物联网技术调查报告

1、物联网技术调查报告指导教师：.作者学号：.完成时间：2012年3月20日.摘要：物联网 Internet of Things 的概念是由麻省理工学院 Auto-ID 研究中心于 1999 年提出的，其最初的含义是指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。IBM 于 2009 年 1 月提出了“智慧地球”构想，物联网为其中不可或缺的一部分。而奥巴马对“智慧地球”的构想做出了积极回应，并将其提升为国家层级的发展战略，从而引起全球广泛关注。物联网被看作是推动信息领域的一次重大发展和变革机遇。世界先进国家都对物联网技术发展高度重视，可以说物联网的广泛应用将是继计算机

2、互联网与移动通信网之后的又一次信息革命。目前，关于物联网的研究与应用还处于初始阶段，有关物联网的定义还没有一个统一的标准，物联网的一些关键技术问题也没有得到有效解决，更莫达成一个共识。国也有不少专家和学者对物联网进行了研究。关键字：BigTable数据管理技术，虚拟计算，编程模式，基础设施即服务（IaaS），平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS），远程网络访问目录1. 当前应用情况21.1 电子车牌21.2 智能电网21.3 智能医疗21.4 环境保护22. 技术组成22.1信息采集技术22.2 近程通讯技术22. 3 信息远程传输技术22.4 海量信息智能分析与控制技术23. 核心技

3、术分析23.1 感知层23.1.1 传感器技术23.1.2 射频识别（RFID）技术23.1.3 微机电系统（MEMS）23.1.4 GPS技术23.2 信息汇聚层23.2.1 无线传感器网络（WSN）技术23.2.2 Wi-Fi23.3.3 GPRS23.3 传输层23.3.1通信网23.3.2 3G网络23.3.3 GPRS网络23.3.4 广电网络23.3.5 NGB广域网络23.4 运营层23.4.1 企业资源计划（ERP）23.4.2 专家系统（Exper System)23.4.3 云计算23.5应用层24. 当前遇到的问题24.1 在射频识别系统中的问题24.2 阻抗问题24.3

4、 辐射问题24.4距离问题25. 未来发展趋势26. 参考文献与资料251. 当前应用情况近来，物联网已成为生活中炙手可热的名词，物联网技术的应用已成为推动信息化发展和产业变革的重要力量。目前，国外对物联网的研发、应用主要集中在美、欧、日、等少数国家。其最初的研发方向主要是条形码 RFID 等技术在商业零售，物流领域应用，而随着 RFID 传感器技术，近程通信以与计算技术等的发展近年来其研发应用开始拓展到环境监测，生物，医疗智能基础设施等领域。就目前而言，物联网的许多相关技术仍在开发测试阶段，离不同系统之间融合，物与物之间的普遍的远期目标还存在一定差距。目前，物联网的应用主要有智能交通中的电子

5、车牌与电子不停车收费系统 ETC 智能电网，智能医疗的医疗监护，智慧城市环境保护等方面。1.1 电子车牌电子车牌作为物联网在智能交通中的应用，它是一种新兴无线射频自动识别技术。具有高速识别，防拆，防磁，加密，储存等特点。公安交通管理部门应用该技术，能精确全面地获取交通信息，规车辆使用和驾驶行为抑制车辆乱占道，乱变道，超速等违规行为，并能有效打击肇事逃逸，克隆涉案等车辆1.2 智能电网智能电网在发电环节上对常规机组，水库，新能源风电机组等布置传感监测点，在输电环节上堆雷电线路气象环境，线路覆冰，线路在线增容，导地线微风振动，导线温度与弧垂，输电线路风偏，输电线路图像与视频，杆塔倾斜在线监测与预警

6、等方面充分利用传感技术，配电环节上对配电设备状态监测，配电网现场作业管理以与智能巡检也充分利用各类传感和识别技术。1.3 智能医疗在智能医疗的医疗监护应用中医疗监护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，达到实时监测智能分析，自动预警。在智慧城市的平安城市建设应用中，利用部署在大街小巷的全球眼监控探头。实现图像敏感性智能分析并与 110 119 112 等交互，实现探头与探头之间，探头与人探头与报警系统之间的联动，从而构建和谐安全的城市生活环境。1.4 环境保护环境保护应用中，使用无线传感技术应用于

