物联网技术及其在车辆中的应用23.doc

物联网技术及其在车辆中的应用物联网技术及其在车辆中的应用 黄胜龙黄胜龙 20112011 年年 5 5 月月 1818 日日 目 录 1 物联网技术发展物联网技术发展 3 1 1 感知层技术 3 1 2 网络层技术 5 1 3 应用层技术 12 2 物联网的应用物联网的应用 13 2 1 物联网在生活中的应用范围 13 2 2 物联网在国内外的应用 16 2 3 物联网在车辆中的应用 18 1 物联网技术发展物联网技术发展 物联网可分为三层 感知层 网络层和应用层 感知层是物联网的皮肤和五官识别物体 采集信息 感知层包括二维码标签和识读器 RFID 标签和 读写器 摄像头 GPS 传感器 终端 传感器网络等 主要是识别物体 采集信息 与人体结构中皮肤 和五官的作用相似 网络层是物联网的神经中枢和大脑信息传递和处理 网络层包括通信与互联网的融合网络 网络管 理中心 信息中心和智能处理中心等 网络层将感知层获取的信息进行传递和处理 类似于人体结构中的 神经中枢和大脑 应用层是物联网的 社会分工 与行业需求结合 实现广泛智能化 应用层是物联网与行业专业技 术的深度融合 与行业需求结合 实现行业智能化 这类似于人的社会分工 最终构成人类社会 1 1 感知层技术 1 传感器技术 传感技术同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱 从仿生学观点 如果把计算机 看成处理和识别信息的 大脑 把通信系统看成传递信息的 神经系统 的话 那么传感器就是 感觉 器官 传感技术是关于从自然信源获取信息 并对之进行处理 变换 和识别的一门多学科交叉的现代科 学与工程技术 它涉及传感器 又称换能器 信息处理和识别的规划设计 开发 制 建造 测试 应 用及评价改进等活动 获取信息靠各类传感器 它们有各种物理量 化学量或生物量的传感器 按照信息 论的凸性定理 传感器的功能与品质决定了传感系统获取自然信息的信息量和信息质量 是高品质传感技 术系统的构造第一个关键 信息处理包括信号的预处理 后置处理 特征提取与选择等 识别的主要任务 是对经过处理信息进行辨识与分类 它利用被识别 或诊断 对象与特征信息间的关联关系模型对输入的 特征信息集进行辨识 比较 分类和判断 因此 传感技术是遵循信息论和系统论的 它包含了众多的高 新技术 被众多的产业广泛采用 它也是现代科学技术发展的基础条件 应该受到足够地重视 微型无线传感技术以及以此组件的传感网是物联网感知层的重要技术手段 2 射频识别 RFID 技术 射频识别 Radio Frequency Identification 简称 RFID 是通过无线电信号识别特定目标并读写 相关数据的无线通讯技术 在国内 RFID 已经在身份证件 电子收费系统和物流管理等领域有了广泛的 应用 RFID 技术市场应用成熟 标签成本低廉 但 RFID 一般不具备数据采集功能 多用来进行物品的身份 甄别和属性的存储 且在金属和液体环境下应用受限 RFID 技术属于物联网的信息采集层技术 物联网主要涉及电子标签 传感器 芯片及智能卡等三大领域 而在对传感网技术的开发和市场的 拓展中 其中非常关键的技术之一是 RFID 技术 实质是利用 RFID 技术结合已有的网络技术 数据库技术 中间件技术等 构筑一个由大量联网的阅 读器 Reader 和无数移动的标签 Tag 组成比互联网更为庞大的物联网 因此 RFID 技术成为物联网发展的排 头兵 RFID 技术是 Radio Frequency Identification 的缩写 即射频识别技术 是一项利用射频信号通过 空间电磁耦合实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到物体识别的技术 RFID 系统主要由三部分组成 电子标签 Tag 读写器 Reader 和天线 Antenna 其中 电子 标签芯片具有数据存储区 用于存储待识别物品的标识信息 读写器是将约定格式的待识别物品的标识信 息写入电子标签的存储区中 写入功能 或在读写器的阅读范围内以无接触的方式将电子标签内保存的 信息读取出来 读出功能 天线用于发射和接收射频信号 往往内置在电子标签或读写器中 RFID 技术的工作原理是 电子标签进入读写器产生的磁场后 接收解读器发出的射频信号 凭借感 应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息 无源标签或被动标签 或者主动发送某一频率的 信号 有源标签或主动标签 解读器读取信息并解码后 送至中央信息系统进行有关数据处理 RFID 按应用频率的不同分为低频 LF 高频 HF 超高频 UHF 微波 MW 相对应的代表性频 率分别为 低频 135KHz 以下 高频 13 56MHz 超高频 860M 960MHz 微波 2 4G 5 8G 目前 实际 RFID 应用以低频和高频产品为主 但超高频标签因其具有可识别距离远和成本低的优势 未来将有望逐渐成为 主流 据统计 2008 年全球 RFID 市场规模将从去年的 49 3 亿美元上升到 52 9 亿美元 这个数字覆盖了 RFID 市场的方方面面 包括标签 阅读器 其他基础设施 软件和服务等 RFID 卡和卡相关基础设备将 占今年市场的 57 3 达 30 3 亿美元 