网络控制理论与技术作业

* 网络控制理论与技术物联网技术与应用专业：控制理论与控制工程学号： S1308110* 姓名： * 2013年11月物联网技术与应用摘要: 近几年来物联网技术受到了人们的广泛关注。本文介绍了物联网技术的研究背景、概念、特征和体系构架。指出了物联网研究中的核心技术，包括RFID技术、无线传感器网络WSN以及RFID与WSN的融合技术。并分析了物联网研究过程中面临的几个主要技术问题，最后介绍了几种物联网在生活中的典型应用。关键词：物联网；RFID1 物联网的概念及内涵早在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。1998年，美国麻省理工大学（MIT）的Sarma、Brock、Siu创造性地提出将信息互联网络技术与RFID技术有机地结合，即利用全球统一的物品编码（EPC ，Electronic Product Code）作为物品标识，利用RFID 实现自动化的“物品”与Internet的联接，无需借助特定系统，即可在任何时间、任何地点、实现对任何物品的识别与管理。 1999年，由美国统一代码委员会（UCC）吉列和宝洁等组织和企业共同出资，在美国麻省理工大学成立Auto-ID Center，在随后的几年中，英国、澳大利亚、日本、瑞士、中国、韩国等国的6所著名大学相继加入Auto-ID Center，对“物联网”相关研究实行分工合作，开展系统化研究，提出最初物联网系统构架： （1）射频标签 （2）识读器 （3）Savant软件 （4）对象名称解析服务（ONS） （5）实体标记语言服务器（PML-Server） 2003年11月1日，国际物品编码组织（GS1）出资正式接管EPC系统，并组成EPC Global进行全球推广与维护。与此同时，原6所大学的AUTO-ID实验室转到EPC Global下的技术组，作为EPC实验室，继续对EPC系统的应用提供技术支持，提出物联网系统架构： （1） EPC编码 （2） EPC标签 （3） 读写器 （4） 中间件 （5） 对象名称解析服务（ONS） （6） EPC信息服务（EPCIS） 2005年，国际电信联盟（ITU）正式称“物联网”为“The Internet of things”，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；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 物联网的发展现状从国际上看，欧盟、美国、日本等国都十分重视物联网的工作，并且已作了大量研究开发和应用工作。它的核心是利用信息通信技术(ICT)来改变未来产业发展模式和结构(金融、制造、消费和服务等)，改变政府、企业和人们的交互方式以提高效率、灵活性和响应速度。把ICT技术充分用到各行各业，把感应器嵌入到全球每个角落，例如电网、交通(铁路、公路、市内交通)等相关的物体上。并利用网络和设备收集的大量数据通过云计算、数据仓库和人工智能技术作出分析给出解决方案。把人类智慧赋予万物，赋予地球。他们提出“智慧地球、物联网和云计算”就是美国要作为新一轮IT技术革命的领头羊的证明。在北京2009年11月全球物联网会议上，他们介绍了欧盟物联网行动计划(Internet of things -An action plan for Europe)其目的也是企图在“物联网”的发展上引领世界。在欧盟较为活跃的是各大运营商和设备制造商，他们推动了M2M(机器与机器)的技术和服务的发展。我国在“物联网”的启动和发展上与国际相比并不落后，我国中长期规划新一代宽带移动无线通信网中有重点专项研究开发“传感器及其网络”，国内不少城市和省份已大量采用传感网解决电力、交通、公安、农渔业中的“M2M”等信息通信技术的服务。作为国家层面成立了传感器的网络标准工作组。而中国通信标准化协会也启动了基于互联网的物联网和基于电信网的物联网的相关标准和研究课题的申报工作。中国的几大电信运营商积极投入“物联网”的技术开发和应用的工作：物流信息化、公交视频化、校讯通、农村信息化、渔牧业监控、水文水质等。在温总理关于“感知中国”的讲话后我国“物联网”的研究、开发和应用工作进入了高潮，江苏省无锡市一马当先率先提出建立“感知中国”研究中心，中国科学院、运营商、知名大学云集无锡共同协力发展我国的物联网。3 物联网原理物联网（IOT）的特征：（1）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。 （2）可靠传输 通过网络将感知的各种信息进行实时传送。 （3）智能处理 利用计算机技术，及时地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。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。 物联网（IOT）结构示意图如图1所示。图1 物联网结果示意图物联网核心技术1.RFIDRFID（Radio Frequency Identification ）即射频识别技术，俗称电子标签，通过射频信号自动识别目标对象，并对其信息进行标志、登记、储存和管理。 RFID系统由以下三部分组成：电子标签：由芯片和标签天线或线圈组成，通过电感耦合或电磁反射原理与读写器进行通信； 读写器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备 ； 天线：可以内置在读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器天线接口相连。 