第十章 物联网

第10章物联网本章内容：物联网的概念及典型应用物联网使用的关键技术常用传感器本章重点：物联网的概念传感器物联网的应用10.1物联网的基本概念物联网的基本概念：顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”，物联网的英文名称为InternetofThings，简称IOT。2005年国际电信联盟（ITU-T）报告中定义的物联网是可以在任何地点、任何时间、任意物体之间实现互联。具体定义：物联网就是将物体通过传感技术、识别技术、通过有线/无线等方式接入互联网，实现人与物之间，物体与物体之间的联系互动和管理。与互联网的区别：物联网是通过将现实物体接入互联网使互联网从单纯的信息传递网络变成可与现实世界相连的泛在网。而现在的互联网是指相互连接的计算机网络。

物联网思想物联网的思想最早由1999年由麻省理工学院提出2009年美国提出了智慧地球进入21世纪后随着互联网和传感技术的快速发展才越来越受到世界各国的重视，近年来获得了长足的发展。我国也提出了“感知中国”计划，各地也相继提出如智慧城市等概念。但无论是智慧城市也好，智慧地球也好，其核心就是物联网。物联网的组成物联网是由通信网、互联网和传感器网组成的。但和这些网络又不完全相同。通信网着重于人与人之间的信息传递，互联网着重于人与人之间的信息的共享；传感器网着重于物于物之间的互联。而物联网着着重于人于物的互联。通过物联网人类可以真切的感知现实世界。物联网的组成物联网要将现实世界和网络世界连接起来，首先就要将现实世界的各种物理量转化为网络可以识别传输处理的电信号。如温度湿度、电压、电流、位移、流量、色彩、声音等。由传感器将相应的物理量转换为适应网络传输和计算机处理的数据。网络将数据传输到数据处理中心进行处理后将相应的结果或操作指令送到相关的执行设备或管理人员。物联网的组成物联网的体系架构按功能可以划分为三层，分别为感知层（含信息编码层）、网络层、应用层，如图10-1所示。感知层负责将现实世界的物体的状态、图像、数据、转化为网络可传输可识别的数据并送至传输网络，网络层负责把这些数据传送到需要的节点。应用层负责对这些数据进行处理和存储，并将结果以及指令发送给相关节点。物联网的组成图10-1物联网分层结构图10.2物联网的关键技术物联网技术包括了现实世界信息的感知和获取、网络接入、数据传输、数据处理与存储、以及各种应用及管理。但关键技术可以归纳为4类：感知和识别技术、接入技术、通信和传输技术、数据存储和智能处理技术。10.2.1感知和识别技术感知和识别技术是物联网和现实世界的接口，是物联网的信息来源。感知和识别技术是对各类物体的信息和各种物理量识别、转换、获取的技术。常见的传感器和识别技术如RFID（射频标签）、条形码、二维码、各种物理传感器，化学传感器、生物传感器、各种智能卡、摄像机、照相机等。物联网利用这些设备感知物体和环境的各种信息。传感器和识别设备是物联网的基础。传感器的作用传感器的作用就是把物体和环境的各种物理量转换成易于测量和传输及处理的电学量。如把温度、流量、红外、位移、速度、重力、磁力等物理量转化成相应的电压或者电流。然后通过模数转换器（A/D转换）将电压或者电流转换为计算机可以处理的数字信号。传感器的种类很多，常见的有温度、湿度、速度、压力、声音、激光等物理量传感器，也有酶传感器、醋酸杆菌传感器、大肠杆菌传感器等生物、微生物传感器，还有二氧化碳、甲烷、氧气、瓦斯传感器等化学传感器。各种传感器组成基本相同，都包括几个最基本的部分：敏感元件、信号调理、A/D转换、数据传输接口等。传感器的组成10.2.2常见传感器和识别技术1.RFID识别技术（1）射频识别的基本概念

射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）俗称电子标签，是一种自动识别技术，是通过无线方式进行数据传递交换达到识别物体的目的识别技术。是一种非接触的识别技术。目前RFID技术在很多领域的到了广泛应用。如：停车场管理、校园一卡通、公交卡、门禁系统、邮包分拣、铁路货运车辆管理、智能仓库等。电子标签电子标签也称射频卡，如图10-2所示，安装在需要识别的物体上。射频卡从供电方式上又分为有源卡和无源卡两种。有源卡靠卡内电池供电，适应于远距离识别场合，如车辆出入管理，高速收费系统（ETC）。但体积大、造价高。无源卡卡内没有电源，依靠卡内的感应线圈将读写器发射的射频波束转换为电能供射频卡使用。适合于识别距离短、造价要求低、体积小的场合使用。电子标签图10-2RFID内部图电子标签的分类分类方式种类说明供电方式无源卡卡内无电池供电，利用感应线圈将射频能量转化为直流电源为卡供电，识别距离短，寿命长、体积小、适应高湿、腐蚀性恶劣环境有源卡卡内有电池，识别距离远，体积大。成本高，不适合长期在高湿、腐蚀性环境使用载波频率低频卡分为125kHz和134kHz，用于短距离低成本的应用。