物联网关键技术及应用

KeyTechnologiesandApplicationsofInternetofThings物联网关键技术及应用2022/10/14

Content：2020-01-15

1.物联网概述

2.物联网架构

3.物联网关键技术

4.物联网的应用

5.发展趋势及面临的问题目录一、物联联网的概概念1、物联网网（IOT）的定义义早在1995年，比尔尔·盖茨在《未来之路路》一书中就就已经提提及物联联网概念念。但是是，“物物联网””概念的的真正提提出是在在1999年，由EPCglobal的Auto-ID中心提出出，被定义为为：把所所有物品品通过射射频识别别等信息息传感设设备与互互联网连连接起来来，实现现智能化化识别和和管理。。2005年，国际际电信联联盟（ITU）正式称称“物联网”为“TheInternetofthings（IOT）”，并发表表了年终终报告《ITU互联网报告2005：物联网网》。报告指指出，无无所不在在的“物物联网””通信时时代即将将来临，，世界上上所有的的物体从从轮胎到到牙刷、、从房屋屋到纸巾巾都可以以通过因因特网主主动进行行交换；；并描绘绘出“物物联网””时代的的图景：：当司机机出现操操作失误误时汽车车会自动动报警；；2020-01-15物联网(IOT)的概念公文包会会提醒主主人忘带带了什么么东西；；衣服会会“告诉诉”洗衣衣机对颜颜色和水水温的要要求等等等。现在较为为普遍的的理解是是，物联网是是将各种种信息传传感设备备，如射射频识别别（RFID）装置、、红外感感应器、、全球定定位系统统、激光光扫描器器等种种种装置与与互联网网结合起起来而形形成的一一个巨大大网络。。通过装置置在各类类物体上上的电子标签签（RFID）、传感器、二维码等经过接接口与无线网络络相连，从从而给物物体赋予予智能，，可以实实现人与与物体的的沟通和和对话，，也可以以实现物物体与物物体互相相间的沟沟通和对对话。2、广义的的物联网网含义广义的物物联网就就是利用用条码、、射频识识别（RFID）、传感感器、全全球定位位系统、、激光扫扫描器等等信息传传感设备备，按约约定的协协2020-01-15物联网（（IOT）的概念念议，实现现人与人人、人与与物、物物与物的的在任何何时间、、任何地地点的连连接（anything、anytime、anywhere），从而而进行信信息交换换和通讯讯，以实实现智能能化识别别、定位位、跟踪踪、监控控和管理理的庞大大网络系系统。如如果说互互联网实实现了人人与人之之间的交交流，那那么物联联网可以以实现人与物体体的沟通和和对话，，也可以以实现物体与物物体互相间的的连接和和交互。。图1-1物联网的的概念模模型2020-01-152020-01-153、物联网网（IOT）的特征征感知传输智能全面感知知利用RFID、传感器器、二维码等等能够随时随地地采集物体的的动态信信息。可靠传输输通过网络络将感知知的各种信息进进行实时时传送。。智能处理理利用计算算机技术术，及时时对海量量的数据进行行信息控控制，真真正达到到了人与物的的沟通、、物与物物的沟通通。2020-01-154、物联网网（IOT）结构示示意图5、物联网网（IOT）提出的的背景经济危机机下的推推手:经济长波波理论：：每一次次的经济济低谷必必定会催催生出某某些新的的技术，，而这种种技术一一定是可可以为绝绝大多数数工业产产业提供供一种全全新的使使用价值值，从而而带动新新一轮的的消费增增长和高高额的产产业投资资，以触触动新经经济周期期的形成成。过去的10年间，互互联网技技术取得得巨大成成功。目目前的经经济危机机让人们们又不得得不面临临紧迫的的选择，，物联网技技术成为为推动下下一个经经济增长长的特别别重要推推手。传感技术术的成熟熟:随着微电电子技术术的发展展，涉及及人类生生活、生生产、管管理等方方方面面面的各种种传感器器已经比比较成熟熟。例如如常见的的无线传感感器（WSN）、RFID、电子标标签等。网络接入入和信息息处理能能力大幅幅提高:目前，随随着网络络接入多多样化、、IP宽带化和和计算机机软件技技术的飞飞跃发展展，基于于海量信息收集集和分类处理理的能力大大大提高高。2020-01-15二、物联联网的体体系架构构1、应用层层：应用层是是构建在在物联网网技术架架构之上上的应用用系统，，包括商商业贸易易、物流流、农业业、军事事等等不不同的应应用系统统。