物联网技术及应用8.物联网的典型应用

物联网技术及应用（第2版）第8章物联网的典型应用8.1智能电网8.2智能交通8.3智能医疗8.4智能工业8.5智能农业8.6智能环保8.7智能物流8.8智能家居8.9智能安防8.10智能旅游【主要内容】8.1智能电网8.1.1智能电网简介智能电网：也被称为“电网2.0”，即第二代电网，是建立在集成、高速、双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、设备技术以及先进的控制方法和决策支持技术所获得的实际应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、自愈、兼容和环境友好等目标，用以满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效营运。美国智能电网范畴涵盖：输电、配电、用电和调度等方面。突出特征：7个自愈、互动、兼容、高效、创新、优质、安全欧洲智能电网主要解决：国与国之间电网互联；节能减排，发展低碳经济以实现国际公约规定的环保目标。更加关注：可再生能源和分布式电源的接入、供电可靠性和电能质量的提高，以及对社会用户增值服务的完善等。4大特征：灵活、易接入、可靠、经济。中国智能电网基本概念：以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，以通信信息平台为支撑，具有信息化、自动化、互动化特征，包含发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流”的高度一体化融合的现代电网。基本内涵：5个方面坚强可靠：拥有坚强网架、强大输送能力和安全可靠供应能力，实现资源优化配置，减小大面积停电事故概率；在故障发生时，能进行快速检测、定位和隔离，指导作业人员迅速确定停电原因，恢复供电，缩短停电时间。经济高效：提高电网效率，降低运营成本，促进能源资源的高效利用。清洁环保：促进可再生能源发展与利用，提高清洁电能比重，降低能源消耗和污染物排放。透明开放：为电力市场化建设提供透明、开放的实施平台，提供高品质的附加增值服务。友好互动：灵活调整电网运行方式，友好兼容各类电源和用户的入退，激励电源和用户主动参与电网调节。智能电网与传统电网的比较传统电网：是一个刚性系统，电源的接入与退出、电能量的传输等都缺乏弹性，导致电网没有动态柔性及可组性。表现在：①垂直的多级控制机制反应迟缓，无法构建实时、可配置、可重组的系统；②系统自愈、自恢复能力完全依赖于实体冗余；③对客户的服务简单、信息单向；④系统内部存在多个信息孤岛，缺乏信息共享。

智电网优点：拓展电网全景信息，为电网运行和管理人员提供全面、完整和精细的电网运营状态图，并给出相应的辅助决策支持以及控制实施方案和应对预案，最大程度地实现更为精细、准确、及时、绩优的电网运行和管理。优化电网控制，构建结构扁平化、功能模块化、系统组态化的柔性体系架构，通过集中与分散相结合，灵活变换网路结构、智能重组系统架构、最佳配置系统效能、优化电网服务质量。以实现信息和潮流的双向监视和智能化控制，可以实现清洁能源和分布式能源的无缝接入，以可靠、稳定、高效的网状拓扑结构实现故障自动隔离和自愈功能，实现与用户的智能交互功能。图8-2传统电网（单向潮流、简单互联）图8-3智能电网（双向潮流、多方参与）图8-4传统电网与智能电网运行可靠性示意图8.1.2分布式发电智能电网能够将太阳能、风能、地热能等新型分布式能源统一接入到电网之中，并对其进行分布式管理；通过物联网技术，可以对各供电、输电和用电设备连接为一体，从而实现各设备的物理实体入网，通过智能化、信息化、网络化的管理来实现能源替代以及对电能的最优配置和利用；利用物联网技术，可以构建电网运行及管理信息感知服务中心，搜集各种用户的智能电表信息，计算出一定时间段的用电动态需求量，再将这一信息及时反馈到发电企业，控制发电机组按需发电。实现在提升电网智能程度的同时，避免无效发电的成本浪费。图8-5典型新能源分布式发电示意图8.1.3输变电站在线监控利用物联网技术可以全面有效地对整个输变电系统，直至用户终端进行智能化实时监控。图8-6基于IoT的智能电网变配电设备信息监测系统8.1.4智能抄表图8-7基于ZigBee的电能管理系统智能抄表是智能用电管理的重要一环。组成：由上行远程工业以太网和下行ZigBee无线局域网组成。单个子网：由智能电表、ZigBee采集器以及ZigBee通信网络组成。管理中心：监控主机通过以太网把命令传递给ZigBee中心节点，中心节点再通过单点对多点的通信模式和广播方式把命令传递给ZigBee无线网络中的各个ZigBee采集器，再传递给RS485总线上的各个表计。如果表计的地址与命令地址吻合，则做出相应的数据回复，通过原路返回给监控主机。系统功能：可以监测整个厂区或整幢楼宇的各个分项的电能计量；还可以以报表的形式分析该工厂在一段时时间内的各个分项能耗占总能耗的百分比，以便工厂了解这段时间里的各个分项的能耗，制定出往后能耗管理方案，已达到节能减耗的效果。8.2智能交通8.2.1

