能够把感知层感知到的数据无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，它解决的是感知层所获得的数据在一定范围内，尤其是远距离地传输问题。同时，物联网网络层将承担比现有网络更大的数据量和面临更高的服务质量要求，所以现有网络尚不能满足物联网的需求，这就意味着物联网需要对现有网络进行融合和扩展，利用新技术以实现更加广泛和高效的互联功能。 由于广域通信网络在早期物联网发展中的缺位，早期的物联网应用往往在部署范围、应用领域等诸多方面有所局限，终端之间以及终端与后台软件之间都难以开展协同。随着物联网发展，建立端到端的全局网络将成为必须。由于物联网网络层是建立在Internet和移动通信网等现有网络基础上，除具有目前已经比较成熟的如远距离有线、无线通信技术和网络技术外，为实现“物物相连”的需求，物联网网络层将综合使用IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技术，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合。同时，网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。感知数据管理与处理技术包括物联网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的技术。 1.2.3 应用层应用层是物联网发展的驱动力和目的。应用层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化的管理、应用和服务。这一层解决的是信息处理和人机界面的问题。 具体的讲，应用层将网络层传输来的数据通过各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人进行交互。这一层也可按形态直观地划分为两个子层：一个是应用程序层；另一个是终端设备层。应用程序层进行数据处理，完成跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能，包括电力、医疗、银行、交通、环保、物流、工业、农业、城市管理、家居生活等，可用于政府、企业、社会组织、家庭、个人等，这正是物联网作为深度信息化网络的重要体现。而终端设备层主要是提供人机界面，物联网虽然是“物物相连的网”，但最终是要以人为本的，最终还是需要人的操作与控制，不过这里的人机界面已远远超出现在人与计算机交互的概念，而是泛指与应用程序相连的各种设备与人的反馈。 物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控），查询型（智能检索、远程抄表），控制性（智能交通、智能家居、路灯控制），扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。目前，软件开发、智能控制技术发展迅速，应用层技术将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。同时，各种行业和家庭应用的开发将会推动物联网的普及，也给整个物联网产业链带来利润。二、物联网的关键技术物联网关键技术是根据具体的物联网应用要求，在传感器节点构成的网络基础上具体服务于特定行业或者实现特定功能的技术。按照具体的任务来分，物联网关键技术主要包括:RFID、M2M、传感网和两化融合。图2 物联网的四大关键技术2.1 RFID技术在这些物联网的核心技术中，无线射频识别作为物联网最底层的基础性构件，充当了让物品“开口回答问题”甚至“抢答”的角色。RFID是物联网发展的排头兵，作为物联网的关键技术，物联网中所有的个体“身份”都需要RFID、感应器等基础产业支持。在“物联网”的构想中，RFID标签中存储着规范且具有互用性的信息，通过有线或无线数据通信网络把信息自动采集到中央信息系统，并对物品(商品)进行识别，进而通过开放性的计算机网络实现信息交换和共享，最终实现对物品的“透明”管理。