物联网关键技术及应用2

KeyTechnologiesandApplicationsofInternetofThings物联网关键技术及应用2023/1/15

Content：2023/1/15

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、物联网的概念1、物联网（IOT）的定义早在1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中就已经提及物联网概念。但是，“物联网”概念的真正提出是在1999年，由EPCglobal的Auto-ID中心提出，被定义为：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。2005年，国际电信联盟（ITU）正式称“物联网”为“TheInternetofthings（IOT）”，并发表了年终报告《ITU互联网

报告2005：物联网》。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换；并描绘出“物联网”时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；2023/1/15物联网(IOT)的概念

公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等。现在较为普遍的理解是，物联网是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。通过装置在各类物体上的电子标签（RFID）、传感器、二维码等经过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的沟通和对话。2、广义的物联网含义广义的物联网就是利用条码、射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协2023/1/15物联网（IOT）的概念议，实现人与人、人与物、物与物的在任何时间、任何地点的连接（anything、anytime、anywhere），从而进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的庞大网络系统。如果说互联网实现了人与人之间的交流，那么物联网可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的连接和交互。

图1-1物联网的概念模型2023/1/152023/1/15

3、物联网（IOT）的特征

感知传输智能全面感知利用RFID、传感器、二维码等能够随时随地采集物体的动态信息。可靠传输通过网络将感知的各种信息进行实时传送。智能处理利用计算机技术，及时对海量的数据进行信息控制，真正达到了人与物的沟通、物与物的沟通。2023/1/154、物联网（IOT）结构示意图5、物联网（IOT）提出的背景经济危机下的推手:经济长波理论：每一次的经济低谷必定会催生出某些新的技术，而这种技术一定是可以为绝大多数工业产业提供一种全新的使用价值，从而带动新一轮的消费增长和高额的产业投资，以触动新经济周期的形成。

过去的10年间，互联网技术取得巨大成功。目前的经济危机让人们又不得不面临紧迫的选择，物联网技术成为推动下一个经济增长的特别重要推手。传感技术的成熟:随着微电子技术的发展，涉及人类生活、生产、管理等方方面面的各种传感器已经比较成熟。例如常见的无线传感器（WSN）、RFID、电子标签等。网络接入和信息处理能力大幅提高:目前，随着网络接入多样化、IP宽带化和计算机软件技术的飞跃发展，基于海量信息收集和分类处理的能力大大提高。2023/1/15二、物联网的体系架构1、应用层：应用层是构建在物联网技术架构之上的应用系统，包括商业贸易、物流、农业、军事等等不同的应用系统。2、网络层：网络层，即进行信息交换的通信网络，包括有Internet、WIFI网以及无线通信网络等网络。3、信息采集层：数据采集指通过包括条码、射频识别、无线传感器、蓝牙等在内的自动识别与近场通信技术获取物品编码信息的过程。4、编码层：编码层是物联网的基石，是物联网信息交换内容的核心和关键字。

