浅谈物联网技术PPT课件.pptx

浅谈物联网技术 孔维元 2020 3 19 1 2020 3 19 2 浅谈物联网技术 一 物联网技术的产生背景二 物联网技术的应用领域以及前景三 物联网技术相关关键性技术四 电磁波频率 功率 能量 传输距离五 RFID六 典型案例 ETC车载电子标签识别系统七 典型案例 小米智能家居八 典型案例 共享单车 2020 3 19 3 物联网技术产生的背景 爱迪生改进灯泡批量生产后 必然同时制作了一个开关来控制它 能否远程控制呢 那需要把线拉长对吧 后来出现了继电器 我们上中学物理课都做过的实验 小电流控制大电流回路上的开关 可以在很远的距离人工遥控 电子计算机出现后 两台电脑直接通过数据线可以交换数据了 再后来 1969年美国建成了第一个互联网 此时internet不 www 万维网 仅仅是实验室的一个成功项目 再后来 发展成为一个覆盖五大洲150多个国家的开放型全球计算机网络系统 我想说的是 我们一直在希望自己的控制能力更强 控制范围更远 从最开始控制眼前的电灯泡 到现在我们可以在北京控制武汉自家的净化器开关 我们希望自己的控制能力强大 不但要控制电脑 还要控制饮水机 空调 汽车 生产线上的设备 还要随时查看自己购买的快递的物流信息 要随时检测自己的健康状况 当家里的天然气泄漏时 我们希望立刻在自己的终端设备上 手机 手表 得到报警信息 这一切的实现 都依赖物联网这门技术 其实有些现在已经实现了 2020 3 19 4 给物联网概念 给物联网一个定义 物联网 InternetofThings 是一个基于互联网 传统电信网等信息承载体 让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络 它具有普通对象设备化 自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征 一句式理解物联网 把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来 进行信息交换 即物物相息 以实现智能化识别和管理 通俗一点说 物联网是物与物之间的联网 物物相连 互联网是人与人之间的联网 人人相连 物联网技术 是电子 通信 计算机三大领域技术的融合 所以与其说物联网是一种技术 不如说是一个时代 互联网也是一个时代 它通过对相关技术进行整合 形成了一个时代的概念 是一个建立在技术基础之上的时代 2020 3 19 5 物联网技术主要的应用领域以及前景 2020 3 19 6 智能仓储 可以确保企业及时准确地掌握库存的真实数据 合理保持和控制企业库存 智慧物流 在物流的运输 仓储 包装 装卸搬运 流通加工 配送 信息服务等各个环节实现系统感知 全面分析 及时处理可以提高企业的利润 节约成本 智能家庭 方方面面了解家庭情况 对家用电器进行远程控制 智能医疗 通过传感器与移动设备来对生物的生理状态进行捕捉 如心跳频率 体力消耗 葡萄糖摄取 血压高低等生命指数 把它们记录到电子健康文件里面 方便个人或医生进行查阅 还能够监控人体的健康状况 智能电力 以物理电网为基础 中国的智能电网是以特高压电网为骨干网架 各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础 将现代先进的传感测量技术 通讯技术 信息技术 计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网 它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置 确保电力供应的安全性 可靠性和经济性 满足环保约束 保证电能质量 适应电力市场化发展等为目的 实现对用户可靠 经济 清洁 互动的电力供应和增值服务 智能交通 以图像识别技术为核心 综合利用射频技术 标签等手段 对交通流量 驾驶违章 行驶路线 牌号信息 道路的占有率 驾驶速度等数据进行自动采集和实时传送 相应的系统会对采集到的信息进行汇总分类 并利用识别能力与控制能力进行分析处理 对机动车牌号和其它高档车进行识别 快速处置 为交通事件的检测提供详细数据 该系统的形成 会给智能交通领域带来极大的方便 2020 3 19 7 智能农业 地表温度检测 家禽的生活情形 农作物灌溉监视情况 土壤酸碱度变化 降水量 空气 风力 氮浓缩量 土壤的酸碱性和土地的湿度等 进行合理的科学估计 为农民在减灾 抗灾 科学种植等方面提供很大的帮助 完善农业综合效益 智能工业 是将具有环境感知能力的各类终端 基于泛在技术的计算模式 移动通信等不断融入到工业生产的各个环节 大幅提高制造效率 改善产品质量 降低产品成本和资源消耗 将传统工业提升到智能化的新阶段 智能安防 相比以往的人防方式 智能化安防技术的主要内涵是其相关内容和服务的信息化 图象的传输和存储 数据的存储和处理等等 就智能化安防来说 一个完整的智能化安防系统主要包括门禁 报警和监控三大部分 军事应用 当今时代 各国战争趋于信息化 对于作战要求以 看得通透 反应敏捷 打得精准 为目标 只有在信息摄取 传递和处理上占优势的一方才能获得战争的主动权 物联网凭借着自身的优势 可以在各种情形下获得有效军事信息 微传感器节点在战场中自动组网 摄取 传递战场信息 为取得胜利提供必不可少的情报支持 2020 3 19 8 物联网中的关键技术 三项关键技术 传感器技术 RFID标签 嵌入式系统技术1 传感器技术 这也是计算机应用中的关键技术 大家都知道 到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号 