2.1.1 RFID技术简介 无线射频识别技术（Radio Frequency Identification technology，RFID technology）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）传输特性，实现对被识别物体的自动识别。RFID系统一般由四个部分组成，即电子标签（Tag）和阅读器（Reader）、RFID中间件和RFID应用系统软件。 在RFID系统的应用中，标签附着在被识别的物体上（表面或内部），一旦带有电子标签的被识别物体进入读写器可识读范围时，读写器以自动无接触的方式将约定的信息从标签中读取出来，从而完成自动识别物品或者自动收集物品标志信息的功能。 阅读器与电子标签之间的信息交换具有以下特点：可以非接触识别；无需“视线”所及，可以穿过水、油漆、木材甚至人体进行识别；可以识别快速移动物品；可同时识别多个物品等。采用RFID技术最大的好处就是可以对企业的业务处理过程进行可视化管理，以有效地降低成本。2.1.2 EPC/无线射频识别技术(RFID)技术 无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它的工作原理如下：使用射频电磁波通过空间耦合(交变磁场或电磁场)在阅读器和进行识别、分类和跟踪的移动物品（物品上附着有RFID标签）之间实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID是一种利用电磁能量实现自动识别和数据捕获技术，可以提供无人看管的自动监视与报告作业。具体的工作原理如下：当装有电子标签的物体接近微波天线时，阅读器受控发出微波查询信号。安装在物体表面的电子标签收到经微波天线发出的查询信号后，根据查询信号中的命令要求，将标签中的数据信息反射回微波天线。微波天线接收到电子标签反射回的微波合成信号后，经阅读器内部微处理器处即可将电子标签中的识别代码等信息分离出来。这些识别信息作为物体的特征数据被传送到控制计算机作进一步处理，从而完成与物体有关的信息查询、统计、管理等应用。整个识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，并且阅读器能自行判断RFID标签是否被重复读取处理。RFID技术的这些功能特性很适合流水线上产品的控制，以实现流水作业管理，得以使整个流水线管理自动化。RFID系统一般由RFID系统由阅读器、应答器（标签）和应用系统三部分组成，通过电波在响应媒介和询问媒介间传递信息。阅读器，一般是一台内含天线和芯片解码器的阅读(有时还可以写入)设备，可设计为手持式或固定式；阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别体的目的。通常阅读器与电脑相连，所读取的标签信息被传送到电脑上进行下一步处理。应用系统，一般是由计算机支撑的有线或无线管理系统。视不同应用要求，对于实时型的智能型控制器，不一定必须要有后台应用系统。标签，主要是射频标签，响应端内含天线，两者组成所谓的“雷达收发机”，以卡、标签等形式存在。整体的EPC网络操作依赖于RFID系统和网络应用系统的介入，使产品信息有效的传播。安装在不同需求链环境的解读器可以读取标签中储存的产品数据。因此供应链数据可以通过网络及时地检查、更新或者交换信息。EPC系统是一个全球的大系统，供应链各个环节，各个节点，各个方面都可受益，但对低价值的识别对象来说，如：食品，消费品等，它们对EPC系统引起的附加价格十分敏感。EPC系统正在考虑通过本身技术的进步，进一步阳氏成本，同时通过系统的整体运作使供应链管理得到更好的运作，提高效益，以便抵消和降低附加价格。 EPC/RFID物品识别的目标是为每一物理实体提供唯一标识。它与传统条码技术相比有以下几方面的优点：（1）唯一标识。 本文来自论文资源库 ，转载请保留此标记。 条码只能识别一类产品， 而无法识别单品， 因此条码容易伪造。RFID却可以为单品提供唯一标识。（2）读取方便。条码是可视传播技术。