如门禁、商品、产品跟踪管理高频卡13.6MHz，应用于传输数据量大的场合，如公交卡、各种付费卡超高频卡频率为433MHz、915MHz、2.45GHz和5.8GHz。应用于长距离识别、要求高速识别的场合，如高速公路不停车收费调制方式主动式用自身的能量主动发送数据给阅读器被动式用调制散射的方式发射数据，利用阅读器的载波调制信号耦合距离紧耦合卡距离小于1cm近耦合卡距离小于15cm疏耦合卡距离小于1m远距离卡1m到十几米数据功能只读卡只读，卡号无法修改，价格便宜应用于物流，门禁等低成本场合读写卡可读写，可存储少量数据，价格中等智能卡可读写，可加密、数据存储量大，带CPU，价格较高RFID的特点RFID具有如下特点。①非接触操作，可近距离识别（几厘米）,也可远距离识别达几十米，应用方便。②体积小，方便携带安装。③寿命长、可在恶劣环境下使用，如粉尘污染环境、腐蚀气体环境、油污环境。④可识别高速物体，也可同时识别多个物体。⑤穿透性好。⑥保密安全、读写器和标签之间有相互认证过程，数据部分可以通过加密算法实现数据安全。RFID系统的工作原理RFID系统由于应用不同，组成有所差别。但都是由读写器（Reader）和电子标签（Tag）组成。如图10-3所示。图10-3中的阅读器通过波束天线发射一个特定频率的电磁波，电子标签进入阅读器工作范围后，电子标签内的感应线圈产生感应电流。获得的能量供给电子标签的芯片工作。电子标签将自身编码的信息通过自身天线发送给阅读器。阅读器对接收的载波信号进行解调和解码。将解码后的信息送给计算机系统进行数据处理。计算机系统对电子标签的进行查询和判断，并向相应的执行机构发出指令。RFID系统的工作原理图10-3RFID系统的工作原理2．条形码识别技术条形码是指由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的标识，如图10-4所示。用以表示一定的商品信息的符号，用条形码识读设备的扫描识读。其对应字符由一组阿拉伯数字组成，供人们直接识读或通过键盘向计算机输人数据使用。这一组条空和相应的字符所表示的信息是相同的。为了使商品能够在全世界自由、广泛地流通，企业无论是设计制作，申请注册还是使用商品条形码，都必须遵循商品条形码管理的有关规定。商品条形码的编码遵循唯一性原则，以保证商品条形码在全世界范围内不重复。目前世界上常用的码制有ENA条形码、UPC条形码、二五条形码、交叉二五条形码、库德巴条形码、三九条形码和128条形码等，而商品上最常使用的就是EAN商品条形码。条形码

图10-4条形码3．指纹识别技术指纹识别技术是一种生物特征识别技术。生物特征识别具有安全可靠，唯一性，难以伪造，保密性好等特点。生物特征识别技术在门禁，上班签到、保密验证、海关、使馆签证等越来越多的场合得到应用。生物特征识别常见的有，指纹识别、虹膜识别、面部识别。3．指纹识别技术指纹识别是目前应用最广泛的生物特征识别技术。已经开始走入我们的日常生活，是目前生物特征识别技术中应用最广泛，发展最成熟的技术。由于每个人的指纹都具有唯一性。每个人指纹图案、断点和交叉点各不相同，呈现唯一性且终生不变。因此我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的指纹和预先保存的指纹数据进行比对，就可以验证它的真实身份，这就是指纹识别技术。4．压力传感器压力传感器是最为常见的一种传感器。如日常用的电子称、压强表、高速公路计重收费系统等都要用到压力传感器。压力传感器就是将压力转变为连续的模拟电信号。模拟信号是指在给定范围内或在一段连续的时间间隔内表现为连续的信号。压力传感器实现方式有很多，原理各不相同但常用的主要有以下3种。（1）压电型压力传感器，它是利用了压电陶瓷压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器，这种传感器可靠性高、成本低、适应范围广。（2）电阻型压力传感器，它是利用半导体材料在压力下会导致阻抗变化原理制成的。半导体压电阻抗扩散压力传感器，是通过半导体在承受压力时禁带宽度发生变化，导致载流子浓度和迁移率变化。产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。扩散型半导体压力传感器采用集成电路工艺制成，可以提高性能，改进测量的精度。（3）电容型压力传感器，它是利用压力情况下传感器电容量会发生变化的原理制成的，是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，通过外力（压力）使可动极变形从而导致电容量发生变化，然后将电容量的变化转换成电信号输出。5．声波传感器声波传感器也是一种最常见的传感器，从频率上可分为音频传感器（话筒就是一种音频传感器）、超声传感器（如医院使用的超声波探头）。