CIMS基本知识与支撑技术-物联网ppt课件

1、专题一：CIMS根本知识与支撑技术(下)朱海平机械学院制造配备数字化国家工程中心/工业工程系现代集成制造系统.物联网技术物联网概述RFID无线传感器网络.物联网的来源与开展1995年比尔盖茨在一书中就曾经提及类似于物品互联的想法，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的开展，并未引起注重。.物联网的来源与开展1999年，美国麻省理工大学Auto-ID研讨中心的创建者之一的Kevin Ashton教授在他的一个报告中初次运用了“Internet of Things这个短语Auto-ID中心的目的就是在Internet的根底上建造一个网络，实现计算机与物品object

2、s之间的互联，这里的物品包括各种各样的硬件设备、软件、协议等等。.物联网的来源与开展1999年至2003年，物联网方面的任务局限于实验室中，这一时期的主要任务集中在物品身份的自动识别，如何减少识别错误和提高识别效率是关注的重点。2003年，“EPC决策研讨会在芝加哥召开。作为物联网方面第一个国际会议，该研讨会得到了全球90多个公司的大力支持。从此，物联网相关任务开场走出实验室。EPC: Electronic Product Code (产品电子代码).物联网的来源与开展经过工业界与学术界的共同努力，2005年物联网终于大放异彩。这一年，国际电信联盟ITU发布了题为的报告，物联网概念开场正式出如

3、今官方文件中。.物联网的来源与开展从此以后，物联网获得跨越式的开展，美国、中国、日本以及欧洲一些国家纷纷将开展物联网根底设备列为国家战略开展方案的重要内容。在美国，IBM提出了“智慧地球的想象，其中物联网是不可短少的一部分，2021年1月，美国将其提升到国家战略。.物联网的来源与开展在欧洲，2021年6月，欧盟在比利时首都布鲁塞尔向欧洲议会、欧洲理事会、欧洲经济与社会委员会和地域委员会提交了以为题的公告，其目的是希望欧洲经过构建新型物联网管理框架来引领世界物联网开展。 .物联网的来源与开展欧盟委员会提出物联网的三方面特性：第一，不能简单的将物联网看做互联网的延伸，物联网建立在特有根底设备上，将

4、是一系列新的独立系统，当然，部分根底设备仍要依存于现有的互联网。第二，物联网将伴随新的业务共同开展；第三，物联网包括了多种不同的通讯方式，物与人通讯，物与物通讯，其中特别强调了包括机对机通讯M2M。.物联网的来源与开展在我国，2021年8月温家宝总理视察无锡中科院物联网技术研发中心时指出并强调，要尽快突破物联网中心技术，把传感技术和TD的开展结合起来以后，我国官方对物联网的多次提议和众多规划表示我国物联网的开展已正式提上议事日程。.物联网概念 物联网的英文称号为“The Internet of Things，由该称号可见，物联网就是“物物相连的互联网从网络构造上看，物联网就是经过Interne

5、t将众多信息传感设备与运用系统衔接起来并在广域网范围内对物品身份进展识别的分布式系统。 .物联网概念物联网的概念是在1999年提出的。当时基于互联网、RFID技术、EPC规范，在计算机互联网的根底上，利用射频识别技术、无线数据通讯技术等，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of things IOT，简称物联网。.物联网定义及组成 1. 物联网定义目前较为公认的物联网的定义是：经过射频识别RFID安装、红外感应器、 全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按商定的协议，把任何物品与互联网相衔接，进展信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络

6、。当每个而不是每种物品可以被独一标识后，利用识别、通讯和计算等技术，在互联网根底上，构建的衔接各种物品的网络，就是人们常说的物联网。.物联网定义及组成 物联网中的“物的涵义要满足以下条件才可以被纳入“物联网的范围： 要有相应信息的接纳器； 要有数据传输通路； 要有一定的存储功能； 要有CPU；.物联网定义及组成 要有操作系统； 要有专门的运用程序； 要有数据发送器； 遵照物联网的通讯协议； 在世界网络中有可被识别的独一编号。.物联网定义及组成 2.物联网的开展与构成物联网的开展跟互联网是分不开的，主要两个层面的意思：物联网的中心和根底依然是互联网，它是在互联网根底上的延伸和扩展;第二，物联网是

