物联网工程概论论.doc

湖南信息学院论文物联网工程概论学生姓名：乐昌国学 号：201201266122年级专业：二一二级电子信息工程专业指导老师：李仲春二级学院：电子信息工程学院湖南长沙提交日期：2015年1月目 录摘要31 物联网的概述41.1定义41.2 发展状况41.3框架结构41.4关键体系41.4.141.4.24参考文献8致 谢9 物联网工程概论 作 者：乐昌国 指导老师：李仲春 (湖南信息学院电信学院2012级电子信息工程专业，长沙 410151)摘要：物联网是一种新出现的网络形式，相关的理论研究与实践应用正在探索的过程中。本文介绍了物联网的概念，给出了基于智能物体层、数据传输层、信息关联层、应用服务层的物联网四层体系架构，本文探讨了物联网在现实过程中在各种生活、公共、科研等方面的应用与带给人类的多种多样的便捷服务与福利。关键词：物联网、EPC和RFID 、传感器、连接。 1 物联网的概述一、概念物联网（InternetofThings）这个概念最早是由麻省理工的Auto-ID中心在1999年提出，是继计算机、互联网之后的又一次信息科技革命，是自动化和信息化的融合，它的最高目标是要实现实时获取任何地点以及任何需要监控、连接、互动的物体或过程的信息，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种有用的信息，通过各种可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。其基本想法是将RFID和其他传感器相互连接，形成RFID架构的分布式网络。欧洲委员会提出“物联网是未来因特网的综合部分之一，可以被定义为一个动态的全球网络基础。基于标准的和互操作的通信协议，无论物理的还是虚拟的“物”均有身份、物理属性和虚拟特质，具备自配置能力且使用智能接口，可以无缝地集成到信息网络中去。”11定义本人认为，物联网实质上是将真实世界映射到虚拟世界的过程：真实世界中的事物，通过传感器采集一定的数据，在虚拟世界中形成与之对应的事物。“相关物体可能在虚拟电子空间中被创造出来，源于物理物体空间，且与物理空间的物体有关联。”传感器采集到数据的详细程度，将影响到该事物在虚拟世界中的抽象程度。在虚拟世界中，对该事物最简单也最重要的描述是物体提供了一个ID用于识别（如使用RFID标签），最详细的描述则是真实世界中该事物的所有属性和状态均可在虚拟世界中被观察到。进一步的，在虚拟世界中对该物体做出控制，则可通过物联网改变真实世界中该物体的状态。对于一个真实的事物，其所需的各种应用与操作，只需在虚拟世界中对与之对应的虚拟事物进行应用和操作，即达到目的。这样将会对世界带来巨大的改变：实地实时监测和控制一个事物的成本是高昂的，通过物联网，所有事物都将在虚拟世界中被找到，以较低的成本被监测和控制，从而实现4A（anytime,anyplace,anyone,anything）连接。虚拟世界提供了对所有事物的实时追踪的可能，所有的信息都不是孤立的，这将为各种海量运算和分析提供了最基础和最重要的信息源。真实世界存在于某一时刻，而当物联网发展到能将真实世界中的所有事物都映射到虚拟世界中时，无数个某一时刻的世界汇集起来，在虚拟世界中将形成一个可以追溯的历史，如同过去以纸质保存历史事件的发生，将来将以电子数据对所有事物进行全息描述的形式存储世界的历史。1、统一标准物联网其实就是利用物体上的传感器和嵌入式芯片，将物质的信息传递出去或接收进来，通过传感网络实现本地处理，并联入到互联网中去。由于涉及到不同的传感网络之间的信息解读，所以必需有一套统一的技术协议与标准，而且主要是集中在互联上，而不是传感器本身的技术协议。现在很多所谓的物联网标准，实际上还是将物联网作为一种独立的工业网络来看待的具体技术标准，而应对互联需要的技术协议，才是真正实现物联网的关键。2、安全、隐私在物联网中所有“事物”都连接到全球网络，彼此间相互通信，这也带来了新的安全和隐私问题，例如可信度，认证，以及事物所感知或交换到的数据的融合。人和事物的隐私应该得到有效保障，以防止未授权的识别和攻击。安全与隐私这个问题，是人类社会的问题，不论是物联网还是其他技术，都是面临这两个问题。因此，不仅要从物联网内部的技术上做出一定的控制，而且要从外部的法规环境上作出一定的司法解释和制度完善。12 发展状况在物联网这个新兴产业中，我国的物联网技术研发和产业化水平已经处于世界前列，掌握了一定物联网世界话语权。当前，以政府为主导、产学研相结合共同推动发展的良好态势正在国内形成。我国政府高度重视物联网的研发和应用工作，国家中长期科学与技术发展规划(20062020年)和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。“射频识别(RFID)技术与应用”也于2006年作为先进制造技术领域的重大项目列入国家高技术研究发展计划(863计划)。中国科学院早在1999年就启动了传感网研究，组成了2000多人的团队，已经投入数亿元，目前已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链，现在物联网技术可以应用于生活、工作、科研、工业生产等各个方面，具有巨大的潜力与提升空间。