CIMS基本知识与支撑技术物联网

1、专题一：CIMS基本知识与支撑技术(下)朱海平机械学院制造装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2022/9/42物联网的起源与发展1995年比尔盖茨在未来之路一书中就已经提及类似于物品互联的想法，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起重视。物联网的起源与发展1999年，美国麻省理工大学Auto-ID研究中心的创建者之一的Kevin Ashton教授在他的一个报告中首次使用了“Internet of Things”这个短语Auto-ID中心的目标就是在Internet的基础上建造一个网络，实现计算机与物品（objects）之

2、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。物联网的起源与发展1999年至2003年，物联网方面的工作局限于实验室中，这一时期的主要工作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，物联网相关工作开始走出实验室。EPC: Electronic Product Code (产品电子代码)物联网的起源与发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ITU互联网报告2005：物联网

3、的报告，物联网概念开始正式出现在官方文件中。物联网的起源与发展从此以后，物联网获得跨越式的发展，美国、中国、日本以及欧洲一些国家纷纷将发展物联网基础设施列为国家战略发展计划的重要内容。在美国，IBM提出了“智慧地球”的构想，其中物联网是不可缺少的一部分，2009年1月，美国将其提升到国家战略。物联网的起源与发展在欧洲，2009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区委员会提交了以物联网欧洲行动计划为题的公告，其目的是希望欧洲通过构建新型物联网管理框架来引领世界物联网发展。 物联网的起源与发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

4、互联网的延伸，物联网建立在特有基础设施上，将是一系列新的独立系统，当然，部分基础设施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发展；第三，物联网包括了多种不同的通信模式，物与人通信，物与物通信，其中特别强调了包括机对机通信（M2M）。物联网的起源与发展在我国，2009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，要尽快突破物联网核心技术，把传感技术和TD的发展结合起来此后，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发展已正式提上议事日程。物联网概念 物联网的英文名称为“The Internet of Things”，由该名称可见，物联网就是“物物相连的互联

5、网”从网络结构上看，物联网就是通过Internet将众多信息传感设备与应用系统连接起来并在广域网范围内对物品身份进行识别的分布式系统。 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标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等，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：通过射频识别（RFID）装置、红外感应器、 全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通

6、信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。当每个而不是每种物品能够被唯一标识后，利用识别、通信和计算等技术，在互联网基础上，构建的连接各种物品的网络，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能够被纳入“物联网”的范围： 要有相应信息的接收器； 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； 要有专门的应用程序； 要有数据发送器； 遵循物联网的通信协议； 在世界网络中有可被识别的唯一编号。物联网定义及组成 2.物联网的发展与形成物联网的发展跟互联网是分不开的，主要两个层面的意思：物联网的核心和基础仍然是互

7、联网，它是在互联网基础上的延伸和扩展;第二，物联网是比互联网更为庞大的网络，其网络连接延伸到了任何的物品和物品之间，这些物品可以通过各种信息传感设备与互联网络连接在一起，进行更为复杂的信息交换和通信。物联网定义及组成 3 物联网的三大特征 一般认为,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。可靠传递通过无线网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递给用户。物联网定义及组成 智能处理利用云计算、数据挖掘以及模糊识别等人工智能技术，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。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

8、所涉及的核心技术包括IPv6技术、云计算技术、传感技术、RFID智能识别技术、无线通信技术等。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、精密仪器、电子商务等等。物联网技术概论物联网3层结构感知层 智能嵌入式 标识、感知 协同、互动网络层 融合接入 信息存储应用层 数据挖掘 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、网络通信和应用关键技术 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理的数字信号。识别技术实现对物联网

9、中物体标识和位臵信息的获取。物联网技术体系 网络通信技术主要实现物联网数据信息和控制信息的双向传递、路由和控制.重点包括低速近距离无线通信技术、低功耗路由、自组织通信、无线接入M2M 通信增强、IP 承载技术、网络传送技术、异构网络融合接入技术以及认知无线电技术。物联网技术体系 海量信息智能处理综合运用高性能计算、人工智能、数据库和模糊计算等技术，对收集的感知数据进行通用处理，重点涉及数据存储、并行计算、数据挖掘、平台服务、信息呈现等。物联网技术体系 面向服务的体系架构（Service-oriented Architecture ，SOA）是一种松耦合的软件组件技术，它将应用程序的不同功能模块

10、化，并通过标准化的接口和调用方式联系起来，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，提升应用开发效率，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、新材料技术等。 微机电系统可实现对传感器、执行器、处理器、通信模块、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、成本、体积、功耗等的综合要求，可以按照不同应用定制裁剪的嵌入式计算机技术，是实现物体智