7、比互联网更为庞大的网络，其网络衔接延伸到了任何的物品和物品之间，这些物品可以经过各种信息传感设备与互联网络衔接在一同，进展更为复杂的信息交换和通讯。.物联网定义及组成 3 物联网的三大特征 普通以为,物联网具有以下的三大特征: 全面感知利用RFID 、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息。可靠传送经过无线网络与互联网的交融，将物体的信息实时准确地传送给用户。.物联网定义及组成 智能处置利用云计算、数据发掘以及模糊识别等人工智能技术，对海量的数据和信息进展分析和处置，对物体实施智能化的控制。物联网概念模型 .物联网技术概论物联网是典型的交叉学科，它所涉及的中心技术包括IPv6技术、云计算技术、

8、传感技术、RFID智能识别技术、无线通讯技术等。因此，从技术角度讲，物联网专业主要涉及的专业有：计算机科学与工程、电子与电气工程、电子信息与通讯、自动控制、遥感与遥测、精细仪器、电子商务等等。.物联网技术概论物联网3层构造感知层 智能嵌入式 标识、感知 协同、互动网络层 交融接入 信息存储运用层 数据发掘 决策.物联网技术概论物联网的技术体系框架 .物联网技术体系 1. 感知、网络通讯和运用关键技术 传感和识别技术是物联网感知物理世界获取信息和实现物体控制的首要环节。传感器将物理世界中的物理量、化学量、生物量转化成可供处置的数字信号。识别技术实现对物联网中物体标识和位臵信息的获取。.物联网技术

9、体系 网络通讯技术主要实现物联网数据信息和控制信息的双向传送、路由和控制.重点包括低速近间隔无线通讯技术、低功耗路由、自组织通讯、无线接入M2M 通讯加强、IP 承载技术、网络传送技术、异构网络交融接入技术以及认知无线电技术。.物联网技术体系 海量信息智能处置综合运用高性能计算、人工智能、数据库和模糊计算等技术，对搜集的感知数据进展通用途置，重点涉及数据存储、并行计算、数据发掘、平台效力、信息呈现等。.物联网技术体系 面向效力的体系架构Service-oriented Architecture ，SOA是一种松耦合的软件组件技术，它将运用程序的不同功能模块化，并经过规范化的接口和调用方式联络起

10、来，实现快速可重用的系统开发和部署。SOA 可提高物联网架构的扩展性，提升运用开发效率，充分整合和复用信息资源。.物联网技术体系 2. 支撑技术 物联网支撑技术包括嵌入式系统、微机电系统Micro ElectroMechanical Systems，MEMS、软件和算法、电源和储能、新资料技术等。 微机电系统可实现对传感器、执行器、处置器、通讯模块、电源系统等的高度集成，是支撑传感器节点微型化、智能化的重要技术。.物联网技术体系 嵌入式系统是满足物联网对设备功能、可靠性、本钱、体积、功耗等的综合要求，可以按照不同运用定制裁剪的嵌入式计算机技术，是实现物体智能的重要根底。软件和算法是实现物联网功

11、能、决议物联网行为的主要技术，重点包括各种物联网计算系统的感知信息处置、交互与优化软件与算法、物联网计算系统体系构造与软件平台研发等。.物联网技术体系 电源和储能是物联网关键支撑技术之一，包括电池技术、能量储存、能量捕获、恶劣情况下的发电、能量循环、新能源等技术。 新资料技术主要是指运用于传感器的敏感元件实现的技术。传感器敏感资料包括湿敏资料、气敏资料、热敏资料、压敏资料、光敏资料等。新敏感资料的运用可以使传感器的灵敏度、尺寸、精度、稳定性等特性获得改善。.物联网技术体系 3. 共性技术物联网共性技术涉及网络的不同层面，主要包括架构技术、标识和解析、平安和隐私、网络管理技术等。 物联网架构技术

12、目前处于概念开展阶段。物联网需具有一致的架构，明晰的分层，支持不同系统的互操作性，顺应不同类型的物理网络，顺应物联网的业务特性。.物联网技术体系 标识和解析技术是对物理实体、通讯实体和运用实体赋予的或其本身固有的一个或一组属性，并能实现正确解析的技术。物联网标识和解析技术涉及不同的标识体系、不同体系的互操作、全球解析或区域解析、标识管理等。.物联网技术体系 平安和隐私技术包括平安体系架构、网络平安技术、“智能物体的广泛部署对社会生活带来的平安要挟、隐私维护技术、平安管理机制和保证措施等。网络管理技术重点包括管理需求、管理模型、管理功能、管理协议等。为实现对物联网广泛部署的智能物体的管理，需求进