即扫描仪必须“看见”条码才能读取它， 这表明人们通常必须将条码对准扫描仪才有效。相反， 无线电识别并不需要可视传输技术， 射频标签只要在识读器的读取范围内就可以了， 甚至可以穿过外包装进行识别。这大大减少了人的参与， 提高了识别效率。（3）长寿耐用。纸型条码容易破损和受到污染。而RFID电子标签可以应用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境。（4）动态更改。条码信息一旦需要更改就必须重贴， 而RFID电子标签中的信息可以编辑， 便于更新。（5）可扩展性。RFID电子标签存储的是电子数据， 在需要的时候可以改变其中的编码结构， 便于升级。（6）RFID电子标签可以设置密码， 保密性强。虽然EPC/RFID与条码技术相比有巨大的优势， 但是条码技术作为一项十分成熟的技术在物联网中仍然可以起到一定的作用。EPC代码实际上是种编码手段， EPC并没有对其信息载体进行任何限制， 我们现在有飞速发展起来的射频识别技术， 也有成熟的条码技术， EPC码可以储存在RFID芯片中， 同样可以储存在条码中。电子标签广泛采用后的隐私间题和环保问题一直有争论。而EPC在某些产品上采用条码技术，可以有效的解决目前普遍关注的射频标签如何避免隐私的问题、磁污染问题和废弃标签中芯片的处理间题。2.1.3 EPC/RFID技术应用 我们现在来分析三个RFID的应用案例，这三个案例分别来源于沃尔玛公司、医疗服务领域和国防领域。 1.沃尔玛公司的RFID应用。在众多己经实施了RFID的公司当中，最受媒体关注的非沃尔玛公司莫属了。这个零售业中的巨人因为有效的供应链管理获取了这个微利行业当中最大的成功。它时刻在全球进行成千上万种商品的采购，沃尔玛在RFID应用上的努力，使得被人冷落己久的RFID技术又回到了聚光灯下，并且成为了供应链IT技术当中的主角。有预测说：沃尔玛全部推行RFID之后，其每年节省的成本将高达83.5亿美元，这个数字比世界500强当中半数以上的公司的年收入还要高。尽管这个数字是板上钉钉的，沃尔玛推行RFID的进程仍然相当的缓慢。2003年7月4日，沃尔玛宣布它将要要求它的前100名供货商在2005年1月份之前在所有的货箱和货盘上面贴上RFID标签。这一举动直接影响到了它的全部供货商，这些供货商都迅速地开始学习RFID以及如何推行RFID的相关知识。沃尔玛和它的供货商在RFID的实施过程当中，很快就发现了很多挑战性问题。比如它们用来作为标准的UHF频率不能穿透很多商店当中销售的常见产品(金属包装的液体产品等)。这迫使沃尔玛把实施的最后日期往后推了。截至2007年1月份，前100名的供货商只有60%把它们的产品贴上了RFID标签。不过，沃尔玛仍然是第一家在整个供应链当中推行RFID技术，并且强迫它的供货商也推行的大型零售企业。沃尔玛的这种举动，使得RFID在业界的推行更加有效 。 2.台湾医疗的RFID应用。台湾对RFID的推行从2003年开始，2004年成为全面启动的一年。台湾的“经济部”提出的关于信息技术2008年之前的规划中把RFID的推行也作为一个重点。他们主要在岛内医院的以下几个方面应用RFID技术应用RFID到台湾医疗产业当中，我们总结取得了以下效益： (1)在取药过程当中，透过即时的警告，提高药品取药和用药的正确性。 (2)增加原有的鉴定技术所涵盖的信息，现在可以包含药品剂量/剂型、血袋血型/温度、急救医疗病人位置/急救类型、住院病人的身份确认等。 (3)提高在药品、血液、大量病人身份辨识的准确性，住院病人需要急救时即时通报照护人员，强化病人的安全。 (4)减少了护士的工作负担、透过血液调拨有效利用珍贵资源、增加急救医疗调度的时效性、对住院病人的护理品质。 (5)提高管制药品、血袋流向、急救医疗资源的透明度，管制药品运送授权和实体验证，降低了使用假冒药品的可能。 3.美国海军基地的RFID应用。2004年5月份，美国海军结束了它们在给舰船集装箱装载补给中应用被动RFID系统的试运行。这个试运行计划是在维吉尼亚州，诺福克的舰队和工业补给中心进行的，最初的目标是降低装载补给时，因为手工输入或者名义上的自动输入中产生的错误记录。