7、生态环境监测，生物种群研究，气象和地理研究；洪水，火灾检测，如跟踪珍稀鸟类，动物和昆虫栖息分区域监测水位与相关水资源与污染信息，铺设大量节点随时监控林区部火险情况，生活环境-水质大气，电磁辐射，噪声，降水，土壤，地质灾害检测等。2. 技术组成通过对物联网的实质分析，发现物联网的真正实现需要信息采集技术、近程通讯技术、信息远程传输技术、海量信息智能分析与控制技术等相互配合和完善。2.1信息采集技术信息采集是物联网的基础，目前的信息采集主要采用传感器和电子标签等方式完成，传感器用来感知采集点的环境参数，如温度、震动等，电子标签用于对采集点的信息进行“标准化”标识。目前市面上已经有大量门类齐全且技术

8、成熟的传感器，如图1。图1 各类传感器组件2.2 近程通讯技术近程通讯是新兴的短距离连接技术，从很多无接触式的认证和互联技术演化而来，RFID和蓝牙技术是其中的重要代表。目前常用的RFID近程通讯如图2所示。 RFID与人们常见的条形码相比有比较明显的优势，主要如下：2. 3 信息远程传输技术在物联网的机器到机器、人到机器和机器到人的信息远程传输中，有多种技术可供选择，目前主要有有线（如DSL、PON等）、无线（如CDMA 、GPRS、IEEE802.11a/b/g WLAN等）。2.4 海量信息智能分析与控制技术依托先进的软件技术，对各种物联网信息进行海量存储与快速处理，并将处理结果实时反馈

9、给物联网的各种“控制”部件。目前兴起的云计算就是满足物联网海量信息处理需求的计算模型。综合上述可以看出，物联网是一个从互联网、近程通讯网演进而来，图3描述了物联网与现存的其他网络之间的关系。3. 核心技术分析3.1 感知层3.1.1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技术。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”。微型无线传感技术以与以此组件的传感网是物联网感知层的重要技术手段。物联网传感器在农业方面的应用从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装

10、置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类，基于化学反应的原理。生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。3.1.2射频识别（RFID）技术射频识别（Radio Frequency Identification，简称RFID）是通过无线

11、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，RFID已经在、电子收费系统和物流管理等领域有了广泛应用。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

12、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，多用来进行物品的甄

13、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。3.1.3微机电系统（MEMS）微机电系统是从微机械（Micro Machinery）发展而来，原指利用光刻技术制造微米或纳米尺度的零件、部件或简单机构的系统。随着技术的发展，研究对象已不再是简单的零件和简单结构，而是集光机电于一体，可以驱动，完成一定功能的复杂系统，与之相关的制造、检测、控制等技术则称为微系统技术（MST）。纳米技术是实现微机械系统的重要技术基础。就目前而言，MEMS一般是指是指由微机械加工方法加工的微传感器和微执行器，与微电子信号处理和控制电路有机结合而成的自动化和智能化的微系统。一般是指

14、外形轮廓尺寸在毫米量级以下，构成的元件尺寸在微米纳米量级（10-610-9 m）的可控制、可运动的微型机电装置。当前的尺寸为1m1mm，未来也可能达到nm 级。它将微型传感器、微型执行器、信号处理电路、自动控制电路、计算机接口电路、远距离通信系统和电源集为一体，构成一个完整的系统。其中微传感器获取信息，信号处理与控制电路处理信息并作出决策，微执行器则实现机械动作。对这一新兴领域，各国学者使用不同的术语来表述。日本称之为微机械（Micro machine），欧洲叫作微系统（Micro systems ），美国称之为微电子机械系统（Micro electro mechanical3.1.4 GPS

15、技术GPS技术又称为全球定位系统，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、智能交通的重要技术。GPS定位系统原理：由 24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未

16、知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度、高程，再根据经纬度计算精确时间等信息。三连星GPS定位系统采用的是谷歌在线地图，以建筑物为参照物，找车更快、更准。3.2 信息汇聚层3.2.1无线传感器网络（WSN）技术无线传感器网络（Wireless Sensor Network,简称WSN)的基本功能是将一系列空间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，以实现对空间分散围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。无线传感网络结构由传感器节点，汇聚节点，现场数据收集处理决策

17、部分与分散用户接收装置组成，节点间能够通过自组织方式构成网络。传感器节点获得的数据沿着相邻节点逐跳进行传输，在传输过程中所得的数据可被多个节点处理，经多跳路由到协调节点，最后通过互联网或无线传输方式到达管理节点，用户可以对传感器网络进行决策管理、发出命令以与获得信息。WSN技术贯穿物联网的三个层面，是结合了计算、通信、传感器三项技术的一门新兴技术，具有较大围、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。3.2.2 Wi-FiWi-Fi（Wireless Fidelity,无线保真技术）是一种基于接入点（Access Point)的无线网络结构，目前