来自金融 安防行业的应用 如非接触支付 门禁控制将推动 RFID 卡类市场的增长 全球标签使用数将达到 21 6 亿个 2007 年为 17 4 亿个 而 2006 年仅为 10 2 亿个 在所有 21 6 亿个标签使用量中 强制性的货盘和货箱贴标应用的标签将为 3 25 亿个 即占总量的 15 除零售商强 制要求应用外 零售业标签的总体应用量都呈上升趋势 动物贴标应用快速增长 特别是中国和澳大利亚 新西兰等国家 2009 年动物贴标应用将消费 900 万个标签 智能纸质标签是最主要的标签应用形式 据预测 到 2018 年 RFID 纸质标签将占标签总数 的 99 1 2009 年中国 RFID 市场规模将达到 50 亿元 年复合增长率为 33 其中电子标签超过 38 亿 元 读写器接近 7 亿元 软件和服务达到 5 亿元的市场格局 3 微机电系统 MEMS 微机电系统 Micro Electro Mechanical Systems 简称 MEMS 是指利用大规模集成电路制造工艺 经过微米级加工 得到的集微型传感器 执行器以及信号处理和控制电路 接口电路 通信和电源于一体 的微型机电系统 MEMS 技术近几年的飞速发展 为传感器节点的智能化 小型化 功率的不断降低制造了成熟的条件 目前已经在全球形成百亿美元规模的庞大市场 近年更是出现了集成度更高的纳米机电系统 Nano Electromechanical System 简称 NEMS 具有微型化 智能化 多功能 高集成度和适合大批量生产等 特点 MEMS 技术属于物联网的信息采集层技术 4 GPS 技术 GPS 又称为全球定位系统 Global Positioning SystemGPS 是具有海 陆 空全方位实时三维导 航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统 GPS 是由空间星座 地面控制和用户设备等三部分构成的 GPS 测量技术能够快速 高效 准确地提供点 线 面要素的精确三维坐标以及其他相关信息 具有全天 候 高精度 自动化 高效益等显著特点 广泛应用于军事 民用交通 船舶 飞机 汽车等 导航 大地 测量 摄影测量 野外考察探险 土地利用调查 精确农业以及日常生活 人员跟踪 休闲娱乐 等不同领 域 GPS 作为移动感知技术 是物联网延伸到移动物体采集移动物体信息的重要技术 更 是物流智能化 可视化重要技术 是智能交通重要技术 1 2 网络层技术 网络层是物联网的神经中枢和大脑 用于传递信息和处理信息 网络层包括通信网与互联网的融合网 络 网络管理中心 信息中心和智能处理中心等 网络层将感知层获取的信息进行传递和处理 类似于人 体结构中的神经中枢和大脑 网络层解决的是传输和预处理感知层所获得数据的问题 这些数据可以通过移动通信网 互联网 企业内部网 各类专网 小型局域网等进行传输 特别是在三网融合后 有线电视网也能承担物联网网络 层的功能 有利于物联网的加快推进 网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术 网络技 术等 物联网的网络层将建立在现有的移动通信网和互联网基础上 物联网通过各种接入设备与移动通信 网和互联网相连 例如手机付费系统中由刷卡设备将内置手机的 RFID 信息采集上传到互联网 网络层完 成后台鉴权认证 并从银行网络划账 网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技 术 包括传感网数据的存储 查询 分析 挖掘和理解 以及基于感知数据决策的理论与技术 云 计算平台作为海量感知数据的存储 分析平台 将是物联网网络层的重要组成部分 也是应用层众多应用 的基础 在产业链中 通信网络运营商和云计算平台提供商将在物联网网络层占据重要的地位 物联网的核心技术之组网 OSI 网络层 组网要解决的问题 在不同网络拓扑下信息元 如数据包 的发送路径 尤其是大范围 MESH 拓扑 自身或其他节点移动 时 路由能力需要高度智能化 数据流的分布与管理 数据源节点 目标节点的分布 接入点位置 利用跨层信息优化路径和系统各个指标 移动性 稳定性 寿命等 2 通用组网技术 条件组网 基于各种预设的索引信息 支持较大网络容量 算法简单 但移动性差 鲁棒性差 安装维护严重依赖人工 如 IP v4 IP v6 Zigbee HierarchicalStateRoutig GeographicalRoutig TORA 等 无条件组网 完全自组模式 支持移动节点 鲁棒性较强 但算法复杂 通讯需求较高 对节点功 耗和运算能力也较高 如 DSDV AODV DSR 等 3 研究前沿 高效 大规模 完全自组网算法和相关智能化算法 如功耗 流量均衡 链路优化 数据延时优化等 多种接入方式兼容技术 目前网络多采用 IP 架构 需后 IP 时代的兼容技术 异构网络发现 识别 网际语义理解技术 物联网引起全世界的广泛关注以来 终端数量持续上升 逐渐成为上百亿终端的市场 给网络运营 提出了两个方面的挑战 首先是码号寻址需求 从国际和国内两个方面看 IPv4 地址不足已经成为不争 的事实 一方面 截止到 2010 年 3 月 全球可分配的 A 类 IPv4 地址段只剩下 22 个 预计 2012 年亚洲地 址管理分支机构 APNIC 的 IPv4 地址池将耗尽 