1.3框架结构物联网的技术框架结构物联网的技术体系框架如图2所示，它包括感知层技术、网络层技术、应用层技术和公共技术。1. 感知层：数据采集与感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。传感器网络组网和协同信息处理技术实现传感器、RFID等数据采集技术所获取数据的短距离传输、自组织组网以及多个传感器对数据的协同信息处理过程。2. 网络层：实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，需要传感器网络与移动通信技术、互联网技术相融合。经过十余年的快速发展，移动通信、互联网等技术已比较成熟，基本能够满足物联网数据传输的需要。3.应用层：应用层主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。其中应用支撑平台子层用于支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。应用服务子层包括智能交通、智能医疗、智能家居、智能物流、智能电力等行业应用。4. 公共技术：公共技术不属于物联网技术的某个特定层面，而是与物联网技术架构的三层都有关系，它包括标识与解析、安全技术、网络管理和服务质量(QoS)管理。1.4关键体系一、体系架构目前,物联网还没有一个广泛认同的体系结构，最具代表性的物联网架构是欧美支持的EPCglobal和日本的UID物联网系统。EPC系统由EPC编码体系、射频识别系统和信息网络系统3部分组成。UID技术体系架构由泛在识别码(uCode)、泛在通信器、信息系统服务器、和ucode解析服务器等4部分构成。EPCglobal和UID上只是RFID标准化的团体，离全面的“物联网”体系架构相去甚远。 美国的IBM公司在2008年提出“智慧的地球”这一与物联网概念相近的概念，并提出通过INSTRUMENTED，INTERCONNECTED和INTELLIGENT这三个层面来实现智慧地球。在文献基础上，如图3所示、本文提出了物联网体系架构。1、智能物体层：通过传感器捕获和测量物体相关数据，实现对物理世界的感知。同时具备局部的互动性，需要一定的存储和计算能力。2、数据传输层：以有线或无线的方式实现无缝、透明、安全的接入，提供并实施编码、认知、鉴权、计费等管理。3、信息关联层：通过云计算实施对海量数据的存储和管理、数据处理与融合，屏蔽其异质性与复杂性，形成一个与真实世界对应的虚拟世界。4、应用服务层：从虚拟世界中提取信息，提供丰富的面向服务的应用。如智能交通、智能电网、智能医疗等等。需要指出的是，数据由底部的传感器通过网络到达应用服务层面，而实际上，在服务应用层面，各个中心、用户可以反向的通过网络由执行器对物体进行控制。在该体系结构中，感知层面的各种传感器、执行器都是具体的，随着技术的发展会不断升级，新设备不断引入物联网。而服务应用层的各种需求也是不断提出的，并不是一层不变的。若是每个具体的服务应用和传感设备都形成一个独立的网络，最后可能形成许多套特殊的网络，这不利于推广和不便于维护。因此这需要物联网的网络层有一定前瞻性，物体设备层可以变化，服务应用层可以变化，但它们都是通过一个普适的网络进行连接，这个网络可以在一定的时间内保持稳定。2 物联网的关键技术2.1 EPC和RFIDEPC统一了对世界范围内商品的标识编码的规则，并应用与RFID系统中，联合网络技术而组成了EPC系统。EPC规定了用数字信息的形式存储与和具体的商品实物固定在一起得RFID应答器中。其中EPC数字信息代表了该商品的生产地区、生产商、生产日期、产品属性等数据信息。RFID直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的电磁新技术RFID技术。它主要是由应答器、阅读器和高层组成。EPCRFID技术是以网络为支撑的大系统，射频识别和无线通信。它一方面利用现有的Internet网络资源，另一方面可在世界范围内构建出实物互联网。在这个由RFID电子标签、识别设备、Savant服务器、Internet、0NS服务器、EPC信息服务系统以及众多数据库组成的实物互联网中，识别设备读出的EPC码只是一个指针，由这个指针从Internet找到相应的IP地址，并获取该地址中存放的相关物品信息，交给Savant软件系统处理和管理。2.2 传感器技术传感器技术是物联网的基础技术之一，处于物联网技术的感知层。目的是实现互联互通。人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要物联网传感器。因此可以说，物联网传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感技术是计算机应用中的重要技术，在物联网中更显得尤为重要。物联网需要依靠传感技术进行采集并且将采集到的信息转变成数字信号进行传输。