2、网络层层：网络层，，即进行行信息交交换的通通信网络络，包括括有Internet、WIFI网以及无无线通信信网络等等网络。。3、信息采集集层：数据采集集指通过过包括条条码、射射频识别别、无线线传感器器、蓝牙牙等在内内的自动动识别与与近场通通信技术术获取物物品编码码信息的的过程。。4、编码层层：编码层是是物联网网的基石，是物联联网信息息交换内内容的核核心和关关键字。。编码是物物品、设设备、地地点、属属性等的的数字化化名称。。2020-01-15物联网架架构示意意图:2020-01-15物联网体体系构成成根据国际际电信联联盟的建建议，物物联网自自底向上上可以为为以下的的过程：：感知：该层的主要要功能是是通过各各种类型型的传感感器对物物质属性性、环境境状态、、行为态态势等静静态／动动态的信信息进行行大规模模、分布布式的信信息获取取与状态态辨识，，针对具具体感知知任务，，常采用用协同处处理的方方式对多多种类、、多角度度、多尺尺度的信信息进行行在线计计算与控控制，并并通过接接入设备备将获取取的信息息与网络络中的其其它单元元进行资资源共享享与交互互。接入：该层的主主要功能能是通过过现有的的移动通通信网(如GSM网、T胁SCDMA网)、无线接接入网(如WiMAX)、无线局局域网(WiFi)、卫将来来自感知知层的信信息传送送到互联联网中。。互联网：：该层的主主要功能能是以IP、，6／IPv4以及后伊伊星2020-01-15物联网体体系构成成网等基础础设施，，(Post-IP)为核心建建立的互互联网平平台，将将网络内内的信息息资源整整合成一一个可以以互联互互通的大大型智能能网络，，为上层层服务管管理和大大规模行行业应用用建立起起一个高高效、可可靠、可可信的基基础设施施平台。。服务管理理：该层的主主要功能能是通过过具有超超级计算算能力的的中心计计算机群群，对网网络内的的海量信信息进行行实时的的管理和和控制，，并为上上层应用用提供一一个良好好的用户户接口。。应用：该层的主主要功能能是集成成系统底底层的功功能，构构建起面面向各类类行业的的实际应应用，如如生态环环境与自自然灾害害监测、、智能交交通、文文物保护护与文化化传播、、运程医医疗与健健康监护护等。2020-01-15三、物联联网关键键技术物联网的的关键技技术有射频识别别技术、传感技术术、纳米技术术、智能嵌入入技术、云计算、IPv6技术。当前各各项技术术发展并并不均衡衡，射频频标签、、条码与与二维码码等技术术已经非非常成熟熟，传感感器网络络相关技技术尚有有很大发发展空间间。在此只介介绍射频识别别技术(RFID)和传感技术术(WSN)。3.1RFID3.1..1RFID的定义RFID（RadioFrequencyIdentification）即射频频识别技技术，俗俗称电子子标签，，通过射射频信号号自动识识别目标标对象，，并对其其信息进进行标志志、登记记、储存存和管理理。3.1..2RFID系统组成成电子标签签：由芯片和和标签天天线或线线圈组成成，通过过电感耦耦合2020-01-15RFID介绍或电磁反反射原理理与读写写器进行行通信；；读写器：：读取(在读写卡卡中还可可以写入入)标签信息息的设备备；天线：可以内置置在读写写器中，，也可以以通过同同轴电缆缆与读写写器天线线接口相相连。RFID系统组成成图示：：2020-01-153.1..3RFID的工作频频率RFID的工作频频率可划划分为：：1、LF：低频30－300KHz，常用125KHz；2、HF：高频3－30MHz，工作作频率为为13.56MHz;3、UHF：特高频300MHz－3GHz，工作频频率：433MHz，866－960MHz2.45GHz；4、SHF：超高频3－30GHz，工作频频率：5.8GHz、24GHz；RFID工作频率率图：2020-01-150f(Hz)30k300k3M30M300M3G30G125k13.56M常用：433M866～960M5.8G图3-1RFID系统工作作原理2020-01-15读写器将要发送的信息，经编码后加载到高频载波信号上再经天线向外发送。