届时国内公司将无法再申请到 IPv4 地址 另一方面 我国 已获得的 IPv4 地址份额只占到全球的 6 3 势必影响我国巨大潜在市场的发展 由此可见 IPv4 地址尚 不能满足互联网和移动互联网的地址需求 对于发展中的物联网 特别是具有数量众多的感知层节点的标 识问题 这个问题更为明显 其次 物联网业务发展问题也凸显出现 目前 感知终端上的数据格式多种 多样 难以统一管理运营 新型业务难以落地 由于缺乏统一的网络层通信标准 应用程序的开发处于无 章可循的状态 且广泛基于 TCP IP 协议栈开发的互联网应用不容易移植 因此 物联网的发展需要统一 标准的协议来支撑网络向大规模泛在化发展 也需要一个标准的网络基础设置来孵化各种新型的业务模式 真正实现 无处不在的网络 无所不能的业务 基于这两个方面的需求 物联网和 IPv6 产生了广泛的联系 IETF 从一开始研究物联网相关技术以来 就把 IPv6 作为惟一选择 IETF 相关工作组的工作都是在 IPv6 基础上展开的 相关的产业联盟 IPSO Alliance IP Smart Object Alliance 也开始了 IPv6 产品化推广的路线 最初不支持 IP 相关技术的 Zigbee 组织 也在其智能电网 Smart Energy 的最新标准规范中加入了对 IPv6 协议的支持 本文介绍了物联网感知层的 IPv6 协议标准化动态 介绍了 IPv6 技术在 IETF IPSO Zigbee ISA 100 多 个标准化组织的基本原理和工作进展 2 IETF 工作进展 IETF 成立了 3 个工作组来进行低功耗 IPv6 网络方面的研究 6LowPan IPv6 over Low power and Lossy Networks 工作组主要讨论如何把 IPv6 协议适配到 IEEE 802 15 4 MAC 层和 PHY 层协议栈上的工作 RoLL Routing Over Low Power and Lossy Networks 主要讨论低功耗网络中的路由协议 制订了各个 场景的路由需求以及传感器网络的 RPL Routing Protocol for LLN 路由协议 CoRE Constrained Restful Environment 工作组由 6LowApp 兴趣小组发展而来 主要讨论资源受限网络环境下的信息读取 操控问题 旨在制订轻量级的应用层协议 Constrained Application Protocol CoAP 2 1 6LowPan 工作组 6LowPan 工作组成立于 2006 年 属于 IETF 互联网领域 该工作组已完成两个 RFC 在低功耗网络 中运行 IP6 协议的假设 问题和目标 RFC4919 Informational 在 IEEE802 15 4 上传输 IPv6 报文 RFC4944 Proposed Standard 在 IEEE 802 15 4 网络中运行 IPv6 协议的主要挑战来自于两个方面 一方面 802 15 4 物理层支持的最大 帧长度是 127 字节 而 IPv6 的报头就占据了 40 字节 再加上 MAC 层报头 安全报头 传输层报头的长度 实际能够给应用层使用报文长度变得非常小 另一方面 IPv6 协议 RFC2460 中规定的 MTU 值最小是 1280 字节 表明 IP 层最小只会把数据包分片到 1280 字节 如果链路层支持的 MTU 小于此值 则链路层 需要自己负责分片和重组 所以 6LowPan 工作组为 IEEE 802 15 4 设计了一个适配层 把 IPv6 数据包 适配到 IEEE 802 15 4 规定的物理层和链路层之上 支持报文分片和重组 同时 6LowPan 规定了 IPv6 报 头的无状态压缩方法 减小 IPv6 协议带来的负荷 6LowPan 工作组的工作在低功耗节点协议栈中的位置 如图 1 所示 图 1 6LowPan 协议栈模型 报头压缩的主要原理是通过压缩编码省略掉报头中冗余的信息 不包含扩展头的 IPv6 报头一共有 40 个字节 但是在网络感知层 IPv6 报头中的很多信息可以省略或者压缩 IPv6 报头中的各个信息域的压 缩方法如下 1 版本号 Version 4 位 取值为 6 在运行 IPv6 协议的网络中 此项可以省略 2 流类型 Traffic Class 8 位 可以通过压缩编码压缩 3 流标识 Flow label 20 位 可以通过压缩编码压缩 4 载荷长度 Payload Length 16 位 可以省略 因为 IP 头长度可以通过 MAC 头中的载荷长度 字段计算出来 5 下一个头 Next Header 8 位 可以通过压缩编码压缩 假设下一个头是 UDP ICMP TCP 或 者扩展头的一种 6 跳极限 Hop Limit 8 位 惟一不能进行压缩的信息 7 源地址 Source Address 128 位 可以进行压缩 省略掉前缀或者 IID 8 目标地址 Destination Address 128 位 可以进行压缩 省略掉前缀或者 IID 为了对 IPv6 报头进行无状态压缩 6LowPan 工作组制定了两种压缩算法 LOWPAN HC1 RFC4944 和 LOWPAN IPHC draft ietf 6LowPan hc 06 其中 HC1 算法用于使用本地链路地址 Link