13、展网络功能和适用性分析，开发适宜的管理协议。 .物联网技术物联网概述RFID无线传感器网络.什么是RFIDRFID Radio Frequency Identification即无线射频识别技术，是一种通讯技术，可经过无线电讯号识别特定目的并读写相关数据。RFID可开发出许多新的运用领域，被视为最能够带动下一波产业革命的技术之一。.一套完好的RFID系统,由三个部份所组成：阅读器(Reader)、电子标签(Tag)、运用软件系统(Software system)。其任务原理是：Reader发射一特定频率的无线电波能量给Tag,用以驱动 Tag电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接纳解读

14、数据, 送给运用程序做相应的处置。 ReaderTagSoftware systemRFID系统任务原理.穿透性：非接触，非可视化远间隔：可达3-10m多点同时读取：无须逐一扫描，同时读取150个目的可反复读和写：并可识别挪动目的无方向性：作用范围内，恣意方向，均可读取标识才干：IPv6，可给地球上每平方米6.5*10E+23个地址耐环境性：在水、油、黑暗或脏污环境中，也可读取数据平安：先进的标签级别的平安加密编码和算法缺陷：无法穿透金属RFID技术特点.1897年： 发明无线电1880年： 对电磁场的根本了解1922年 ：雷达技术诞生1950年 ：RFID在实验室运用1950年 ：航空业开场

15、运用1970年 ：RFID的商业运用1960年 ：EAS的发明19701980年 ：工业自动化和动物识别的运用1987年 ：电子收费系统在挪威运用1990年 ：RFID开场在美国变热，美国铁路开场运用1990年 ：在SCM和企业系统中运用2000年 ：沃尔玛开场筹备运用2003年 ：EPC规范和联盟构成，标志RFID进驶快车道RFID开展历史与现状.RFID与条码.RFID的频率区段低频(LF，介于9KHz)读取范围短，约1520厘米高频(HF，为13.56MHz)读取范围最大约为1.5米超高频(UHF，介于3001,200MHz，其中欧规为868MHz，美国为915MHz)长间隔读取功能，约

16、为47米微波(2.45或5.8GHz).RFID主要频段的特性.RFID标签特性有源RFID无源RFID标签电源内置于标签内读卡器通过无线电频率传输能量标签电池有无所需信号强度低高范围可达100m3到5米读取多标签1000个3米内几百个数据存储128 Kb可读可写128字节可读可写.RFID标签的封装.RFID标签打印机.RFID读写器.RFID读写方式.出库RFID ReaderRFID AntennaRFID TagRFID实验.出库RFID ReaderRFID AntennaRFID TagRFID实验.出库RFID ReaderRFID AntennaRFID TagRFID实验.出

17、库RFID ReaderRFID AntennaRFID实验.基于RFID系统的根本构造.基于RFID系统的根本构造.基于RFID系统的根本构造.DOD 工业制造 两个在线 DLA 配送中心San Joaquin, CA 和 Susquehanna, PARFID 企业部署HD SmithPurdueWal*MartTargetAlbertsonsBest BuyStaplesInternational PaperBoeingPacific Cycle航空业McCarran 和香港国际机场Asiana AirlinesVirgin AtlanticBoeing零售店供应链|零售业|CPG工业仓

18、库RFID的典型运用行业.物流与供应链领域 由于缺货损失的收入* 高达 690 亿美圆配送中心/商店/货架的库存周转率较差问题供应商应遵照：对一切包装箱和货盘贴上标签运用 RFID 实现可视性和货架跟踪自动化处理方案提高配送中心商店货架的库存周转率实时可视性 降低库存更好的供需平衡结果供应商零售商商店零售商配送中心 (DC).制造领域入口主要优势 区域配送中心零售商店具有 RFID 功能的巩固耐用的挪动数据终端读取器 和天线RFID 标签 只读读写双极天线标签制造厂防止手动库存管理准确管理库存提高存货可视性和可跟踪性减少库存量减少仓储要求经过 JIT 和库存共享提高消费率 减少库存损耗提高对产

19、品召回的呼应自动更新供应系统更好的失窃检测.零售店内可视性RFID 标签 每个物品零售商制造工厂每日库存可见性和每周、每月库存可见性更好的货架商品可售性处理产品缺货问题平均缺货率 7.1%减少失窃商店 A商店 B.工业仓库库存跟踪地面上的标签可用于跟踪叉车位置装运、收货和检验处置时间可缩短20 倍至 60 倍配送中心可节省 20% 的运营本钱读取货架标签以验证正确的货盘放置位置.下一代的机场技术更出色的平安性提高了旅客平安检查和登机的速度和效率.药品跟踪与未来医药控制的符合性防止失窃和冒充提高对到期药品和存货量的控制.图书馆管理.病房管理.病房管理.汽车消费车间的数据采集PLC自动控制与AVI