编码是物品、设备、地点、属性等的数字化名称。2023/1/15物联网架构示意图:2023/1/15物联网网体系系构成成根据国国际电电信联联盟的的建议议，物物联网网自底底向上上可以以为以以下的的过程程：感知：：该层的主主要功功能是是通过过各种种类型型的传传感器器对物物质属属性、、环境境状态态、行行为态态势等等静态态／动动态的的信息息进行行大规规模、、分布布式的的信息息获取取与状状态辨辨识，，针对对具体体感知知任务务，常常采用用协同同处理理的方方式对对多种种类、、多角角度、、多尺尺度的的信息息进行行在线线计算算与控控制，，并通通过接接入设设备将将获取取的信信息与与网络络中的的其它它单元元进行行资源源共享享与交交互。。接入：：该层的的主要要功能能是通通过现现有的的移动动通信信网(如GSM网、T胁SCDMA网)、无线线接入入网(如WiMAX)、无线线局域域网(WiFi)、卫将将来自自感知知层的的信息息传送送到互互联网网中。。互联网网：该层的的主要要功能能是以以IP、，6／IPv4以及后后伊星星2022/12/31物联网网体系系构成成网等基基础设设施，，(Post-IP)为核心心建立立的互互联网网平台台，将将网络络内的的信息息资源源整合合成一一个可可以互互联互互通的的大型型智能能网络络，为为上层层服务务管理理和大大规模模行业业应用用建立立起一一个高高效、、可靠靠、可可信的的基础础设施施平台台。服务管管理：：该层的的主要要功能能是通通过具具有超超级计计算能能力的的中心心计算算机群群，对对网络络内的的海量量信息息进行行实时时的管管理和和控制制，并并为上上层应应用提提供一一个良良好的的用户户接口口。应用：：该层的的主要要功能能是集集成系系统底底层的的功能能，构构建起起面向向各类类行业业的实实际应应用，，如生生态环环境与与自然然灾害害监测测、智智能交交通、、文物物保护护与文文化传传播、、运程程医疗疗与健健康监监护等等。2022/12/31三、、物物联联网网关关键键技技术术物联联网网的的关关键键技技术术有有射频频识识别别技技术术、传感感技技术术、纳米米技技术术、智能能嵌嵌入入技技术术、云计计算算、IPv6技术术。当当前前各各项项技技术术发发展展并并不不均均衡衡，，射射频频标标签签、、条条码码与与二二维维码码等等技技术术已已经经非非常常成成熟熟，，传传感感器器网网络络相相关关技技术术尚尚有有很很大大发发展展空空间间。。在此此只只介介绍绍射频频识识别别技技术术(RFID)和传感感技技术术(WSN)。3.1RFID的定定义义RFID（RadioFrequencyIdentification）即即射射频频识识别别技技术术，，俗俗称称电电子子标标签签，，通通过过射射频频信信号号自自动动识识别别目目标标对对象象，，并并对对其其信信息息进进行行标标志志、、登登记记、、储储存存和和管管理理。。系统统组组成成电子子标标签签：：由芯芯片片和和标标签签天天线线或或线线圈圈组组成成，，通通过过电电感感耦耦合合2022/12/31RFID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：：2022/12/31的工作作频率率RFID的工作作频率率可划划分为为：1、LF：低频30－300KHz，常用用125KHz；2、HF：高频3－30MHz，工工作频频率为为13.56MHz;3、UHF：特高频频300MHz－3GHz，工作作频率率：433MHz，866－960MHz2.45GHz；4、SHF：超高频频3－30GHz，工作作频率率：5.8GHz、24GHz；RFID工作频频率图图：2022/12/310f(Hz)30k300k3M30M300M3G30G125k13.56M常用：433M866～960M5.8G图3-1RFID系统工作原原理2022/12/31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（国际标准准化组织和和国际电工工委员会））制定的RFID标准概况技术标准：：ISO/IEC10536、ISO/IEC14443、ISO/IEC18000系列标准等等数据结构标标准：ISO/IEC15424、ISO/IEC15418、ISO/IEC15434等性能标准：：ISO/IEC18046、ISO/IEC18047、ISO/IEC10373-6等应用标准：：ISO/IEC10374、ISO/IEC18185、ISO/IEC11784等2022/12/313.2无线线传传感感器器网网络络（（WSN）传感感器器能感感受受规规定定的的被被测测量量并并按按照照一一定定的的规规律律转转换换成成可可用用信信号号的的器器件件或或装装置置，，通通常常由由敏敏感感元元件件和和转转换换元元件件组组成成。。无线线传传感感器器网网络络（（WSN）无线线传传感感器器网网络络（（WSN）是是由由大大量量传传感感器器节节点点通通过过无无线线通通信信方方式式形形成成的的一一个个多多跳跳的的自自组组织织网网络络系系统统，，其目目的的是是协协作作地地感感知知、、采采集集和和处处理理网网络络覆覆盖盖区区域域中中感感知知对对象象的的信信息息，，它能能够够实实现现数数据据的的采采集集量量化化、、处处理理融融合合和和传传输输应应用用。。