进入读写器工作区域的电子标签接收此信号，卡内芯片的有关电路对此信号进行倍压整流、调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取有关信息，经加密、编码、调制后通过片上天线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进行解调、解码、解密后送至信息系统进行处理。若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起电子标签内部电荷泵提升工作电压，提供电压擦写E2PROM。若经判断其对应密码和权限不符，则返回出错信息。3.1..4RFID的ISOIEC标准ISO//IEC（国际标标准化组组织和国国际电工工委员会会）制定定的RFID标准概况况技术标准准：ISO//IEC10536、ISO//IEC14443、ISO//IEC18000系列标准准等数据结构构标准：：ISO//IEC15424、ISO//IEC15418、ISO//IEC15434等性能标准准：ISO//IEC18046、ISO//IEC18047、ISO//IEC10373-6等应用标准准：ISO//IEC10374、ISO//IEC18185、ISO//IEC11784等2020-01-153.2无线传感感器网络络（WSN）传感器能感受规规定的被被测量并并按照一一定的规规律转换换成可用用信号的的器件或或装置，，通常由由敏感元元件和转转换元件件组成。。无线传感感器网络络（WSN）无线传感感器网络络（WSN）是由大大量传感感器节点点通过无无线通信信方式形形成的一一个多跳跳的自组组织网络络系统，，其目的是是协作地地感知、、采集和和处理网网络覆盖盖区域中中感知对对象的信信息，它能够实实现数据据的采集集量化、、处理融融合和传传输应用用。3.2..1WSN的特征与现有无无线网络络的差别别WSN是集成了了监测、、控制以以及无线线通信的的网络系系统，节节点数目目更为庞庞大（上上千甚至至上万）），节点点分布更更为密集集；2020-01-15WSN的特征2.由于环境境影响和和能量耗耗尽，节节点更容容易出现现故障；；3.环境干扰扰和节点点故障容容易造成成网络拓拓扑结构构的变化化；4.通常情况况下，大大多数传传感器节节点是固固定不动动的；5.传感器节节点具有有的能量量、处理理能力、、存储能能力和通通信能力力等十分分有限；；6.传统无线线网络的的首要设设计目标标是提高高服务质质量和高高效率带带宽利用用，其次次才考虑虑节约能能源；而而WSN的首要设设计目标标是能源源的高效效使用，，这也是是WSN和传统网网络最重重要的区区别之一一。传感器节节点的限限制电源能量量有限、、通信能能力有限限、计算算和存储储能力有有限。WSN的特点2020-01-15WSN的体系结结构大规模网网络、自自组织网网络、动动态性网网络、可可靠的网网络、应应用相关关的网络络、以数数据为中中心的网网络3.2..2WSN体系结构构图3-2平面拓扑扑结构图图3-3逻辑分层层结构2020-01-15WSN的体系结结构2020-01-15图3-4传感器节节点体系系结构图3-5传感器网网络协议议栈3.2..3传感器与与无线通通信传感网中中使用的的几种通通信技术术：1、移动通通信：2G、3G、B3G、LTE；2、无线局局域网：：WiFi：无线局局域网，，802..11，校园网网；WiMAX：无线城城域网，，802..16，已成为为3G标准3、超宽带带UWB：特征是是利用纳纳秒级的的非正弦弦波窄脉脉冲传输输数据。。工作频频率3.1G-10.6GMHz，低功耗耗，如射射频标签签RFID（RadioFrequencyIdentification也称电子子标签、、无线电电频率识识别）。。4、ZigBee：低功耗耗、近距距离的无无线组网网通信技技术；802..15..4（s）;5、NFC（近场通通信），，双向RFID，可实现现设备之之间的近近距离通通信（20cm，比兰牙牙短，但但是不需需要加密密）；6、兰牙（（Bluetooth）、红外外（IiRD）；2020-01-153.2..4WSN通信2020-01-15图3-6WSN在无线通通信框架架中的位位置3.2..5WSN融合图3-7WSN和其它无无线通信信技术的的融合2020-01-153.3RFID和WSN融合2020-01-15