20、系统集成冲压车间冲压件库存焊装车间WBS涂装车间PBS总装车间废品车库存内饰线底盘线合装线打码机控制条码扫描RFID自动识别设备控制电子看板按灯智能料架条码扫描RFID.实现焊装转序、PBS路由等多个环节的自动控制单批次和批量控制路由器等设备的形状监控基于RFID的PBS控制控制器RFID读取器装配线RFID标签.RFID主要的效益降低库存降低人员本钱改善任务效率、提升管理效率可视化供应链流程、改良决策体系货物区分改善对供应链的整合、提高顾客满足提高设备运用率.物联网技术物联网概述RFID无线传感器网络.无线传感器网络 无线传感器网络Wireless Sensor Networks，WSN是由

21、大量部署在作用区域内的、具有无线通讯与计算才干的微小传感器节点经过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定义务的分布式智能化网络系统。传感网络的节点间间隔很短，普通采用多跳multi-hop的无线通讯方式进展通讯。传感器网络可以在独立的环境下运转，也可以经过网关衔接到Internet，运用户可以远程访问。.无线传感器网络传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通讯技术、分布式信息处置技术等，可以经过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，经过嵌入式系统对信息进展处置，并经过随机自组织无线通讯网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。 .EP

22、C信息效力EPCIS模块无线传感器网络工程案例图 .传感器的组成和构造1. 传感器的组成传感器普通由敏感元件、转换元件和丈量电路三部分组成，有时还加上辅助电源，其典型组成如以下图所示。.传感器的组成和构造1敏感元件敏感元件Sensitive Element直接感受被丈量，并输出与被丈量成确定关系的某一物理量的元件。2转换元件转换元件Transduction Element是传感器的中心元件，它以敏感元件的输出为输入，把感知的非电量转换为电信号输出。转换元件本身可作为一个独立的传感器运用。这样的传感器普通称为元件传感器。 .传感器的组成和构造转换元件也可不直接感受被丈量，而是感受与被丈量成确定关

23、系的其它非电量，再把这一“其它非电量转换为电量。这时转换元件本身不作为一个独立的传感器运用，而作为传感器的一个转换环节。而在传感器中，尚需求一个非电量(同类的或不同类的)之间的转化环节。这一转换环节，需求由另外一些部件敏感元件等来完成，这样的传感器通常称为构造式传感器。 .传感器的组成和构造3变换电路变换电路Transduction Circuit将上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。实践上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件兼作转换元件组成，它感受被丈量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路。有些传感器，转换元件不止一个，要经过假设干次转换，较为

24、复杂，大多数是开环系统，也有些是带反响的闭环系统。.传感器的组成和构造2 传感器的构造方式1选择固定信号方式的传感器直接构造固定信号方式是把被丈量以外的变量固定或控制在某个定值上，以金属导线的电阻为例，电阻是金属的种类、纯度、尺寸、温度、应力等的函数。如仅选择根据温度产生的变化作为信号时就可制成电阻温度计；假设选择尺寸或应力而变化作为信号时就可制成电阻应变片。 .传感器的组成和构造选择固定的信号方式的传感器采用直接构造方式。这种传感器是由一个独立的传感元件和其它环节构成，直接将被丈量转换为所需输出量。直接式传感器的构成方法如以下图所示。.传感器的组成和构造图a是仅有传感元件的最简单的一种，如热

25、电偶和压电元件；图b是运用电源提供输出能量，如光敏晶体管；图c是利用磁铁为传感元件提供能量，如磁电式传感器；而霍尔传感器那么是bc两种情况的结合。图d所示的传感元件是阻抗元件，输入信号改动其阻抗值，为得到具有能量的输出信号，必需设计包括元件在内的变换电路，如具有电桥电路的电阻应变传感器等。.传感器的组成和构造2选择补偿信号方式的传感器补偿构造大多数情况下，传感器特征要到周围环境和内部各种要素的影响，在这些影响下不能忽略时，必需采取一定措施，以消除这些影响。补偿式传感器的构成方法 .传感器的组成和构造3选择差动式信号方式的传感器差动构造使被丈量反向对称变化，影响量同向对称变化，然后取其差，就能有