的特特征征与现现有有无无线线网网络络的的差差别别WSN是集集成成了了监监测测、、控控制制以以及及无无线线通通信信的的网网络络系系统统，，节节点点数数目目更更为为庞庞大大（（上上千千甚甚至至上上万万）），，节节点点分分布布更更为为密密集集；；2022/12/31WSN的特征2.由于环境影响响和能量耗尽尽，节点更容容易出现故障障；3.环境干扰和节节点故障容易易造成网络拓拓扑结构的变变化；4.通常情况下，，大多数传感感器节点是固固定不动的；；5.传感器节点具具有的能量、、处理能力、、存储能力和和通信能力等等十分有限；；6.传统无线网络络的首要设计计目标是提高高服务质量和和高效率带宽宽利用，其次次才考虑节约约能源；而WSN的首要设计目目标是能源的的高效使用，，这也是WSN和传统网络最最重要的区别别之一。传感器节点的的限制电源能量有限限、通信能力力有限、计算算和存储能力力有限。WSN的特点2022/12/31WSN的体系系结构构大规模模网络络、自自组织织网络络、动动态性性网络络、可可靠的的网络络、应应用相相关的的网络络、以以数据据为中中心的的网络络体系结结构图3-2平面拓拓扑结结构图图3-3逻辑分分层结结构2022/12/31WSN的体系结结构2022/12/31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，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；（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）；2022/12/31通信2022/12/31图3-6WSN在无线通通信框架架中的位位置融合图3-7WSN和其它无无线通信信技术的的融合2022/12/313.3RFID和WSN融合2022/12/31图3-8物联网架构构物联网架架构下RFID与WSN的融合RFID侧重于识别别，能够实实现对目标标的标识和和管理，同时RFID系统具有读读写距离有有限、抗干干扰性差、、实现成本本较高的不不足；WSN侧重于组网网，实现数数据的传递递，具有部署署简单，实实现成本低低廉等优点点，但一般般WSN并不具有节节点标识功功能。RFID与WSN的结合存在在很大的契契机。RFID和WSN的融合2022/12/31RFID与WSN可以在两个个不同的层层面进行融融合：物联联网架构下下RFID与WSN的融合，传传感器网络络架构下RFID与WSN的融合。图3-9传感器网络络架构下RFID与WSN的融合：智智能基站RFID和WSN的融合图3-10传感器网络络架构下RFID与WSN的融合：智智能节点图3-11传感器网络络架构下RFID与WSN的融合：智智能传感标标签2022/12/31四、物联网的的应用物联网应用核核心关键技术术：操作系统级应应用中间件平平台各环节关键技技术：RFID技术(自动识别、防防伪、可读写写数据)、二维码技术术（防伪、可可读数据）、、传感器技术术、自动控制制技术、传感感网通讯技术术（ZIGBEE）、嵌入式终终端技术、IPV6、3G网络技术、SOA架构、语音识识别、视频识识别技术、云云计算、SAAS服务等。物联网的主要要应用领域:智能电网、智智能交通、环环保管理、一一卡支付、资资产管理、食食品和药品安安全、精益制制造、数字化化仓储等等。。2022/12/31图4-1物联网应用示示意图2022/12/31物联网的典型型应用1、机场入侵上海浦东国际际机场防入侵侵系统铺设了了3万多个传感节节点，覆盖了了地面、栅栏栏和低空探测测，多种传感感手段组成一一个协同系统统后，可以防防止人员的翻翻越、偷渡、、恐怖袭击等等攻击性入侵侵。上海移动动的车务通在在2010年世博会期间间全面运用于于上海公共交交通系统，以以最先进的技技术保障了世博园区周边边大流量交通通的顺畅。2、电力管理江西省电网对对分布在全省省范围内的2万台配电变压压器安装传感感装置，对运运行状态进行行实时监测，，实现用电检检查、电能质质量监测、负负荷管理、线线损管理、需需求侧管理等等高效一体化化管理，一年年来降低电损损1.2亿千瓦时。2022/12/313、水下无无线传传感器器网络络技术术根据目目前欧欧美各各国在在研项项目的的文献献资料料，可可以大大致将将水下下传感感器网网络的的组成成结构构可分分为以以下几几类：：1.基于水水面浮浮标的的(射频+水声通通信)可任意意升降降的三三维立立体水水下传传感器器网络络系统统。2.由固定定在海海底基基站的的节点点构成成的，，可任任意升升降的的三维立立体网网络系系统。通过过光缆缆或声声通信信与水水面网网关、、节点点联结结，将将数据据传输输至基基站。。3.基于水水面浮浮标节节点(射频+水声通通信)、水中中自主主航行行器（（水声声通信信）和和水底底固定定节点点（水水声通通信））的三三维立立体系系统。。2022/12/31五、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。2022/12/31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被广泛应用于于物流、零售售和制药领域域；阶段二：2010-2015年物体互联；；阶段三：2015-2020年物体进入半半智能化；阶段四：