智能交通简介智能交通系统：是将物联网先进的信息通信技术、传感技术、控制技术以及计算机技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用，实时、准确、高效的综合运输和管理系统。突出特点：是以信息的收集、处理、发布、交换、分析、利用为主线，为交通参与者提供多样性的服务。即各种交通信息传感器，将感知到车流量、车速、车型、车牌、车位等各类交通信息，通过无线传感器网络传送到位于高速数据传输主干道上的数据处理中心进行处理，分析出当前的交通状况。8.2.2

智能交通系统的组成及功能主要功能：包括交通引导、Bus通告、停车信息获取、事件发现/处理/发布、车辆状况发布、路况发布、自动收费、乘客通信和娱乐、城市人员分布/流动等。系统组成：10个子系统图8-8智能交通系统信息共享平台先进的交通信息服务系统（ATIS）先进的交通管理系统（ATMS）先进的公共交通系统（APTS）先进的车辆控制系统（AVCS）货运管理系统（FTMS）电子收费系统ETC紧急救援系统（ERS）运营车辆调度管理系统（CVOM）智能停车场系统旅行信息管理系统10个子系统：8.2.3基于GPRS的城市智能交通系统图8-11基于GPRS的城市智能交通网络架构由三个部分组成：监控中心：主要完成信息处理和人机交互工作；GPRS网络：完成信息的上送与下发；现场设备：主要完成现场交通信息的采集和信号灯的控制等。8.3智能医疗8.3.1

智能医疗简介智能医疗：是利用物联网技术，通过打造健康档案医疗信息平台，实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备之间的互动，逐步达到医疗系统的信息化和智能化。系统功能：使医生能够搜索、分析和引用大量科学证据来支持其诊断；通过共建医疗信息共享平台，实现医疗信息和资源的共享和交换，在线预约和双向转诊，“小病在社区，大病进医院，康复回社区”的居民就诊就医模式成为现实。实现形式：建设医疗信息共享平台、电子健康档案/电子病历、移动医疗设备、个人医疗信息门户、远程医疗服务和虚拟医疗团队等。8.3.2

电子病历电子病历：电子档案或叫健康卡。功能：采集、存储、访问和在线帮助，具有全医疗过程的数据管理与处理、一体化集成、智能化服务、多样化展现等一系列功能。特点：既包括于门(急)诊、病房的临床信息，也包括检查检验、病理、影像、心电、超声等医疗技术信息；同时还具有用户授权与认证、使用审计、数据存储与管理、患者隐私保护等基础功能。图8-12电子病历卡服务系统8.3.3

远程医疗远程医疗：通过网络搭建患者、医院、医生之间的会诊平台，实现远程诊断和远程健康管理的服务技术。内容：包括远程影像会诊（兼容传统扫描方式），临床交互会诊，临床资料会诊，病例讨论和多专家会诊等。服务形式：健康管理专家为会员提供疾病风险评估、体质测评、心理咨询，测评报告和生活方式干预案等；会员可以按照自己的意愿申请个性化体检、医疗、私人医生服务及健康管理等。图8-13远程医疗监护系统示意图主要应用：

临床会诊、检查、诊断、监护、指导治疗、医学研究、交流、医学教育和手术观摩等。8.3.4

移动式健康监测主要用于老人、病人、残疾人等的健康诊断和康复训练。图8-14基于WSN的移动式健康及行为监测示意图图8-15基于ZigBee移动式健康监测平台8.4

智能工业智能工业：是指基于物联网将信息技术、网络技术和智能技术应用于工业领域，给工业系统注入“智慧”的综合技术。突出特点：采用计算机技术模拟人在工业生产过程中和产品使用过程中的智能活动，以进行分析、推理、判断、构思和决策，从而去扩大延伸和部分替代人类的脑力劳动，实现知识密集型生产和决策的自动化8.4.1感知机械工业图8-16工程机械GPS智能服务系统

工程机械GPS智能服务系统：原理：通过在工程车辆上安装带有GPS模块和GPRS模块的车载信息采集终端，实时采集车辆的温度、压力、工作时间等运行参数，通过移动网络发送到企业数据库，使企业可以实时监视设备运行状态和各类参数。功能：完成远程管理和车辆租赁工作；在故障发生时提供解决方案，并可以进行遥控锁车等操作。表8-1工程机械GPS智能服务系统运行机制用户远程连接，车辆查询管理，用户设备信息统计、下载及打印，车辆轨迹回放等。报警信息显示、存储及调阅。保养和维护时间信息查询及保养预报。在线查询设备维护手册。远程车辆闭锁。设置车辆活动区域及防盗状态。设定设备回报信息间隔。地图加载管理。遥控及短信指令发送软件功能用户管理主服务器管理员及用户增加、车辆增加管理、登陆控制等。8.4.2感知纺织工业纺织品设备智能化生产过程的自动监控实例：图8-18布匹检测的机器视觉系统布匹自动检测过程：图像采集：由光源、光学系统、摄像机等组成图像采集单元，通过光学系统，由摄像机采集图像，再转换成数字信号传入计算机存储器。图像处理：处理器运用不同的分析算法来处理对决策有重要影响的图像要素。如对图像进行颜色辨识，面积、长度等参数测量，图像增强，边缘锐化，降低噪声等处理。特性提取：处理器识别并量化图像的关键特性，例如布匹的颜色和杂质的形状等等。然后将这些数据传送到控制程序。判决和控制：处理器的控制程序根据收到的数据做出结论。例如：这些数据包括杂质的直径是否在要求规格之内或者布匹的颜色是否合格等。计算机系统实时获得检测结果后，指挥运动系统或I/O系统执行分选等相应的控制动作。