在这次试运行当中，舰队和工业补给中心使用了被动标签技术，在装载过程中让叉车搬运贴上了被动标签的补给物品通过一个装有特定阅读器的入口，来自动获得补给货物的记录。舰队和工业补给中心在这个项目上总共花费了306000美元，或者可以说93美分每批货物。在最后的实施阶段，RFID使得货物的检查程序速度大大提高。尽管试运行的目标不包括得到最优的投资收益，但是最后的报告显示“有多达12名人员可以被安排到其它的任务上”，因为对RFID系统的监控不需要和以前一样多的人手。在试运行过程当中，舰队工业补给中心在应用RFID系统方面收获了很多有价值的经验。2.2 解析M2MM2M是物联网四大支撑技术之一。“M2M”是“Machine-to-Machine”的缩写，用来表示机器对机器之间的连接与通信。比如，机器间的自动数据交换（这里的机器也指虚拟的机器比如应用软件）从它的功能和潜在用途角度看，M2M引起了整个“物联网”的产生。 2.2.1 M2M的基本概念首先，M2M有以下三个基本特征：1数据和节点（DEP）2通信网络 3数据融合点（DIP）。DEP和DIP可以用于任何子系统集成。例如，一个完整的过程（X）到一个IT应用（Y）。这个解决方案也被称为“端对端的M2M”。（X）和应用（Y）构成了事实上的功能端点。一般而言，一个数据端点（DEP）指的是一个微型计算机系统，一个连接到程序或者是更高层次子系统的端点。另一个端点连接到通信网络。在大多数的MSM 应用中，都有几个DEP。另一方面，一个典型的M2M应用只有一个数据结合点。虽说是这样，但是可以设想M2M应用有多个DIP。对于DIP没有硬性的规定。例如可以形成一个互联网服务器或特殊的软件应用在交通控制主机。M2M应用的信息流也未必是面向服务器的。相反，DIP和DIP之间的直接通信路线是被支持的，还有单个DEP之间直接和间接的联系，就像我们所熟知的P2P（Peer-to-Peer）联系一样。如上所述，M2M应用的通信网络是DEP（数据终点）和DIP（数据集成电）之间的中央连接部分。就物理部分来说，这种网络的建立可以使用局域网、无线网络、电话网络/ISDN，或者是类似的。2.2.2 基于M2M的监控基础架构如今，无数的应用程序使用复杂的网络设备，其中大多数系统履行每天24小时、每周7天、没有任何人监督的服务。个别子系统故障，整个应用程序至少是一部分将受到损害。然而，尽快检测出具体的故障仍是一个问题。图3 基于M2M的监控基础架构图3显示了一个基于M2M的基础设施监测的解决方案。该数据终点（DEP）在每一种情况下都通过特殊的监测传感器检查基础设施组成部分的可用性。任何潜在的故障都能通过DEP被迅速监测。单独的DEP通过通信网络和监控应用软件相连接。这个应用软件用于数据集成点（DIP）。它从单独的监控基础设施的 DEP接收失败、错误和故障信息（图的X、Y和Z）。除了与DEP连接之外，DIP监控软件还有另外两个接口：配置接口和通知接口。配置接口是决定谁、什么时候对系统负责。这通常使得可能设想不同的通知方案。该接口对监控行为进行明确界定。通知接口发送各种消息（SMS、电子邮件、自动发送传真，或者拨打某个电话号码和播放音频文件）。基于GSM、GPRS、EDGE和UMTS的M2M概念在进一步发展和节省开销方面都潜力巨大。但是目前大多数对象还不能彼此沟通。缺乏标准化的接口和数据端点与数据结合点间的数据格式仍然是一个问题2.3 无线传感器网技术自人类踏入信息时代，自然界的信息通过传感器源源而来。而随着技术的发展，人们已不满足于原有单一的、独立的传感器系统。很多时候，我们需要将来自不同区域的信息联合汇总，从而实现对现场状况的综合判断。 随着无线传感器网络(Wireless Sensor Network)技术的发展，这些瓶颈被一一化解。在无线传感器网络中，每一个节点都能够独立采集，并将数据汇总。根据应用规模的不同，节点的数目可以达到上万，监测超过几十平方公里范围内的各类信号。2.3.1 无线传感器网络技术概述无线传感器网络是一种由独立分布的节点以及网关构成的传感器网络。