从原理上可分为，压电陶瓷式、电容式（手机、录音笔等便携式设备使用的微型话筒都是电容式也称为驻极体话筒）、电磁动圈式（动圈式话筒体积大，但音频还原性好）。声波传感器可以使用在如环境噪声监测、声控节能灯、安保告警、声控录音等场合。6．红外线传感器在光谱中波长自0.76～400μm的一段称为红外线，红外线是不可见光线。红外线传感器就是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。世界上任何物质，只要高于绝对零度（−273.15℃）的物质都能辐射红外线。红外线传感器工作原理红外线传感器按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏管，通常由半导体材料制成。10.2.3接入技术传感器和识别设备要接入互联网，就要用到接入技术。根据应用系统情况，传感器和识别设备的情况及应用场合条件选择不同的接入技术。当传感器和识别设备数量较多时传感器要首先组成一个传感器网络，然后才接入互联网或者专线与后台处理系统相连。传感器网络可以用有线方式组网或者无线方式组网也可以采用有线与无线方式混合组网。具体采用什么方式组网，要根据现场和具体应用项目的要求选择适合的组网方式。1．有线传感器网络技术有线方式组网有很多优点，供电方便，通常对传感器可以采用有线远端供电，每个采集点传感器不用单设电源。具有可靠性高，抗电磁干扰能力强、传输数据可靠、传输距离远、实时性好，不怕障碍物遮挡等特点。在可靠性和要求较高的工业控制领域内主要使用有线组网方式。通过有线方式将传感器连接在一起就一定要用到现场总线，现场总线是传感器与数据采集传输系统连接在一起的媒介。2．常用的无线网络接入技术无线组网技术是目前使用非常广泛的组网技术。具有安装灵活方便、不受场地、线路铺设条件等限制的优点。既可以使用在固定物体上也可以使用在移动物体上。既可以通过卫星等技术构成全球性的网络，也可以使用短距离无线技术作为有线网络的接入手段。目前常用的短距离无线组网技术有Wi-Fi、ZigBee、NFC、蓝牙（Bluetooth）和红外线等。我们只简单介绍Wi-Fi、ZigBee、NFC技术。Wi-Fi技术Wi-Fi全称WirelessFidelity，直译为无线保真。是IEEE制定的网络通信工业标准又叫802.11b标准。它的最大优点就是传输速度较高，可以达到11Mbit/s速率，在信号弱时可自动调整为5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s。另外它的有效距离也很长，由于Wi-Fi使用的2.4GHz频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的免费频段，因此Wi-Fi无线设备提供了一个世界范围内可以使用的，费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口。Wi-Fi技术成本低速率高的特点非常符合3G时代的应用要求。因此Wi-Fi技术在小型移动设备及家庭、机场、饭店、学校等公众场合得到了广泛的使用。是当今使用最广的一种无线网络传输技术。Wi-Fi技术的特点Wi-Fi技术的特点如下。①覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约15m，而Wi-Fi的半径则可达100m。②虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性比蓝牙差一些，但传输速度非常快，802.11a标准可以达到54Mbit/s，基本满足了多数用户一般业务的需求。802.11n理论速率最高可达600Mbit/s。但限于产业链成熟度（主要是射频芯片），目前最高支持300Mbit/s。③稳定性和可靠性高。802.11b在信号弱时可自动调整为5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s。速率可变保证了网络的稳定性和可靠性。④环保安全。IEEE802.11标准规定发射功率小于100mW。而通常手机发射功率在200mW到1W。ZigBee技术ZigBee技术是ZigBee联盟制定的一项短距离无线组网技术标准，ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利行业组织，由美国飞思卡尔公司（原摩托罗拉公司半导体部）、荷兰飞利浦公司、日本三菱电气公司、等国际著名半导体生产商、技术提供者、设备制造商以及用户组成。联盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。ZigBee技术由于其低成本和低功耗的特点。可以方便的嵌入各类便携式电子产品，应用范围包括民用、商用、公共事业以及工业等领域。