8.4.3感知矿山

系统结构：由感知层、网络层、应用层3层结构组成。图8-19感知矿山系统模型感知层：由大量用于感知环境、机电、人员等特征参数的传感器构成。网络层：设备主要包括铺设在地面、井下的带宽以太网（通常是1G以上的矿井防爆局域光环网）和无线覆盖的PHS、Wi-Fi或ZigBee等移动网络，以及网络交换机、光电转换器、路由器、防火墙、服务器等数据交换和通信设备，共同构建了覆盖整个矿区的信息和通信网络。应用层：是矿区综合信息化系统，包含矿区3维GIS系统、综合自动化系统、人员管理系统、视频监控系统、短信管理平台、矿区应急指挥系统、调度系统等。

网络平台：实现三个感知感知矿工周围环境，实现主动式安全保障；感知矿山设备健康状况，事先预知维修；感知矿山灾害风险，实现各种灾害事故的预警预报。三层结构：骨干网（包括井下和地面）:为1G工业以太光环网，保证系统的高可靠性。感知层网络：为无线传感器网络，通过无线网关分段接入骨干网，实现井下主要工作区域的无线覆盖。服务器集群：采集全矿生产、安全等全部信息。8.5智能农业8.5.1农产品生产精准管理系统图8-21农产品生产精准管理系统模型系统组成：由感知节点、汇聚节点、通信服务器、基于Web的监控中心、农业专家系统、交互式农户生产指导平台组成。感知节点：实时采集作物生长环境信息，以自组织网络形式将信息发送到汇聚节点，由汇聚节点通过GPRS上传到互联网上的实时数据库中。农业专家系统：分析处理相关数据，产生生产指导建议，并以短消息方式通知农户。系统还可：远程控制温室的滴灌、通风等设备，按照专家系统的建议实行温度、水分等自动化管理操作。8.5.2优质水稻育苗的全程感知与控制系统图8-22优质水稻育秧大鹏示意图图8-23水稻育秧大棚智能监控系统平台总体架构技术架构图8-24水稻育秧大棚智能监控系统技术架构系统组成图8-25水稻育秧大棚智能监控系统组成8.5.3基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统

系统结构及工作过程图8-26无线传感器网络节水灌溉控制系统结构图系统组成：

由无线传感节点、无线路由节点、无线网关、监控中心四大部和ZigBee自组织网络和GPRS无线网络两大通信网络组成。工作过程：

各传感节点自动采集土壤信息，通过网关传递给监控中心，监控中心根据预设的温湿度上下限进行分析，判断是否需要灌溉及何时停止，由此控制现场灌溉设备的启停。8.5智能环保意义：结合物联网技术，对水体水源、大气、噪声、放射源、废弃物等进行感知、处置与管理，集智能感知能力、智能处理能力和综合管理能力于一体的新一代网络化智能环保系统。组成：感知环境系统图8-28感知环境系统结构示意图污染源参数指标的智能感知多网快速接入与高效传输传输参数的智能处理应用端的综合管理平台太湖水质感知系统图8-29无锡太湖水质监测点分布图图8-30太湖水质自动监测系统结构图8.6智能物流特点：智能化、一体化、柔性化和社会化；组成：信息的智能获取、智能传递、智能处理和智能利用。基于RFID的食品供应链安全监管系统图8-31基于RFID的食品供应链安全监管系统8.6智能家居智能家居：是以住宅为核心，以物联网技术为支撑，通过智能网络监控设备，构建高效的住宅设施与家庭日程事务管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现节能环保的居住环境。技术特点：是融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通信技术于一体的网络化家居智能控制系统。主要功能：智能家居将让人们用更方便的手段来管理家庭设备和家庭事务；智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给人们带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。组成：室内和室外两部分图8-32智能家居主机

智能家居系统（室内和室外）图8-34智能家居（室内）结构图图8-33智能家居系统（室外）示意图

智能家居控制系统主要包括：中央控制中心，访问控制子系统、视频监控子系统、照明控制子系统、家电控制子系统、家庭安防子系统、室外环境监测子系统以及网络通信系统等。图8-35智能家居控制系统8.9智能安防在物联网的框架下，采用RFID、GPS、音视频监控、红外、火焰及烟感检测、玻璃破碎检测、水浸检测等智能感知技术，可以实现在采集网络的全区域内对所有目标对象进行全程监控。智能小区：是智能安防的典型范例。小区智能安全防护系统主要包括监控中心、安全防范、设备监控和网络通信4个部分。图8-36智能