安放在不同地点的传感器节点不断采集着外界的物理信息，如温度、声音、震动等。相互独立的节点之间通过无线网络进行通信。无线传感器网络的每个节点都能够实现采集，数据的简单处理，还能接收来自其他节点的数据，并最终将数据发送到网关。工程师可以从网关获取数据，查看历史数据记录或进行分析。通常，一个典型的无线传感器网络节点的硬件结构包括：传感器接口、ADC、微处理器、电源以及无线收发装置。 无线传感器网络诞生于上世纪70年代，最早被应用于美国军方资助项目。经过近30年的发展，无线传感器网络的应用逐渐转向民用，在森林、河流的环境监测中、在建筑环境的智能化应用中，以及一些无法放置有线传感器的工业环境中都已经出现了它的身影。在1999年和2003年，美国商业周刊和MIT技术评论杂志相继将其评价为21世纪最具影响力的20项技术以及改变世界的10大新技术。作为一种针对应用而开发的技术，在项目中选择无线传感器网络必须考虑到实用性。构建一个典型的无线传感器网络，必须要考虑以下四个重要的因素：网络选择，拓扑结构，功耗以及兼容性。2.3.2 无线网络的选择 无线技术是无线传感器网络中最关键的一个部分。在无线传感器网络的典型应用中，通常采集节点被放置在相距较远的位置，甚至有时处于室外的采集节点无法连接到电网，所以在挑选无线网络时，带宽、传输距离以及功耗是三个主要考虑因素。 在无线传感器网络技术诞生之初，已有的无线协议很难满足低功耗，低花费，高容错性的要求。此时ZigBee技术应运而生。发展近10年来，ZigBee已被证明是最适合用于无线传感器网络的无线技术：它拥有250kbps的带宽，传输距离可达1km以上。并且功耗更小，采用普通AA电池就能够支持设备在高达数年的时间内连续工作。2.3.3 网络协议无线传感器网络一般是由在空间分布的和独立的网络节点组成的。节点包含有传感器来监控节点的物理或环境条件，如温度、声音、震动、压力、运动或污染物等。每个节点通常带有无线电收发器或其他无线设备通信设备以通过网络把传感数据传输给数据库和其他用户。这样，无线传感器网络可以用于数据收集(DataCollection)、目标跟踪(Objecttracking)以及报警监控(Alarmmonitoring)等。过去几年来，国内外无线传感器网络技术的发展和应用取得了很大的进展。在家庭自动化、工业自动化、楼宇控制、智能计量和电源管理市场等市场尤为显著。同时，无线传感器网络的标准制订工作进展迅速，大大减少了智能传感器和无线传感器网络的复杂性。例如，国际电机及电子学工程师联合会(IEEE)的1451工作组(IEEE1451)建立了一个智能传感器即插即用(plug-and-play)的标准，使所有符合标准的传感器能和其他仪器和系统一起工作。这一系列标准被称为IEEE1451的智能传感器(包括传感器和驱动器)接口标准，包括界定不同接口的不同标准用来连接传感器和微处理器、仪表系统以及控制异地网络。在这些标准中，IEEE1451.5部分是目前很多研发活动的集中点。IEEE1451.5部分规定了能使与1451兼容的传感器和其他设备进行无线通讯的技术。 IEEE目前也正在制定无线个人区域网路(即WPAN)的两个标准IEEE802.11和IEEE802.15。其中，IEEE802.15.4标准正逐渐被接受成为低速率无线个人区域网络(LR-WPANs)物理层和媒体访问控制的标准。另外，无线传感器网领域还有两个基于IEEE 802.15.4的工业标准：ZigBee和WirelessHART。ZigBee是一种作为一个开放的全球标准而制定的无线技术，是为解决低成本、低功耗无线传感器网络的特殊需求开发的。该标准充分利用IEEE 802.15.4的无线收发器物理层规范，并采用在全球均可经营而无需特殊许可的频率范围：2.4002.484千兆赫，902928 兆赫和868.0868.6兆赫;WirelessHART是另一个由HART通信基金会开发的开放标准的无线网络技术。该协议采用了时间同步、自我组织和自我修复的网状网络结构。该协议目前支持通过使用IEEE 802.15.4标准的无线电媒体并在2.4GHz ISM波段操作。