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线组网技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输。非常适合在数据传输量不大，实时性要求不高的场合使用。ZigBee可以工作在全球免费的2.4GHz及868MHz（欧洲）和915MHz（美国）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10～75m的范围内，但可以继续增加。ZigBee的特点作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点。①低功耗。由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。同样的使用条件下ZigBee设备可以工作几个月，而蓝牙设备只能工作几周。②成本低。ZigBee芯片价格不到两美元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本是ZigBee被广泛应用的一个关键因素。③时延短。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。④网络容量大。一个星状结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。⑤可靠。采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。⑥安全。ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。自组织网ZigBee技术采用了自组织网方式，即ZigBee模块只要在彼此的通信范围内。通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络，如图10-11所示。而且，当模块移动或者遭受干扰联系中断后，模块还可以通过重新寻找通信对象，组成新的网络。这就是自组织网。NFC技术NFC近场通信技术是由非接触式射频识别（RFID）及互联互通技术整合演变而来。由荷兰飞利浦半导体（现恩智浦半导体）、芬兰诺基亚公司和日本索尼公司共同研制开发。NFC在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。近场通信（NearFieldCommunication，NFC）是一种短距高频的无线电技术，在13.56MHz频率运行于20cm距离内。其传输速度有106kbit/s、212kbit/s或者424kbit/s三种。NFC应用目前近场通信已通过成为ISO/IECIS18092国际标准、EMCA-340标准与ETSITS102190标准。NFC采用主动和被动两种读取模式。另外还集成了许多安全功能非常适用于付款、身份验证类的应用。带有NFC模块的移动设备可以起到安全网关的作用。使用者只要将两个带有NFC的设备简单靠拢，就可以自动启动网络通信功能传输数据。NFC的典型应用如手机支付，但是使用这种手机支付方案的用户必须加装NFC模块。手机用户凭着配置了支付功能的手机就可以行遍全国：他们的手机可以用作机场登机验证、大厦的门禁钥匙、交通一卡通、信用卡、支付卡等。NFC应用类型NFC有如下3种应用类型。（1）设备连接。除了无线局域网，NFC也可以简化蓝牙连接。比如，手提电脑用户如果想在机场上网，他只需要走近一个Wi-Fi热点即可实现。（2）实时预定。比如，海报或展览信息背后贴有特定芯片，利用含NFC协议的手机或PDA，便能取得详细信息，或是立即联机使用信用卡进行票券购买。而且，这些芯片无需独立的能源。（3）移动商务。飞利浦Mifare技术支持了世界上几个大型交通系统及在银行业为客户提供Visa卡等各种服务。索尼的FeliCa非接触智能卡技术产品在中国香港及深圳、新加坡、日本的市场占有率非常高，主要应用在交通及金融机构。10.2.4通信和传输技术物联网是互联网应用的延伸，所以互联网使用的通信和传输技术同样适用于物联网。通信技术的快速发展给物联网的应用提供了有力的支持。使物联网的应用范围更广、应用领域更多。3G、4G、移动互联网的普及都为物联网的应用创建了良好的通信平台。1．移动通信网3G是指第三代数字通信网以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。与3G相比，4G是能够传输高质量视频图像，它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。和3G相比4G系统速率更高，能够以100Mbit/s的速度下载，比目前的3G速率2Mbit/s也快50倍，上传的速度也能达到20Mbit/s，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。