local Address 的网络 节点的 IPv6 地址前缀固定 FE80 10 IID 可以由 MAC 层的地址计算而来 但是 这种算法不能有效压缩全局的可路由地址和广播地址 因此不能用于 LOWPAN 网络与互联网互访的应用 LOWPAN IPHC 算法的提出主要是为了有效压缩可路由的地址 目前 LOWPAN IPHC 算法正在 IETF 6LowPan 工作组进行最后的修订状态 LOWPAN HC1 算法和 LOWPAN IPHC 算法在 MAC 报头之后定义了 8 位的一个选择报头 此选择报头的取 值决定了压缩报头的具体格式和算法 详细信息见表 1 例如 如果前 8 位的取值是 01000001 那么表示 接下来是 LOWPAN HC1 算法对应的压缩报头 如果前 3 位的取值是 011 那么表示接下来的是 LOWPAN IPHC 算法对应的压缩报头 表 1 6LowPan 选择报头的含义 在选择报头后紧跟的是压缩编码 压缩编码由一些指示位组成 指示位的不同取值表明了 IPv6 报头 压缩的不同方法 具体参见 RFC4944 除了 IPv6 无状态报头压缩的方法之外 6LowPan 工作组还制定了一系列相关标准 包括支持 Mesh Routing 的方法 简化的 IPv6 Neighbor Discovery 协议 应用场景和路由需求等几个关键的技术规范 6LowPan 工作组是 IETF 物联网感知层工作的发源地 其中的很多研究和探索直接影响了另外几个工作组 的成立和方向 下面将分别介绍 2 2 IPv6 路由工作组 RoLL RoLL Routing over Lossy and Low power Networks 工作组于 2008 年 2 月成立 属于 IETF 路由 领域的工作组 IETF RoLL 工作组致力于制定低功耗网络中 IPv6 路由协议的规范 ROLL 工作组的思路是 从各个应用场景的路由需求开始 目前已经制定了 4 个应用场景的路由需求 包括家庭自动化应用 Home Automation RFC5826 工业控制应用 Industrial Control RFC5673 城市应用 Urban Environment RFC5548 和楼宇自动化应用 Building Automation draft ietf roll building routing reqs 为了制订出适合低功耗网络的路由协议 ROLL 工作组首先对现有的传感器网络的路由协议进行了综述分 析 工作组文稿 draft ietf roll routing survey 分析了相关协议的特点以及不足 然后研究了路由协 议中路径选择的定量指标 ROLL 工作组文稿 draft ietf roll routing metrics 包含两个方面的定量指 标 一方面是节点选择指标 包括节点状态 节点能量 节点跳数 Hop Count 另一方面是链路指标 包括链路吞吐率 链路延迟 链路可靠性 ETX 链路着色 区分不同流类型 为了辅助动态路由 节点 还可以设计目标函数 Objective Function 来指定如何利用这些定量指标来选择路径 在路由需求 链路选择定量指标等工作的基础上 ROLL 工作组研究制定了 RPL Routing Protocol for LLN 协议 RPL 协议目前是一个工作组文稿 draft ietf roll rpl 已经更新到第 8 版本 RPL 协 议支持 3 种类型的数据通信模型 即低功耗节点到主控设备的多点到点的通信 主控设备到多个低功耗节 点的点到多点通信 以及低功耗节点之间点到点的通信 RPL 协议是一个距离向量路由协议 节点通过交 换距离向量构造一个有向无环图 Directed Acyclic Graph DAG DAG 可以有效防止路由环路问题 DAG 的根节点通过广播路由限制条件来过滤掉网络中的一些不满足条件的节点 然后节点通过路由度量来 选择最优的路径 2 3 IPv6 应用工作组 CoRE 2010 年 3 月 CoRE Constrained RESTful Environment 工作组正式成立 属于应用领域 Application Area CoRE 起源于 6lowapp 兴趣组 BOF 主要讨论受限节点上的应用层协议 随着讨 论的深入 IETF 技术专家把工作组的内容界定在为受限节点制定相关的 REST 形式的协议上 REST Representational State Transfer 是指表述性状态转换架构 是互联网资源访问协议的一般性 设计风格 REST 提出了一些设计概念和准则 网络上的所有对象都被抽象为资源 每个资源对应一个惟 一的资源标识 通过通用的连接器接口 对资源的各种操作不会改变资源标识 对资源的所有操作是无状 态的 HTTP 协议就是一个典型的符合 REST 准则的协议 在资源受限的传感器网络中 HTTP 过于复杂 开 销过大 因此也需要设计一种符合 REST 准则的协议 这就是 CoRE 工作组正在制订的 CoAP 协议 Constrained Application Protocol 目前 CoAP 协议还处于讨论状态 暂时没有工作被 IETF 接受 为工作组文稿 应用 CoAP 协议之后 互联网上的服务就能够直接通过 CoAP 协议或者通过 HTTP 与 CoAP 协议之间的网关来 进行资源读取 