此外，其他行业标准和专有系统也可能作为用于实施无线传感器网络技术的选择。例如，EnOcean是在楼宇自动化领域广泛使用的无线通信系统，也被认为是可能用在无线传感器网络的一种技术，但它并没有经任何公认的标准化机构进行标准化。而Z-Wave是为家庭自动化设计的无线通讯专有标准，特别针对在家用和轻型商用环境中的遥控应用。该技术采用低功耗无线收发器嵌入或装到家庭电子设备和系统中，例如照明系统、家庭访问控制系统、娱乐系统和家用电器。这项技术已被Z-Wave联盟标准化。Z-Wave联盟是一个国际生产厂商之间的联盟，负责协调Z-Wave产品和设备的兼容性。同时，一些现有的标准也正在被修改以适应无线传感器网络技术。例如，基于IEEE802.11标准的无线局域网(WLAN)标准、称作WiFi标准、被加入了一种支持低功耗的版本所谓的低功率WiFi，以用于实现无线传感器网络技术。美国专利局的数据显示，在无线传感网技术方面，美国拥有最多的已授权的专利，日本其次，加拿大、韩国和法国随后。同时，美国也拥有最多的已公开的专利申请，韩国其次，日本、瑞典和台湾随后。美国颁布的专利总数依然逐年增加，2009年颁布的专利是2005年的两倍以上，这表明无线传感器网络技术的研发活动在近几年十分强劲。2.3.4 网络拓扑 对于节点数目动辄超过数十个的无线传感器网络而言，选择合适的网络结构不仅能够拓展网络的传输距离还能够保证信号传输的稳定性。星形是最简单的网络拓扑结构，每一个节点都拥有一条直接通向网关的通道，然而其传输距离有限。采用树形拓扑能够解决这个问题，添加路由节点后，远处的节点上的数据能够通过路由节点传输到网关。然而树形拓扑仍然存在可靠性的问题，一旦路由节点产生问题，所有由这个节点通向网关的通路将被切断。所以，对于可靠性要求很高的无线网络，建议选择网状拓扑(mesh topology)结构。 2.3.5 系统功耗无线传感器网络通常被放置在室外，无法进行长距离的布线，这就牵涉到两个问题，一是信号的传输，二是设备的供电。信号传输问题可以通过选择无线网络解决；而针对设备供电问题，则必须考虑外部电源，例如电池或小型发电设备。由于电池所能供应的电量有限，为了满足设备长时间使用的要求，必须严格控制无线传感器网络节点的能耗。在无线传感器网络节点的硬件结构中，无线收发器以及微处理器是耗能大户。所以用户一方面应选用ZigBee技术保证无线收发器的低功耗，同时，在保证处理器性能的前提下，还应选择带有休眠功能并且工作能耗尽可能低的处理器。NI 选用了TI MSP430 MCU作为无线传感器网络节点的处理器。它的工作能耗为8mW，而休眠期间能耗仅为0.2 W，仅相当于一块普通ADC芯片的休眠功率。采用AA电池供电，就能够保证它持续工作三年之久，即使安放在人迹罕至的区域，仍然能够保证长时间坚守岗位。 2.3.6 兼容性 最后，我们还需要考虑的是系统的兼容性。无线传感器网络能够帮助工程师完成远程数据的采集，然而我们还需要考虑到数据的分析、显示以及通过互联网发布等功能。例如，将无线传感器网络连接到远程服务器，以实现对持续采集获得的海量数据的记录和分析；连接到HMI(人机交互界面)，以实现历史数据和实时数据的显示；此外，在一些工业应用中，更有可能将无线传感器网络连接到多样的工业现场设备，进行协同工作。在这些情况下，无线传感器网络必须具备良好的兼容性，实现与各种现场设备的快速连接。常见的无线传感器网络采用的是TinyOS或者MANTIS等特殊操作系统，需要采用nesC (network embedded systems C)开发方式，系统开发工程师必须学习一种新的开发方式，才能在现有的系统中添加无线传感器网络。为了帮助工程师减少开发时间，NI采用了统一的开发平台LabVIEW实现对于无线传感器网络，远程数据库以及人机交互界面的开发。在LabVIEW平台下，工程师不仅能够实现对于无线传感器网络的远程配置，并在节点上实现算法；同时，还能够支持所有的NI工业平台，例如：自动化控制器CompactRIO，人机交互界面(HMI)。此外，LabVIEW也支持通过OPC或者各种工业总线连接到第三方设备。