图3-8物联网架架构物联联网架构构下RFID与WSN的融合RFID侧重于识识别，能能够实现现对目标标的标识识和管理理，同时RFID系统具有有读写距距离有限限、抗干干扰性差差、实现现成本较较高的不不足；WSN侧重于组组网，实实现数据据的传递递，具有部部署简单单，实现现成本低低廉等优优点，但但一般WSN并不具有有节点标标识功能能。RFID与WSN的结合存存在很大大的契机机。RFID和WSN的融合2020-01-15RFID与WSN可以在两两个不同同的层面面进行融融合：物物联网架架构下RFID与WSN的融合，，传感器器网络架架构下RFID与WSN的融合。。图3-9传感器网网络架构构下RFID与WSN的融合：：智能基基站RFID和WSN的融合图3-10传感器网网络架构构下RFID与WSN的融合：：智能节节点图3-11传感器网网络架构构下RFID与WSN的融合：：智能传传感标签签2020-01-15四、物联联网的应应用物联网应应用核心心关键技技术：操作系统统级应用用中间件件平台各环节关关键技术术：RFID技术(自动识别别、防伪伪、可读读写数据据)、二维码码技术（（防伪、、可读数数据）、、传感器器技术、、自动控控制技术术、传感感网通讯讯技术（（ZIGBEE）、嵌入入式终端端技术、、IPV6、3G网络技术术、SOA架构、语语音识别别、视频频识别技技术、云云计算、、SAAS服务等。。物联网的的主要应应用领域域:智能电网网、智能能交通、、环保管管理、一一卡支付付、资产产管理、、食品和和药品安安全、精精益制造造、数字字化仓储储等等。。2020-01-15图4-1物联网应应用示意意图2020-01-15物联网的的典型应应用1、机场入入侵上海浦东东国际机机场防入入侵系统统铺设了了3万多个传传感节点点，覆盖盖了地面面、栅栏栏和低空空探测，，多种传传感手段段组成一一个协同同系统后后，可以以防止人人员的翻翻越、偷偷渡、恐恐怖袭击击等攻击击性入侵侵。上海海移动的的车务通通在2010年世博会会期间全全面运用用于上海海公共交交通系统统，以最最先进的的技术保保障了世博园区区周边大大流量交交通的顺顺畅。2、电力管管理江西省电电网对分分布在全全省范围围内的2万台配电电变压器器安装传传感装置置，对运运行状态态进行实实时监测测，实现现用电检检查、电电能质量量监测、、负荷管管理、线线损管理理、需求求侧管理理等高效效一体化化管理，，一年来来降低电电损1.2亿千瓦时时。2020-01-153、水下无线线传感器器网络技技术根据目前前欧美各各国在研研项目的的文献资资料，可可以大致致将水下下传感器器网络的的组成结结构可分分为以下下几类：：1.基于水面面浮标的的(射频+水声通信信)可任意升升降的三三维立体体水下传传感器网网络系统统。2.由固定在在海底基基站的节节点构成成的，可可任意升升降的三维立体体网络系系统。通过光光缆或声声通信与与水面网网关、节节点联结结，将数数据传输输至基站站。3.基于水面面浮标节节点(射频+水声通信信)、水中自自主航行行器（水水声通信信）和水水底固定定节点（（水声通通信）的的三维立立体系统统。2020-01-15五、物联联网的发发展趋势势及面临临的问题题1.物联网的的发展趋趋势：电子与建建筑行业业是切入入点，产产业链合合力做多多应用将由由分散走走向统一一物联网的的产业分分工也非非常明确确，有专专门做电电子标签签和射频频识别的的企业，，也有专专门做各各种传感感元器件件的企业业等。随随着物联联网发展展的推动动，诸多多产业链链上的企企业，其其生产的的产品将将越来越越多的被被凝聚在在一起，，应用将由由分散走走向统一一。电信运运营商作作为产业业链中的的重要参参与者，，将为应应用的推推广和整整合起到到关键作作用。物联网的的终极目目标物联网的的终极目目标是形形成覆盖盖全球物物互联的的理想状状态，在这个个目标实实现的过过程中，，物联网网的各个个局部网网应用可可先各自自发展，，最后形形成一个个事实的的标准，，从小网网联成中中网，再再由中网网联成大大网，在在此过程程中逐渐渐解决遇遇到的技技术、标标准等各各种问题题。2020-01-15发展趋势势及面临临的问题题有关权威威咨询分分析机构构预测，，未来物联联网的发发展将经经历四个个阶段，包括：：阶段一：2010年之前RFID被广泛应应用于物物流、零零售和制制药领域域；阶段二：2010-2015年物体互互联；阶段三：2015-2020年物体进进入半智智能化；；阶段四：2020年之后物物体进入入全智能能化；2.物联网发发展面临临的主要要问题：：成本问题题末端标签签成本-----需要个性性化设计计，可以以通过示示范性应应用带动动研发，，通过应应用推广广带动量量产；设备开发发成本-----通过标准准化设计计接入中中间件平平台，2