修改 删除等操作 图 2 显示了 CoAP 协议在传感器 网关 互联网服务器上的呈现 图 2 a 显示了 CoAP 通过网关与 HTTP 协议进行转换的方式 图 2 b 显示了传感器节点直接与支持 CoAP 协议的互联网服务器进行信息交互的方式 图中也显示了这两种方式中 节点和网关的协议栈都是建立在 IPv6 和 6LowPan 协议栈之上的 图 2 利用 CoAP 协议进行资源访问的节点 网关和服务器的协议栈 除了 CoAP 协议 资源受限环境中的资源发现 安全 API 等都在工作组的工作范围之内 相关的工 作正在积极地展开 3 物联网感知层 IPv6 协议的相关应用标准 物联网感知层的 IPv6 协议目前在 IETF 组织进行研究和标准化 其他相关标准化组织为了支持 IPv6 也要 研究如何采用和应用 IETF 相关标准 目前 支持 IPv6 相关应用的国际标准化组织有 IPSO Zigbee ISA 100 等组织 3 1 IPSO Alliance IPSO Alliance IP Smart Object Alliance 即 IP 智能物体产业联盟 是推动 IETF 所制订的轻量级 IPv6 协议相关应用的产业联盟 IPSO 成立于 2008 年 9 月 其发起组织包括 CISCO Ericsson SUN 等电 信和互联网厂商 也包括一些传统的传感器网络的芯片和器件厂商 如 Atmel Freescale Arch Rock Sensinode 等 IPSO 联盟的主要目的是推动智能 IP 解决方案的产业实施和 实现智能 IP 解决方案的技术优势 IPSO 分 析了现有传感器网络系统和控制系统中方案的问题 特别是这些方案长远来看在大规模系统中难以互通的 问题 指出 IP 技术作为一种成熟和高度互通的方案 是市场和技术的最优选择 IPSO 目前的工作包括 引起产业界对 IP 智能物体解决方案的重视 利用现有方案并且进行技术开发 产出一系列帮助厂商开发 的指导性研究报告 白皮书和应用场景 从市场层面辅助 IETF 组织的工作 连接起全世界支持 IP 智能感 知和控制系统的公司 协调和组织市场推动工作 组织互通性测试 目前 IPSO 已经产出 5 份白皮书 包括 1 IP 协议带来的优势 2 智能物体的轻量级 IPv6 协议栈 来自 3 个独立互通实现的经验 3 6LowPan 介绍 4 6LowPan 邻居发现协议概览 5 智能物体的网络安全 IPSO 主要基于 IETF 所制订的技术标准 以此来推动应用和产业发展 进行互通性测试 资质认证等等工 作 是 IETF 物联网技术的主要推动者 3 2 Zigbee Alliance Zigbee 是 IEEE 802 15 4 组织对应的产业联盟 Zigbee 制订了短距离无线通信标准的网络层和应用层 针对不同的应用制订了相应的应用规范 Zigbee 对应的物理层和链路层是在 IEEE 802 15 4 组织研究制 订的 Zigbee 目前正式发布的规范涵盖了下面几种应用 智能电力 遥控 家庭自动化 医疗 楼宇自动化 电信服务应用 零售服务应用等 Zigbee 组织目前包含 23 个工作组和任务组 涵盖技术相关的工作组 架构评估 核心协议栈 IP 协议栈 低功耗路由器 安全 以及应用相关的工作组 楼宇自动化 家庭 自动化 医疗 电信服务 智能电力 远程控制 零售业务 还有与市场 认证相关的一些工作组 Zigbee 最初是不支持 IP 协议的 目前 Zigbee 已经正式发布的应用规范都没有对 IP 协议的支持 但是随 着 IETF IPSO 相关工作的推进 以及 Zigbee 内部成员单位的推动 Zigbee 的智能电力 Smart Energy 2 0 应用已经开始全面支持 IP 协议 同时 Zigbee 内部成立了 IP stack 工作组 专门制定 IPv6 协议在 Zigbee 规范中的应用方法 Zigbee Smart Energy2 0 应用也将采用 IETF 6LowPan 制订的适配层 要求 IEEE 802 15 4 设备的网络中使用这种轻载的 IPv6 协议栈 同时把对 6LowPan 的支持作为一种必选 在 应用层 新的规范也支持轻量级的 COAP 协议 Zigbee IP stack 工作组的工作范围可以从图 3 显示出来 图 3 Zigbee IP Stack 工作组的工作范畴 适配层 Adaption Layer 提供报头压缩和解压缩功能 IP 报文分片重组的能力 网络层提供 IPv6 地址配置 ICMPv6 协议 邻居发现 路由 安全接入的能力 传输层要求提供多路数据流服务 进行拥 塞控制和流量控制 在基础设施服务层 Zigbee IP Stack 工作组正在制订 EAP 认证 TLS 端到端安全 的相关架构和技术规范 3 3 ISA 100ISA International Society of Automation 是无线传输在工控领域的产业联盟 ISA 专门成立了一个由终端用户和技术提供者组成的 ISA 100 委员会 该委员会的主要任务是制定标准 推荐操作规程 起草技术报告等 用以定义工业环境下的无线系统相关规程和实现技术 ISA 100 11a 工 作组主要由 10 个子工作组组成 系统工作组 汇集工作组 PHY MAC 层工作组 安全工作组 网络 传输 层工作组 网络管理工作组 