18、已有一定规模的布设，在部分应用中与传感器相结合。Wi-Fi技术属于物联网的信息汇总层技术。它遵循IEEE所制定的 802.11x系列标准，所以一般所谓的802.11x系列标准都属于Wi-Fi。根据802.11x标准的不同，Wi-Fi的工作频段也有2.4G/HZ和5G/HZ的差别。但是Wi-Fi却能够实现随时随地上网需求，也能提供较高速的宽带接入。Wi-Fi所遵循的802.11标准是以前军方所使用的无线电通信技术。而且，至今还是美军军方通信器材对抗电子干扰的重要通信技术。因为，Wi-Fi中所采用的SS（SpreadSpectrum，展频）技术具有非常优良的抗干扰能力，并且当需要反跟踪、反窃听是同

19、时具有很出色的效果，所以不需要担心Wi-Fi技术不能提供稳定的网络服务。而常用的展频技术有如下4种：DD-SS直序展频，FH-SS调频展频，TH-SS跳时展频，C-SS连续波调频。在上面常用的技术中，前两种展频技术很常见，也就是DS-SS和FH-SS。后两种则是根据前面的技术加以变化，也就是TH-SS和C-SS通常不会单独使用，而且整合到其他的展频技术上，组成信号更隐密、功率更低、传输更为精确的混合展频技术。综合来看展频技术有以下方面的优势：反窃听，抗干扰，有限度的。当然，Wi-Fi技术也存在着诸如兼容性，安全性等方面的问题，不过它也凭借着自身的优势，占据着主流无线传输的地位。3.3.3 GP

20、RSGPRS（General Packet Radio Service,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，在物联网领域也有部分应用。GPRS技术属于物联网的信息汇总层技术。3.3 传输层3.3.1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任意两个终端用户相互接续，

21、才能组成通信网。3.3.2 3G网络3G是英文the 3rd Generation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，第三代手机（3G）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。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、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆字节每秒）、384kbps（千字节每秒）以与144kbps的传输速度。国际电信联盟（ITU）在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件2000年国际移动通

22、讯计划（简称IMT2000）。WCDMA ：即WidebandCDMA，也称为CDMADirectSpread，意为宽频分码多重存取，其支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以与日本的NTT、富士通、夏普等厂商。这套系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡，而GSM系统相当普与的亚洲对这套新技术的接受度预料会相当高。因此WCDMA具有先天的市场优势。CDMA2000 ：CDMA2000也称为CDMAMultiCarrier，由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent和后来加入的国

23、三星都有参与，国现在成为该标准的主导者。这套系统是从窄频CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMAOne结构直接升级到3G，建设成本低廉。但目前使用CDMA的地区只有日、和北美，所以CDMA2000的支持者不如WCDMA多。不过CDMA2000的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多3G手机已经率先面世。TDSCDMA ：该标准是由中国大陆独自制定的3G标准，1999年6月29日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向ITU提出。该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性与成本等方面的独特优势。另外，

24、由于中国的庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TDSCDMA标准。3.3.3 GPRS网络这是一种基于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。3.3.4 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与电视服务网络，宽带可通过CableModem连接到计算机，理论到户最高速率

25、38M，实际速度要视网络情况而定。3.3.5 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“高性能带宽信息网”核心技术为支撑，构建适合我国国情的、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。3.4 运营层3.4.1 企业资源计划（ERP）ERP是指建立在信息技术基础上，以系统化的管理思想，为企业决策层与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。3.4.2 专家系统（Exper System)专家系统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

26、领域问题的智能计算机程序系统。属于信息处理层技术。3.4.3 云计算云计算概念间由Google提出的，这是一个美丽的网络应用模式，是指IT基础设施的交付和使用，通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源。3.5应用层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，涉与的就是智能交通技术；电力行业采用的是智能电网技术；物流行业采用的智慧物流技术等。行业的应用还要更多涉与系统集成技术、资源打包技术等。4. 当前遇到的问题4.1 在射频识别系统中的问题在