11、能的重要基础。软件和算法是实现物联网功能、决定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理、交互与优化软件与算法、物联网计算系统体系结构与软件平台研发等。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。 新材料技术主要是指应用于传感器的敏感元件实现的技术。传感器敏感材料包括湿敏材料、气敏材料、热敏材料、压敏材料、光敏材料等。新敏感材料的应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、安全和隐私

12、、网络管理技术等。 物联网架构技术目前处于概念发展阶段。物联网需具有统一的架构，清晰的分层，支持不同系统的互操作性，适应不同类型的物理网络，适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、通信实体和应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 安全和隐私技术包括安全体系架构、网络安全技术、“智能物体”的广泛部署对社会生活带来的安全威胁、隐私保护技术、安全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

13、广泛部署的智能物体的管理，需要进行网络功能和适用性分析，开发适合的管理协议。 物联网技术物联网概述RFID无线传感器网络2022/9/432什么是RFIDRFID （Radio Frequency Identification）即无线射频识别技术，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据。RFID可开发出许多新的应用领域，被视为最可能带动下一波产业革命的技术之一。33一套完整的RFID系统,由三个部份所组成：阅读器(Reader)、电子标签(Tag)、应用软件系统(Software system)。其工作原理是：Reader发射一特定频率的无线电波能量给Tag,用以驱动 Ta

14、g电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。 ReaderTagSoftware systemRFID系统工作原理穿透性：非接触，非可视化远距离：可达3-10m多点同时读取：无须逐一扫描，同时读取150个目标可重复读和写：并可识别移动目标无方向性：作用范围内，任意方向，均可读取标识能力：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，也可读取数据安全：先进的标签级别的安全加密编码和算法缺点：无法穿透金属RFID技术特点1897年： 发明无线电1880年： 对电磁场的基本理解1922年 ：雷达技术诞生1950

15、年 ：RFID在实验室应用1950年 ：航空业开始使用1970年 ：RFID的商业应用1960年 ：EAS的发明19701980年 ：工业自动化和动物识别的应用1987年 ：电子收费系统在挪威应用1990年 ：RFID开始在美国变热，美国铁路开始使用1990年 ：在SCM和企业系统中应用2000年 ：沃尔玛开始筹备使用2003年 ：EPC标准和联盟形成，标志RFID进驶快车道RFID发展历史与现状RFID与条码RFID的频率区段低频(LF，介于9135KHz)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

16、868MHz，美国为915MHz)长距离读取功能，约为47米微波(2.45或5.8GHz)38RFID主要频段的特性39RFID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40RFID标签的封装41RFID标签打印机42RFID读写器43RFID读写方式44出库RFID ReaderRFID AntennaRFID TagRFID实验出库RFID ReaderRFID AntennaRFID TagRFID实验出库RFID Rea

17、derRFID AntennaRFID TagRFID实验出库RFID ReaderRFID AntennaRFID实验基于RFID系统的基本结构49基于RFID系统的基本结构50基于RFID系统的基本结构51DOD 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

18、 AtlanticBoeing零售店供应链|零售业|CPG工业仓库RFID的典型应用行业52物流与供应链领域 由于缺货损失的收入* 高达 690 亿美元配送中心/商店/货架的库存周转率较差问题供应商应遵循：对所有包装箱和货盘贴上标签使用 RFID 实现可视性和货架跟踪自动化解决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)53制造领域入口主要优势 区域配送中心零售商店具有 RFID 功能的坚固耐用的移动数据终端读取器 和天线RFID 标签 只读读写双极天线标签制造厂避免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

19、减少仓储要求通过 JIT 和库存共享提高生产率 减少库存损耗提高对产品召回的响应自动更新供应系统更好的失窃检测54零售店内可视性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解决产品缺货问题（平均缺货率 7.1%）减少失窃商店 A商店 B55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、收货和检验处理时间可缩短20 倍至 60 倍配送中心可节省 20% 的运营成本读取货架标签以验证正确的货盘放置位置56下一代的机场技术更出色的安全性提高了旅客安全检查和登机的速度和效率57药品跟踪与未来医药管制的符合性防止失窃和假冒提高对到期药品和存货量的控

20、制58图书馆管理病房管理病房管理汽车生产车间的数据采集PLC自动控制与AVI系统集成冲压车间冲压件库存焊装车间WBS涂装车间PBS总装车间成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RFID62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状态监控基于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成本改善工作效率、提升管理效率可视化供应链流程、改进决策体系货物辨别改善对供应链的整合、提高顾客满足提高设备使用率64物联网技术物联网概述RFID无线传感器网络2022/9/

21、465无线传感器网络 无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感网络的节点间距离很短，一般采用多跳（multi-hop）的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到Internet，使用户可以远程访问。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、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通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，通过嵌