评估工作组 应用层工作组 编辑工作组合网关工作组 其中 在网络 传 输层上 ISA 100 11a 组织也要求支持 RFC4944 的网络层协议栈 支持 6LowPan IPv6 协议和 TCP UDP 1 3 应用层技术 主要是根据行业特点 借助互联网技术手段 开发各类的行业应用解决方案 将物联网的优势与行 业的生产经营 信息化管理 组织调度结合起来 形成各类的物联网解决方案 构建智能化的行业应用 如交通行业 涉及的就是智能交通技术 电力行业采用的是智能电网技术 物流行业采用的是智慧 物流技术等等 行业的应用还要更多涉及系统集成技术 资源打包技术等 2 物联网的应用物联网的应用 2 1 物联网在生活中的应用范围 智能物联网产品的十一大主要应用领域 11 月 23 日下午 中国电信物联网应用和推广中心 中国电 信物联网技术重点实验室在江苏无锡成立 在成立仪式上 中国电信透露 目前 其已经开发十一项物联 网应用产品 涵盖了物联网的主要应用领域 1 智能家居 智能家居产品融合自动化控制系统 计算机网络系统和网络通讯技术于一体 将各种家庭设备 如音 视频设备 照明系统 窗帘控制 空调控制 安防系统 数字影院系统 网络家电等 通过智能家庭网络 联网实现自动化 通过中国电信的宽带 固话和 3G 无线网络 可以实现对家庭设备的远程操控 与普通 家居相比 智能家居不仅提供舒适宜人且高品位的家庭生活空间 实现更智能的家庭安防系统 还将家居 环境由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具 提供全方位的信息交互功能 2 智能医疗 智能医疗系统借助简易实用的家庭医疗传感设备 对家中病人或老人的生理指标进行自测 并将生 成的生理指标数据通过中国电信的固定网络或 3G 无线网络传送到护理人或有关医疗单位 根据客户需求 中国电信还提供相关增值业务 如紧急呼叫救助服务 专家咨询服务 终生健康档案管理服务等 智能医 疗系统真正解决了现代社会子女们因工作忙碌无暇照顾家中老人的无奈 可以随时表达孝子情怀 3 智能城市 智能城市产品包括对城市的数字化管理和城市安全的统一监控 前者利用 数字城市 理论 基于 3S 地理信息系统 GIS 全球定位系统 GPS 遥感系统 RS 等关键技术 深入开发和应用空间信息资源 建 设服务于城市规划 城市建设和管理 服务于政府 企业 公众 服务于人口 资源环境 经济社会的可 持续发展的信息基础设施和信息系统 后者基于宽带互联网的实时远程监控 传输 存储 管理的业务 利用中国电信无处不达的宽带和 3G 网络 将分散 独立的图像采集点进行联网 实现对城市安全的统一 监控 统一存储和统一管理 为城市管理和建设者提供一种全新 直观 视听觉范围延伸的管理工具 4 智能环保 智能环保产品通过对实施地表水水质的自动监测 可以实现水质的实时连续监测和远程监控 及时 掌握主要流域重点断面水体的水质状况 预警预报重大或流域性水质污染事故 解决跨行政区域的水污染 事故纠纷 监督总量控制制度落实情况 太湖环境监控项目 通过安装在环太湖地区的各个监控的环保和 监控传感器 将太湖的水文 水质等环境状态提供给环保部门 实时监控太湖流域水质等情况 并通过互 联网将监测点的数据报送至相关管理部门 5 智能交通 智能交通系统包括公交行业无线视频监控平台 智能公交站台 电子票务 车管专家和公交手机一 卡通五种业务 公交行业无线视频监控平台利用车载设备的无线视频监控和 GPS 定位功能 对公交运行状态进行实 时监控 智能公交站台通过媒体发布中心与电子站牌的数据交互 实现公交调度信息数据的发布和多媒体数 据的发布功能 还可以利用电子站牌实现广告发布等功能 电子门票是二维码应用于手机凭证业务的典型应用 从技术实现的角度 手机凭证业务就是手机 凭 证 是以手机为平台 以手机身后的移动网络为媒介 通过特定的技术实现完成凭证功能 车管专家利用全球卫星定位技术 GPS 无线通信技术 CDMA 地理信息系统技术 GIS 中国电信 3G 等高新技术 将车辆的位置与速度 车内外的图像 视频等各类媒体信息及其他车辆参数等进行实时 管理 有效满足用户对车辆管理的各类需求 公交手机一卡通将手机终端作为城市公交翼卡通的介质 除完成公交刷卡功能外 还可以实现小额 支付 空中充值等功能 测速 E 通通过将车辆测速系统 高清电子警察系统的车辆信息实时接入车辆管控平台 同时结合交 警业务需求 基于 GIS 地理信息系统通过 3G 无线通信模块实现报警信息的智能 无线发布 从而快速处 置违法 违规车辆 6 智能司法 智能司法是一个集监控 管理 定位 矫正于一身的管理系统 能够帮助各地各级司法机构降低刑 罚成本 提高刑罚效率 目前 中国电信已实现通过 CDMA 独具优势的 GPSONE 手机定位技术对矫正对象进 行位置监管 同时具备完善的矫正对象电子档案 查询统计功能 并包含对矫正对象的管理考核 给矫正 工作人员的日常工作带来信息化 智能化的高效管理平台 7 智能农业 智能农业产品通过实时采集温室内温度 湿度信号以及光照 土壤温度 CO 浓度 叶面湿度 露点 温度等环境参数 自动开启或者关闭指定设备 可以根据用户需求 随时进行处理 为设施农业综合生态 信息自动监测 对环境进行自动控制和智能化管理提供科学依据 通过模块采集温度传感器等信号 经由 无线信号收发模块传输数据 实现对大棚温湿度的远程控制 