为了满足日益增加的数据共享的需求，LabVIEW还支持数据的网络发布功能，利用Web Service，我们可以将数据快速发布到互联网络，来自全球各地的工程师都能够快速访问到网络数据库中的数据。工程师无需针对不同的设备和不同的技术一一学习开发方式，在一个统一的平台下就能够完成一个完整的远程监控系统。 作为一种新兴技术，无线传感器网络拥有广泛的发展空间。利用无线网络能够实现灵活、可靠、安全的数据采集。相信随着技术的进一步完善，无线传感器网络必将被使用在生活工作的各个方面，实现人与自然的无缝沟通。 2.4 两化融合问题两化融合是信息化和工业化的高层次的深度结合，是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路；两化融合的核心就是信息化支撑，追求可持续发展模式。在中国共产党第十六次全国代表大会上，江泽民主席率先提出了“以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”的新型工业化道路的指导思想；经过5年的发展和完善，在中国共产党第十七次全国代表大会上胡锦涛主席继续完善了“发展现代产业体系，大力推进信息化与工业化融合”的新科学发展的观念，两化融合的概念就此形成。经过长期发展和完善，特别是经过党的十六大和十七大会，两化融合的理论逐渐成熟；在科学发展观的指导下，两化融合不断深入。 工信部确立了“系统推进、多维推进、关键突破”的总体思路，即宏观、中观、微观线（行业）、面（地域）、点（企业）的三级推进思路。 在“2010”开放群组中国年会上，国家信息化专家咨询委员会委员兼中国互联网协会常务副理事长高新民表示，“两化”效果评价体系取得重大进展，通过对7个行业的效果评价，证明两化确实能提升企业竞争力。高新民表示两化融合总体目标就是建立现代产业体系，不是为信息化而信息化；高新民专家还对如何推进两化融合做了重要解释：推进两化融合要从三个层次，行业层、区域层、企业层三个方面考虑：行业层次非常重要，涉及行业产业群、供应链、标准规范和服务。区域层涉及基础设施，不仅仅是网络和信息化的基础设施，也包括工业化的基础设施。另外，支撑市场的一体化服务平台化也要做很多工作。 在企业这个层次，有三个目标，第一个目标是企业提升自己的创新能力，不仅是开发新产品，而是通过两化融合在技术上、商业模式上、资源利用上、扩展企业影响力上建立起创新的体系，这种能力是要建立在信息化的基础上的。第二是提升效率，降低成本。第三是可持续、低碳化、绿色化。 根据上述理念，融合最关键的问题要有好的方法论，用方法论来指导融合的过程，可以保证持续不断。就是说一定要建立一个体系架构，它不是一朝一夕的，而是循环不断的，成为企业发展的常态。作为中国工业化的脊梁，装备制造企业大多还处在从传统工业化向现代产业化转型的历史阶段，产业升级不仅表现在设备、工艺技术的提升，更体现在以“两化融合”为核心自主创新能力大幅度提升。 2.4.1 中国装备制造业的升级之路一定要走“两化融合”之路 然而，当前中国装备制造业的总体环境是工业化与信息化分属两大专业领域，谈到管理信息化，众多的软件公司还处在靠买软件光盘、卖lincen的状态，软件作为工具不可能自觉完成“两化融合”，而单靠企业方来实现，难度和风险巨大，结果导致单一的咨询与单一的软件实施出现工业化与信息化“两张皮”的问题。当企业为信息化而信息化时，先进的信息技术无法转化为中国先进制造的自主创新动力，必须探索出真正实现“两化融合”的新模式。 十多年前，当信息技术刚刚进入中国，易观国际，汉普咨询、延展咨询等一批本土现代咨询服务企业就定位于“管理+IT”，从软件实施一体化开始，逐步形成“咨询实施一体化”的服务模式，这种与企业一起完成管理与信息整合的深度服务模式，不仅仅成为“两化融合”的新模式，也成为软件企业向服务转型的新方向。2008年以来，用友、金蝶等中国流软件厂商提出的行业化服务、客户经营、深度服务、成为中国企业的管理专家等思路，就是 在进行“咨询实施一体化”模式的探索。 咨询实施一体化，是指咨询公司不仅仅为客户提供纯管理上的咨询服务或者纯软件系统的IT服务，而是进