也就是说传感技术是物联网最前端的感觉细胞，将收集到的信息传递给大脑进行分析，然后再处理大脑反馈的信息。2.3 云计算技术云计算是一种基于互联网的计算方式，是分布式处理、并处理和网格计算的发展。实质是计算、存储、服务器、应用软件等IT软硬件资源的虚拟化。云计算的基本形态就是将数据计算从本地转移到服务器端，本地只是进行数据的传输与执行。2.4 智能处理技术物联网是走向智能社会的一个重要步骤，物联网要达到感知世界的目的，需要借助高度智能化的处理技术。人工智能化是智能处理技术的基本形式、智能系统与环境之间的交互作用、通过感知-动作与反馈机制，进行现场交互涌现出智能行为，为人类提供更好的智能服务，满足人们的各种需求。 3.物联网的应用3.1智能电网智能电网是将物联网技术与智能电网的需求相结合，实现电网智能化应用的解决方案。智能电网通过应用层最终实现信息技术与智能电网的深度融合，对智能电网的发展具有广泛的影响。应用层的关键在于在信息化的过程中，能满足电网系统的各个环节，进行智能交流，实现精确供电、互补供电、提高能源利用率、供电安全，节省用电成本的目标的各信息元的需求分析以及信息的内部共享。3.2智能交通针对目前交通信息采集手段单一，数据收集方式落后，缺乏全天候实时提供现场信息的能力的实际情况，以及道路拥堵疏通和车辆动态诱导手段不足，突发交通事件的实时处置能力有待提升的工作现状，基于物联网架构的智能交通体系综合采用线圈、微波、视频、地磁检测等固定式的多种交通信息采集手段，结合出租车、公交及其他勤务车辆的日常运营，采用搭载车载定位装置和无线通讯系统的浮动车检测技术，实现路网断面和纵剖面的交通流量、占有率、旅行时间、平均速度等交通信息要素的全面全天候实时获取。通过路网交通信息的全面实时获取，利用无线传输、数据融合、数学建模、人工智能等技术，结合警用GIS系统，实现交通堵塞预警、公交优先、公众车辆和特殊车辆的最优路径规划、动态诱导、绿波控制和突发事件交通管制等功能。通过路网流量分析预测和交通状况研判，为路网建设和交通控制策略调整、相关交通规划提供辅助决策和反馈。3.3智能家居智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技 术将家居生活有关的设备集成形成智能家居系统的居住环境。物联网智能家居通过家居智能管理系统的设备来实现家庭安全、舒适、信息交互与通信的能力。本文结合了物联网和智能家居的相关技术，将传感器、控制器等设备通过无线技术连接和采集数据信息的处理，实现了使用传感器采集室内温度，光线等数据，在嵌入式终端中进行信息的读取和处理，做出相应的操作。 整个过程涉及到基于 ZigBee 的无线传感网络和 GPRS 手机通信模块的应用。3.4智能农业开发基于物联网感应的农业灌溉控制系统，达到节水、节能、高效的目的。利用传感器感应土壤的水分并控制灌溉系统以实现自动节水节能，可以构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。 农业灌溉是我国的用水大户，其用水量约占总用水量的70。据统计，因干旱我国粮食每年平均受灾面积达两千万公顷，损失粮食占全国因灾减产粮食的 50。长期以来，由于技术、管理水平落后，导致灌溉用水浪费十分严重，农业灌溉用水的利用率仅40。如果根据监测土壤墒情信息，实时控制灌溉时机和水量，可以有效提高用水效率。而人工定时测量墒情，不但耗费大量人力，而且做不到实时监控；采用有线测控系统，则需要较高的布线成本，不便于扩展，而且给农田耕作带来不便。因此，设计一种基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过ZigBee自组网方式构成，从而避免了布线的不便、灵活性较差的缺点，实现土壤墒情的连续在线监测，农田节水灌溉的自动化控制，既提高灌溉用水利用率，缓解我国水资源日趋紧张的矛盾，也为作物生长提供良好的生长环境。3.5智能医疗智能医疗是通过打造健康档案区域医疗信息平台，利用最先进的物联网技术，实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备之间的互动，逐步达到信息化。将物联网技术应用到医疗、健康管理、老年健康照护等，可以实现各种医学数据的交换和无缝连接，医疗卫生保健服务状况进行实时动态监控、连续跟踪管理，还能帮助医护人员精准的医疗健康决策，也就是我们所称的“智能医疗”。“智能医疗”物联网应用可以实现人与物的互联互通，多个对象不同维度的数据汇聚成海量数据，以计算机、物联网技术进一步对海量数据进行挖掘，对各种健康风险因素进行全面检测分析，通过远程无线健康管理服务平台，可大大缓解看病难的困境。在健康管理、慢性病管理、医疗救助，移动医护服务，医用资源管理，远程手术，电子健康档案，区域健康检查等方面，智能医疗物联网都有很大的发挥空间。4.物联网的展望物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”。经过几十年的演变，以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见；小到人们身