智能农业产品还包括智能粮库系统 该系统 通过将粮库内温湿度变化的感知与计算机或手机的连接进行实时观察 记录现场情况以保证量粮库内的温 湿度平衡 8 智能物流 智能物流打造了集信息展现 电子商务 物流配载 仓储管理 金融质押 园区安保 海关保税等 功能为一体的物流园区综合信息服务平台 信息服务平台以功能集成 效能综合为主要开发理念 以电子 商务 网上交易为主要交易形式 建设了高标准 高品位的综合信息服务平台 并为金融质押 园区安 保 海关保税等功能预留了接口 可以为园区客户及管理人员提供一站式综合信息服务 9 智能校园 中国电信的校园手机一卡通和金色校园业务 促进了校园的信息化和智能化 校园手机一卡通主要实现功能包括 电子钱包 身份识别和银行圈存 电子钱包即通过手机刷卡实 现主要校内消费 身份识别包括门禁 考勤 图书借阅 会议签到等 银行圈存即实现银行卡到手机的转 账充值 余额查询 目前校园手机一卡通的建设 除了满足普通一卡通功能外 还实现了借助手机终端实 现空中圈存 短信互动等应用 中国电信实施的 金色校园 方案 帮助中小学行业用户实现学生管理电子化 老师排课办公无纸 化和学校管理的系统化 使学生 家长 学校三方可以时刻保持沟通 方便家长及时了解学生学习和生活 情况 通过一张薄薄的 学籍卡 真正达到了对未成年人日常行为的精细管理 最终达到学生开心 家 长放心 学校省心的效果 10 智能文博 智能文博系统是基于 RFID 和中国电信的无线网络 运行在移动终端的导览系统 该系统在服务器端 建立相关导览场景的文字 图片 语音以及视频介绍数据库 以网站形式提供专门面向移动设备的访问服 务 移动设备终端通过其附带的 RFID 读写器 得到相关展品的 EPC 编码后 可以根据用户需要 访问服 务器网站并得到该展品的文字 图片语音或者视频介绍等相关数据 该产品主要应用于文博行业 实现智 能导览及呼叫中心等应用拓展 11 M2M 平台 中国电信 M2M 平台是物联网应用的基础支撑设施平台 秉承发展壮大民族产业的理念与责任 凭借 对通信 传感 网络技术发展的深刻理解与长期的运营经验 中国电信 M2M 协议规范引领着 M2M 终端 中 间件和应用接口的标准统一 为跨越传感网络和承载网络的物联信息交互提供表达和交流规范 在电信级 M2M 平台上驱动着遍布各行各业的物联网应用逻辑 倡导基于物联网络的泛在网络时空 让广大消费者尽 情享受物联网带来的个性化 智慧化 创新化的信息新生活 2 2 物联网在国内外的应用 1 物联网在国外的应用 在法国和瑞士之间 阿尔卑斯山高拔险峻 伫立在欧洲的北部 高海拔地带累积的永久冻土与岩层历 经四季气候变化与强风的侵蚀 积年累世所发生的变化常会对登山者与当地居民的生产和生活造成极大影 响 要获得对这些自然环境变化的数据 就需要长期对该地区实行监测 但该区的环境与位置 决定了根 本无法以人工方式实现监控 在以前 这一直是一个无法解决的问题 但不久前 一个名为 Perma Sense Project 的项目使这一情况得以改变 Perma Sense Project 计划 希望通过物联网 Internetof Things IoT 中无线感应技术的应用 实现对瑞士阿尔卑斯山地质和环境环 境状况的长期监控 监控现场不再需要人为的参与 而是通过无线传感器对整个阿尔卑斯山脉实现大范围 深层次监控 包括 温度的变化对山坡结构的影响以及气候对土质渗水的变化 参与该计划的瑞士巴塞尔 大学 苏黎世大学与苏黎世联邦理工学院 派出了包括计算机 网络工程 地理与信息科学等领域专家在 内的研究团队 据他们介绍 该计划将物联网中的无线感应网络技术应用于长期监测瑞士阿尔卑斯山的岩 床地质情况 所搜集到的数据除可作为自然环境研究的参考外 经过分析后的信息也可以作为提前掌握山 崩 落石等自然灾害的事前警示 熟悉该计划的人透露 这项计划的制定有两个主要目的 一是设置无线 感应网络来测量偏远与恶劣地区的环境情况 二是收集环境数据 了解变化过程 将气候变化数据用于自 然灾害监测 给我一个物联网我可以感知地球 近年来 地震 海啸等地质灾害频发 给人类生命生活带来严重影响 人们开始认识到 全球变暖 让全世界处于同一个危险的边缘 人类需要更加重视自然环境的变迁 更加关注如何通过科技因应自然环 境的变化 在澳大利亚的昆士兰 人们正在尝试 智慧桥 的试验 通过在一座大桥上安装各种各样的传感器 不仅可以告诉城市管理者桥上有多少车 车的重量是多少 车的污染是多少 车是新车还是旧车 也可以 告诉人们这辆车对这座桥整个混凝土的结构带来多大的压力 由此 交通管理部门可以进行实时评估 获 得这座桥结构强度的数据 一旦压力超出了所设定的极限值 交通管理部门就可以获得警报 及时发现 在新加坡 人们能像获得天气预报一样 获得交通堵塞预报 通过埋在路上的传感器和红绿灯上的 探头 司机不仅可以看到什么地方在堵车 还能够提前预测 什么地方过 10 20 分钟会堵车 从而选择 更为通畅的道路行驶 在纽约 一个应用于公共安全的智能城市快速反应系统已经建立 也就是 犯罪信息仓库 通过这 些信息仓库的信息 纽约警察可以对犯罪分子的行为有更多的了解 也就是说一旦一种犯罪的行为出现一 点点苗头的话 纽约的警察就可以根据这些信息作出预测 防止类似犯罪行为发生 瑞典斯德哥尔摩建立了智慧交通体系 按照不同的拥堵程度对交通收费 通过这样智慧的交通体系 