22、入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。 EPC信息服务（EPCIS）模块无线传感器网络工程案例图 传感器的组成和结构1. 传感器的组成传感器一般由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，有时还加上辅助电源，其典型组成如下图所示。传感器的组成和结构（1）敏感元件敏感元件（Sensitive Element）直接感受被测量，并输出与被测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）是传感器的核心元件，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

23、使用。这样的传感器一般称为元件传感器。 传感器的组成和结构转换元件也可不直接感受被测量，而是感受与被测量成确定关系的其它非电量，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使用，而作为传感器的一个转换环节。而在传感器中，尚需要一个非电量(同类的或不同类的)之间的转化环节。这一转换环节，需要由另外一些部件（敏感元件等）来完成，这样的传感器通常称为结构式传感器。 传感器的组成和结构（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。实际上，有些传感器很简单，仅由一个敏感元件（兼作转换元件）组成，它感受被测量时

24、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，要经过若干次转换，较为复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。传感器的组成和结构2 传感器的结构形式（1）选择固定信号方式的传感器直接结构固定信号方式是把被测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；如果选择尺寸或应力而变化作为信号时就可制成电阻应变片。 传感器的组成和结构选择固定的信号方式的传感器采用直接结构形式。这种传感器是由一个独立的传感元件和其它环节构成

25、，直接将被测量转换为所需输出量。直接式传感器的构成方法如下图所示。传感器的组成和结构图（a）是仅有传感元件的最简单的一种，如热电偶和压电元件；图（b）是使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；而霍尔传感器则是（b）（c）两种情况的结合。图（d）所示的传感元件是阻抗元件，输入信号改变其阻抗值，为得到具有能量的输出信号，必须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。传感器的组成和结构（2）选择补偿信号方式的传感器补偿结构大多数情况下，传感器特征要到周围环境和内部各种因素的影响，在这些影响下不能忽略时，必须采取一定措施，以消除这些

26、影响。补偿式传感器的构成方法 传感器的组成和结构（3）选择差动式信号方式的传感器差动结构使被测量反向对称变化，影响量同向对称变化，然后取其差，就能有效地将被测量选择出来，这就是差动方式。 传感器差动式结构 传感器的组成和结构（4）选择平均信号方式的传感器平均结构平均信号方式来源于误差分析理论中对随机误差的平均效应和信号（数据）的平均处理，在传感器结构中，利用n个相同的转换元件同时感受被测量，则传感器的输出为各元件输出之和，而随机误差则减小为单个元件的误差。采用平均结构的传感器有光栅、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。 传感器的组成和结构（5）选择平衡信号方式的

27、传感器闭环结构闭环传感器采用控制理论和电子技术中的反馈技术，极大地提高了性能。同开环传感器相比较，闭环传感器在结构上增加了一个由反向传感器构成的反馈环节，其原理结构如下图所示。传感器网络体系结构1. 无线传感器网络的体系结构无线传感器网络是一种由大量小型传感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作sensor node（传感器节点）或者mote（灰尘）。此种网络中一般也有一个或几个基站（称作sink）用来集中从小型传感器收集的数据。 传感器网络体系结构无线传感器构成自组织网络 传感器网络体系结构传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点。

28、大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通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行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器网络体系结构2. 传感器节点传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信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、运动系统以及发电装置等。传感器网络体系结构(1) 传感器模块 由传感器和模数转换功能模块组成，负责区域内信息的采集和数据转换；(2) 处理器模块由嵌入

29、式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等，负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；传感器网络体系结构(3) 无线通信模块由无线通信模块组成，负责与其他传感器节点进行无线通信，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行所需的能量，通常采用微型电池。传感器网络体系结构在传感器网络中，节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析。一个典型的传感器网络的结构包括分布式传感器节点（群）、s

30、ink节点、互联网和用户界面等。传感器网络体系结构传感节点之间可以相互通信，自己组织成网并通过多跳的方式连接至Sink（基站节点），Sink节点收到数据后，通过网关（Gateway）完成和公用Internet网络的连接。整个系统通过任务管理器来管理和控制这个系统。传感器网络体系结构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、传输层和应用层，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、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。传感器网络体系结构传感器网络协议栈

31、 传感器网络体系结构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网络体系结构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）数据融合 （6）嵌入式操作系统传感器网络体系结构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能力，而RFID技术恰恰具有强大的标识物品能力。传感器网络较长的有效距离将会

32、拓展RFID技术的应用范围。传感器网络和RFID技术的融合和系统集成将极大地推动两项技术的应用。传感器网络体系结构（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，物联网实质上等于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。现在的物联网概念其实是传统物联网和无线通信技术的结合，等同于广义上的传感器网络（即传感网），可以理解为：物联网是从产业和应用角度，传感器网络是从技术角度对同一事物的不同表述，其实质是完全相同的。传感器网络体系结构（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信。泛在网是把