26、效地将被丈量选择出来，这就是差动方式。 传感器差动式构造 .传感器的组成和构造4选择平均信号方式的传感器平均构造平均信号方式来源于误差分析实际中对随机误差的平均效应和信号数据的平均处置，在传感器构造中，利用n个一样的转换元件同时感受被丈量，那么传感器的输出为各元件输出之和，而随机误差那么减小为单个元件的误差。采用平均构造的传感器有光栅、磁栅、容栅、感应同步器等，在具有差动作用的同时，具有明显的平均效果。 .传感器的组成和构造5选择平衡信号方式的传感器闭环构造闭环传感器采用控制实际和电子技术中的反响技术，极大地提高了性能。同开环传感器相比较，闭环传感器在构造上添加了一个由反向传感器构成的反响环节

27、，其原理构造如以下图所示。.传感器网络体系构造1. 无线传感器网络的体系构造无线传感器网络是一种由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器普通称作sensor node传感器节点或者mote灰尘。此种网络中普通也有一个或几个基站称作sink用来集中从小型传感器搜集的数据。 .传感器网络体系构造无线传感器构成自组织网络 .传感器网络体系构造传感器网络系统通常包括传感器节点sensor node、会聚节点sink node和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，可以经过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳进展传输，在传输过程中监测数据能够被多个节点处置，

28、经过多跳后路由到会聚节点，最后经过互联网或卫星到达管理节点。用户经过管理节点对传感器网络进展配置和管理，发布监测义务以及搜集监测数据。.传感器网络体系构造2. 传感器节点传感器节点由传感器模块、处置器模块、无线通讯模块和能量供应模块四部分组成。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、运动系统以及发电安装等。.传感器网络体系构造(1) 传感器模块 由传感器和模数转换功能模块组成，担任区域内信息的采集和数据转换；(2) 处置器模块由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等，担任控制整个传感器节点的操作，存储和处置本身采集的数据以及其他节点发来的数据；.传感器网络体系构造(3) 无线

29、通讯模块由无线通讯模块组成，担任与其他传感器节点进展无线通讯，交换控制信息和收发采集数据；(4) 能量供应模块为传感器节点提供运转所需的能量，通常采用微型电池。.传感器网络体系构造在传感器网络中，节点经过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点经过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处置网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对恣意地点信息在恣意时间的采集，处置和分析。一个典型的传感器网络的构造包括分布式传感器节点群、sink节点、互联网和用户界面等。.传感器网络体系构造传感节点之间可以相互通讯，本人组织成网并经过多跳的方式衔接至Sink基站节点，Sink节点收到数据后，经过网

30、关Gateway完成和公用Internet网络的衔接。整个系统经过义务管理器来管理和控制这个系统。.传感器网络体系构造3. 传感器网络协议栈协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和运用层，与互联网协议栈的五层协议相对应。另外，协议栈还包括能量管理平台、挪动管理平台和义务管理平台。这些管理平台使得传感器节点可以按照能源高效的方式协同任务，在节点挪动的传感器网络中转发数据，并支持多义务和资源共享。.传感器网络体系构造传感器网络协议栈 .传感器网络体系构造无线传感器网络的特征是：1无线传感器网络包括了大面积的空间分布;2能源受限制3网络自动配置，自动识别节点4网络的自动管理和高度协作性.传感器

31、网络体系构造5. 无线传感器网络中的关键技术 1网络拓扑控制 2网络协议 3时间同步 4定位技术 5数据交融 6嵌入式操作系统.传感器网络体系构造6. 传感器网络与RFID、物联网、泛在网等关系1传感器与RFID的关系射频标签RFID技术和传感器具有不同的技术特点，传感器网络可以监测感应到的各种信息，但缺乏对物品的标识才干，而RFID技术恰恰具有强大的标识物品才干。传感器网络较长的有效间隔将会拓展RFID技术的运用范围。传感器网络和RFID技术的交融和系统集成将极大地推进两项技术的运用。.传感器网络体系构造2传感器网络与物联网的关系物联网的概念最早提出于1999年，在早期的概念中，物联网本质上等于RFID技术加互联网。RFID标签可谓是早期的物联网最为关键的技术与产品环节。如今的物联网概念其实是传统物联网和无线通讯技术的结合，等同于广义上的传感器网络即传感网，可以了解为：物联网是从产业和运用角度，传感器网络是从技术角度对同一事物的不同表述，其本质是完全一样的。.传感器网络体系构造3传感器网络与泛在网的关系泛在Ubiquitous网，即广泛存在的网络，即在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通讯。泛在网是把不属于电信范畴的技术，如传感器技术