RFID系统工作原理： （1）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。 （2）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。 （3）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。 （4）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。 2.WSN传感器 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 。 无线传感器网络（WSN） 无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。 WSN的特征:与现有无线网络的差别 WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大（上千甚至上万），节点分布更为密集； 由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障； 环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化； 通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的； 传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等十分有限； 传统无线网络的首要设计目标是提高服务质量和高效率带宽利用，其次才考虑节约能源；而WSN的首要设计目标是能源的高效使用，这也是WSN和传统网络最重要的区别之一。 传感器节点的限制 电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限。 WSN的特点 大规模网络、自组织网络、动态性网络、可靠的网络、应用相关的网络、以数据为中心的网络。 3. RFID和WSN融合 RFID侧重于识别，能够实现对目标的标识和管理，同时RFID系统具有读写距离有限、抗干扰性差、实现成本较高的不足；WSN侧重于组网，实现数据的传递，具有部署简单，实现成本低廉等优点，但一般WSN并不具有节点标识功能。RFID与WSN的结合存在很大的契机。 RFID与WSN可以在两个不同的层面进行融合：物联网架构下RFID与WSN的融合，传感器网络架构下RFID与WSN的融合。4 主要问题物联网研究面临五个主要技术问题：（1）技术标准问题世界各国存在不同的标准。中国信息技术标准化技术委员会于2006年成立了无线传感器网络标准项目组。2009年9月，传感器网络标准工作组正式成立了PG1(国际标准化)、PG2(标准体系与系统架构)、PG3(通信与信息交互)、PG4(协同信息处理)、PG5(标识)、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(电力行业应用调研)等8个专项组，开展具体的国家标准的制定工作。 （2）安全问题信息采集频繁，其数据安全也必须重点考虑。（3）协议问题物联网是互联网的延伸，在物联网核心层面是基于TCP/IP，但在接入层面，协议类别五花八门，GPRS/CDMA、短信、传感器、有线等多种通道，物联网需要一个统一的协议栈。 （4）IP地址问题每个物品都需要在物联网中被寻址，就需要一个地址。物联网需要更多的IP地址，IPv4资源即将耗尽，那就需要IPv6来支撑。IPv4向IPv6过渡是一个漫长的过程，因此物联网一旦使用IPv6地址，就必然会存在与IPv4的兼容性问题。（5）终端问题。物联网终端除具有本身功能外还拥有传感器和网络接入等功能，且不同行业需求千差万别，如何满足终端产品的多样化需求，对运营商来说是一大挑战。5 物联网的应用1. 个人保健人身上可以安装不同的传感器，对人的体温、血压、心电图和血氧等健康参数进行监控，并且实时传送到相关的医疗保健中心，如果有异常，保健中心通过手机，提醒您去医院检查身体。2. 平安城市建设利用部署在大街小巷的全球监控探头，实现图像敏感性智能分析并与110、119、112等交互，实现探头与探头之间、探头与人、探头与报警系统之间的联动，从而构建和谐安全的城市生活环境。3. 未来数字家庭数字家庭是以计算机技术和网络技术为基础，包括各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智能家居等，通过不同的互连方式进行通信及数据交换,实现家庭网络中各类电子产品之间的“互联互通”的一种服务。 数字家庭的四大功能：信息、通信、娱乐和生活。 4. 文物保护对珍贵的古老建筑进行保护，是文物保护单位长期以来的一个工作重点。将具有温度、湿度、压力、加速度、光照等传感器的节点布放在重点保护对象当中，无需拉线钻孔，便可有效地对建筑物进行长期的监测。此外，对于珍贵文物而言，在保存地点的墙角、天花板等位置，监测环境的温度、湿度是否超过安全值，可以更妥善地保护展览品的品质。5. 空间、海洋探索探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围、长时期、近距离的监测和探索，是一种经济可行的方案。NASA的JPL实验室研制的Sensor Webs就是为将来的火星探测、选定着陆场地等需求进行技术准备的。现在该项目已