我国制定的TD-LTE已正式被确定为4G国际标准，也标志着我国在移动通信标准制定领域再次走到了世界前列。2．移动互联网移动互联网是移动网络与互联网融合的产物，并且随着两者融合的扩大和深入，能够为用户提供更具移动特性的、更深入到人们生产生活的网络与服务体系。移动互联网以手机、个人数字助理（PDA）、便携式计算机、专用移动互联网终端等作为终端，以移动通信网络（包括2G、3G、4G等）或无线局域网（Wi-Fi）、无线城域网（WiMAX）作为接入手段，直接或通过无线应用协议（WAP）访问互联网并使用互联网业务。移动互联网网络结构移动互联网（MobileInternet，MI）是一种通过智能移动终端，采用移动无线通信方式获取业务和服务的新兴业态，包含终端、软件和应用3个层面。终端层包括智能手机、平板电脑、电子书等；软件包括操作系统、中间件、数据库和安全软件等。应用层包括娱乐游戏类、各种实用工具、信息媒体类、电子金融、专业应用类等不同应用与服务。移动互联网网络结构如图10-12所示。移动互联网网络结构图10-12移动互联网网络结构移动互联网的应用移动互联网正在快速发展中，各种应用层出不穷。按模式大概可以分为以下几种。移动社交；各种交友服务，社区服务，微信，QQ。移动广告；手机广告，可以使用图片、声音、视频方式。比原来短信广告方式更丰富。可能成为下一代移动互联网繁荣发展的动力因素。手机游戏；将成为娱乐化先锋：随着产业技术的进步，移动设备终端上会发生一些革命性的质变，带来用户良好的体验。可以预见，手机游戏会作为移动互联网的新的盈利模式。手机电视；随着网络带宽的增加，手持电视用户在未来将逐渐扩大。电子阅读；随着手机功能扩展、屏幕更大更清晰、容量提升、用户身份易于确认、付款方便等诸多优势，移动电子阅读正在成为一种新的学习方式。移动互联网的应用移动定位：服务提供个性化信息：随着随身电子产品日益普及，对位置信息的需求也日益高涨，如儿童、易走失老人可以佩戴带移动定位功能的设备，防止走失。手机搜索：手机搜索引擎整合搜索概念、智能搜索、语义互联网等概念，综合了多种搜索方法，可以提供范围更宽广的垂直和水平搜索体验，更加注重提升用户的使用体验。移动支付：移动支付蕴藏巨大商机：支付手段的电子化和移动化是不可避免的必然趋势，移动支付业务发展预示着移动行业与金融行业融合的深入。移动电子商务：移动电子商务可以为用户随时随地提供所需的服务、应用、信息和娱乐，利用手机终端方便便捷地选择及购买商品和服务。10.2.5数据存储和智能处理技术数据存储和数据智能处理技术是物联网的核心技术。物联网随时产生大量的信息数据，这些数据需要及时快速处理并进行决策分析。这些数据也需要进行保存。这就用到智能处理技术，云计算技术。1．智能处理技术智能处理技术是指让计算机按照人类的思维方式对信息数据进行处理的技术。让计算机代替人脑，包括自动控制、人工智能技术。自动控制是指在人不直接操作的情况下，通过控制系统操作受控对象，使受控对象按照设定的规律运行。自动控制技术的应用无处不在，从电气、机械、化工、交通、铁路、航空、钢铁、安保、供水等。都有自动控制装置。人工智能技术是计算机模拟人类智能行为，如学习、推理、思考、规划等。人工智能主要有3个方面，专家系统、机器学习、和模式识别。2．云计算和云存储云计算是一种全新的网络服务和计算模式。它将传统的以本地计算机为核心的计算任务转变成了一个以网络为核心的任务。云存储是在云计算概念上延伸和发展出来的一个新的概念，是指通过集群应用、网格技术或分布式文件系统等功能，将网络中大量各种不同类型的存储设备通过应用软件集合起来协同工作，共同对外提供数据存储和业务访问功能的一个系统。当云计算系统运算和处理的核心是大量数据的存储和管理时，云计算系统中就需要配置大量的存储设备，那么云计算系统就转变成为一个云存储系统，所以云存储是一个以数据存储和管理为核心的云计算系统。10.3物联网应用物联网技术具有良好的适应性，物联网在工业、农业、环保、交通、气象、医疗、家居等领域已经得到了广泛的应用。物联网在各个行业已经有很多应用实例，取得了良好的经济和社会效益。我国在《物联网十二五规划》中选定了九大行业作为重点发展领域。分别是：智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能医疗、智能安保、智能家居。物联网在智能农业领域有很多应用，最典型和最成熟的应用是智能温室系统。智能温室由传感器采集接入、视频监控、互联网、计算机智能分析、远程控制和执行机构组成。通过温度、湿度、土壤含水量、光照、二氧化碳浓度等传感器，将温室环境各种参数通过互联网传输到控制中心，如图10-16和图10-17所示。控制中心计算机专家系统根据温室各种参数及种植蔬菜品种和生长阶段，对数据进行分析。然后根据分析结果将控制指令通过网络传送给温室的执行机构。执行机构根据指令对温室进行通风、灌溉、调节光照、液体施肥等操作。管理人员也可以远在千里之外用移动终端通过温室内