斯德哥尔摩整个汽车使用量降低 25 碳排放量降低 14 在环保 防止污染等方面取得了比预期更好的 效果 在人均碳排量方面 成为了欧洲的佼佼者 平均每人碳排放量降到 4 吨 年 而欧洲平均是每人 6 吨 年 美国是 20 吨 年 饱受食品安全危害的中国 从 2008 年北京奥运会开始已经在逐步实施智能的食品追溯体系 食品从 农场 到市场 到市民手中都被纳入到这个追溯体系之中 一旦出现食品方面的问题 可以及时地找到事 故根源 形形色色的传感技术 通信技术 无线技术 网络技术共同组成了以物联网为核心的智慧网络 亚 里士多德曾说过 给我一个支点我可以撬起地球 而今随着技术的发展 这句豪言完全可以与时俱进地 改为 给我一个物联网我能够感知地球 2 物联网在中国高铁中的应用 去年年底 深圳市远望谷信息技术股份有限公司披露了定向增发预案 拟以不低于 24 72 元 股增发 不超过 3400 万股 募资不超过 8 18 亿元投入铁路车号智能跟踪装置等 5 个物联网项目 据预测 这 5 个 项目总投资将达 7 92 亿元 远望谷的一举一动 都会引起业界关注 更何况是在如火如荼的高铁建设项目方面 为此 本报记 者对远望谷市场总监钟书华进行了独家采访 探讨快速发展的铁路信息化对 IT 技术和产品提出了哪些新 要求 高铁对物联网应用的落地起到了什么样的作用 高铁为像远望谷这样的企业带来了哪些发展机遇等 问题 高铁有着传统铁路不可比拟的优势 第一是速度快 速度是高铁技术水平的最主要标志 通常能达 到时速 250 公里以上 第二是运输能力强 高铁行车间隔短 因此运输能力强 第三是安全性能高 通常 高铁在封闭环境下运行 具备完善的安全保障系统 第四是舒适方便 高铁运行平稳 减震 隔音 车内 非常安静 另外 作为战略性产业 高速铁路对提升我国装备制造业整体水平的意义重大 同时 对多个 相关产业的带动作用将是明显的 如电气 电子 信息 安全等领域 除了必要的基础设施的保证外 信息化 数字化系统建设对于整个高速铁路的运营 管理 安全 服务等方面的作用至关重要 关系到铁路的高速运行能否实现 高速铁路对信息化 数字化系统的实时性 安全性 准确性要求更高 高铁信息化数字化系统正向大集成 深度集成方向发展 并呈现数字化 网络 化 智能化的态势 在高铁信息化建设中 列车信息的采集和传输是一项基础信息工程 基于 RFID 技术的信息采集模式 将在高铁建设中发挥巨大作用 中国已成为世界上高速铁路系统技术最全 集成能力最强 运营里程最长 运行速度最快 在建规 模最大的国家 中国高铁的建设也为 RFID 企业带来了广阔的商机 2011 年 远望谷将发挥资本市场的作 用 拟募集资金投入产业链上游 并深度挖掘物联网应用细分市场 这其中包括铁路车号智能跟踪装置 基于 RFID 的铁路车辆零部件管理系统两大项目 2010 年年底远望谷向定位于铁路自动识别产品技术开发 与市场开拓的兰州分公司增资 目的就是为了满足分公司业务扩张的资金需求和提升远望谷在铁路行业的 综合服务能力 除此以外 在产品方面 远望谷也研发了多款适应于高速环境的 RFID 产品 以满足高速 铁路对列车运行管理和安全控制的需求 远望谷的铁路车号自动识别系统是铁路运输系统中的一个基础信息系统工程 通过该系统的实施 在全路数千个信息采集点上 可及时准确地获得通过列车的车次 每节车辆的车号以及列车的终到与始发 信息 实现全路货车 机车 列车 集装箱追踪管理 满足铁路运输管理信息系统对列车 车辆等基础信 息的需求 最终实现运输作业管理现代化 网络化和资源共享 使铁路运输实现现代化管理 为了更好地提供铁路运输安全的可靠保障 及时有效地防范和预警车辆事故的发生 车号自动识别 系统作为列车车辆智能跟踪装置与 5T 结合 5T 系统包括红外线轴温探测故障智能跟踪系统 货车 运行状态地面安全监测系统 货车运行故障动态图像检测系统 货车滚动轴承早期故障轨边声学诊断系统 客车运行安全监控系统 通过智能化 网络化等技术 实现地面设备对运行车辆的动态检测 数据集中 联网运行 远程监控 信息共享的安全防范预警体系 2 3 物联网在车辆中的应用 1 1 微型传感器在汽车中的应用 现代汽车正由一个单纯交通工具朝着能满足人类需求和安全 舒适 方便及无污染的方向发展 要实现这些目标的关键在于汽车的电子化和智能化 先决条件则是各种信息的及时获取 这势必要 求在汽车中大量采用各种传感器 传统的传感器往往体积和重量大 成本高 它们在汽车的应用受到很大 的限制 近几年来 从半导体集成电路 IC 技术发展而来的微机电系统 microelectromechnicalsystem MEMS 技术日渐成熟 微型传感器是目前最为成功并最具实用性的微 型机电器件 主要包括利用微型膜片的机械形变产生电信号输出的微型压力传感器和微型加速度传感器 此外 还有微型温度传感器 磁场传感器 气体传感器等 这些微型传感器的面积大多在 1mm2 以下 随 着微电子加工技术 特别是纳米加工技术的进一步发展 传感器技术还将从微型传感器进化到纳米传感器 这些微型传感器体积小 可实现许多全新的功能 便于大批量和高精度生产 单件成本低 易构成大规模 和多功能阵列 这些特点使得它们非常适合于汽车方面的应用 汽车用传感器分类 汽车用传感器是用于汽车显示和电控系统的各种传感器的统称 它涉及到很多的物理量传感器和化 学量传感器 这些传感器要么是使司机了解汽车各部