27、RFID装置中，工作频率增加到微波区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。在选择天线的时候的主要考虑是：天线的类型；天线的阻抗：在应用到物品上的RFID的性能；在有其他的物品围绕贴标签物品时的RFID性能。可能的选择这里有两种使用方式：一）贴标签的物品被放在仓库中，有一个便携装置，可能是手持式，询问所有的物品，并且需要它们给予信息反馈信息。在仓库的门口安装读卡设配，询问并记录进出物品。还有一个主要的选择是有源标签还是无源标签。可选的天线在435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz 频率是用的RFID系统中，可选的天线有几种，见下表，它们重点考虑了天线的尺寸。这样的小天

28、线的增益是有限的，增益的大小取决于辐射模式的类型，全向的天线具有峰值增益0到2 dBi；方向性的天线的增益可以达到6 dBi。增益大小影响天线的作用距离。下表中的前三个种类的天线是线极化的，但是微带面天线可以使圆极化的，对数螺旋天线仅仅是圆极化的。由于RFID标签的方向性是不可控的，所以读卡机必须是圆极化的。一个圆极化的标签天线可以产生3 dB 以强的信号。4.2 阻抗问题为了最大功率传输，天线后的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。几十年来，设计天线与50或70欧姆的阻抗匹配，但是可能设计天线具有其他的特性阻抗。例如，一个缝隙天线可以设计具有几百欧姆的阻抗。一个折叠偶极子的阻抗可以是一做

29、个标准半波偶极子阻抗的20倍。印刷贴片天线的引出点能够提供一个很宽围的阻抗(通常是40到100欧姆)。选择天线的类型，以至于它的阻抗能够和标签芯片的输入阻抗匹配是十分关键的。另一个问题是其他的与天线接近的物体可以降低天线的返回损耗。对于全向天线，例如双偶极子天线，这个影响是显著的。改变双偶极子天线和一听番茄酱的间距做了一些实际测量，显示了一些变化。其他的物体也有相似的影响。此外是物体的介电常数，而不是金属，改变了谐振频率。一塑料瓶子水降低了最小返回损耗频率16%。当物体与天线的距离小于62.5mm的时候，返回损耗将导致一个3.0dB的插入损耗，而天线的自由空间插入损耗才0.2dB。可以设计天线

30、使它与接近物体的情况相匹配，但是天线的行为对于不同的物体和不同的物体距离而不同。对于全向天线是不可行的，所以设计方向性强的天线，它们不受这个问题的影响。4.3 辐射问题在一个无反射的环境中测试了天线的模式，包括了各种需要贴标签的物体，在使用全向天线的时候性能严重下降。圆柱金属听引起的性能下降是最严重的，在它与天线距离50mm的时候，反回的信号下降大于20 dB。天线与物体的中心距离分开到100150mm的时候，反回信号下降约10 到12 dB。在与天线距离100mm的时候，测量了几瓶水（塑料和玻璃），反回信号降低大于10 dB。在蜡纸盒的液体，甚至苹果上做试验得到了类似的结果。局部结构的影响在

31、使用手持的仪器的时候，大量的其他临近物体的使读卡机天线和标签天线的辐射模式严重失真。这可以对于2.45 GHz的工作频率计算，假设一个代表性的几何形状，和自由空间相比，显示返回信号降低了10dB，在双天线同时使用的时候，比预料的模式下降的更多。在仓库的使用环境下，一个物品盒子具有一个标签会有问题，几个标签贴在一个盒子上以确保所有时候都有一个标签是可以看见的。便携系统的使用有几个天线的问题。每个盒子两个天线足够适合门禁装置探测，这样局部结构的影响变得不再重要，因为门禁装置的读卡机天线被固定在仓库的出入，并且直接指向贴标签的物体。4.4距离问题距离：RFID天线的增益和是否使用有源的标签芯片将影响系统的使用距离。乐观的考虑，在电磁场的辐射强度符合UK的相关标准时，2.45GHz的无源情况下，全波整流，驱动电压不大于3伏，优化的RFID天线阻抗环境(阻抗200或300欧姆)，使用距离大约是1米3。如果使用WHO限制4则更适合于全球围的使用，但是作用距离下降了一半。这些限制了读卡机到标签的电磁场功率。作用距离随着频率升高而下降。如果使用有源芯片作用距离可以达到5到10米。当RFID的发射频道达到高频或是超高频时，也就是通过卫星传送信号，这就实现了GPS的定位方案。这样传送的距离那是不可估量的。5. 未来发展趋势在物联网的发展过程中，一开始会是条形码、RFID