自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理 2 RFID标签 也是一种传感器技术 RFID技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术 RFID在自动识别 物品物流管理有着广阔的应用前景 3 嵌入式系统技术 是综合了计算机软硬件 传感器技术 集成电路技术 电子应用技术为一体的复杂技术 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 小到人们身边的MP3 大到航天航空的卫星系统 嵌入式系统正在改变着人们的生活 推动着工业生产以及国防工业的发展 如果把物联网用人体做一个简单比喻 传感器相当于人的眼睛 鼻子 皮肤等感官 网络就是神经系统用来传递信息 嵌入式系统则是人的大脑 在接收到信息后要进行分类处理 这个例子很形象的描述了传感器 嵌入式系统在物联网中的位置与作用 2020 3 19 9 物联网可分为3层 2020 3 19 10 LOREMIPSUMDOLOR 感知层 由各种传感器网关和传感器构成 包括有温度传感器 二氧化碳浓度传感器 二维码标签 湿度传感器 摄像头 RFID标签和读写器 GPS等感知终端 感知层的作用就像人的视觉 触觉 味觉 听觉一样 它是物联网获取识别物体 采集信息的来源 主要功能是识别物体 采集信息 网络层 由互联网 私有网络 无线和有线通信网 网络管理系统和云计算平台等组成的 网络层就相当于人的大脑和神经中枢 主要负责传递和处理感知层获取的信息 应用层 是物联网和用户 包括个人 组织或者其他系统 的接口 它与行业发展应用需求相结合 实现物联网的智能化服务应用 2020 3 19 11 物联网网络种类 据GSMA预测 到2020年全球互联设备将会到达270亿 其中100亿为移动连接设备 2020 3 19 12 电磁波频率 功率 能量 传输距离 与有线传输相比 无线传输具有许多优点 或许最重要的是 它更灵活 物联网无线连接的方式在未来的比重会越来越大 那么就细说一下无线传输方式 2020 3 19 13 长波通信长波通信 3kHz 30kHz 长波主要沿地球表面进行传播 又称地波 也可在地面与电离层之间形成的波导中传播 传播距离可达几千公里甚至上万公里 长波能穿透海水和土壤 因此多用于海上 水下 地下的通信与导航业务 中波通信中波通信 30kHz 3MHz 中波在白天主要依靠地面传播 夜间可由电离层反射传播 中波通信主要用于广播和导航业务 短波通信短波通信 3MHz 30MHz 短波主要靠电离层发射的天波传播 可经电离层一次或几次反射 传播距离可达几千公里甚至上万公里 短波通信适用于应急 抗灾通信和远距离越洋通信 超短波通信超短波通信 30MHz 300MHz 超短波对电离层的穿透力强 主要以直线视距方式传播 比短波天波传播方式稳定性高 受季节和昼夜变化的影响小 由于频带较宽 超短波通信被广泛应用于传送电视 调频广播 雷达 导航 移动通信等业务 微波通信微波通信 300MHz 300GHz 微波主要是以直线视距传播 但受地形 地物以及雨雪雾影响大 其传播性能稳定 传输带宽更宽 地面传播距离一般在几十公里 能穿透电离层 对空传播可达数万公里 微波通信主要用于干线或支线无线通信 移动通信和卫星通信 2020 3 19 14 物联网几种通讯技术 蓝牙 Bluetooth 是一种近距离无线技术的标准 它可实现移动设备 固定设备和楼宇个人域网之间的短距离数据进行交换 蓝牙在智慧医疗电子领域和智能家居领域和许多消费市场中已经变得非常重要 同时也是可穿戴产品的关键 特别是蓝牙智能或蓝牙低能耗 BLE 是物联网应用中的重要协议 WIFI是一种允许电子产品连接到无线局域网 WLAN 的技术 WIFI通常使用2 4GUH射频频段 连接到局域网中通常有密码保护也有开放性的 只要在WIFI信号覆盖范围之内的区域都可以搜索到WIFI信号 这样就被允许在任何WLAN范围内的设备可以连接上 目前WIFI在家庭 商场和企业中使用最常见的WIFI标准是802 11n 其提供了在数百兆比特每秒的严格吞吐量 这对文件传输是具有一定优势的 但对许多物联网应用中WIFI是比较耗电的 Zigbee跟蓝牙一样具有大量的操作基础和应用领域 Zigbee是基于IEEE802 15 4标准的低功耗局域网协议 根据国际规定标准 Zigbee技术是一种低功耗 近距离的无线通信技术 原来 又称紫蜂协议 来源于蜜蜂的八字舞 其优点是低功耗 自组织 低复杂度 短距离 低数据速率 ZigBee有点类似于CDMA和GSM网络 Zigbee数传模块类似于移动网络基站 通讯距离采用组网的形式可以从标准的几米到几百米甚至几公里远 而且还可以支持无线扩展 2020 3 19 15 射频其实就是射频电流 它是一种高频交流变化电磁波的简称 又称小无线 可以辐射到空间的电磁频率 其频率范围从300KHZ 300GHZ之间 电流变化每秒小于1000次就是低频电流 每秒变化大于10000次的就是高频电流 而射频就是电流变化每秒大于10000次的高频电流 射频系统是由标签 Tag 即射频卡 天线和阅读器三个部分组成 GPRS是通用分组无线服务技术的简称 同时它也是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务 GPRS属于第二代移动通信中的数据传输技术 GPRS可说是GSM的延续 GPRS和以往连续在频道传输的方式不一样 它是以封包式的方式进行传输的 在使用中用户所负担的费用是以传输资料的单位进行计算的 并不是使用其整个频道 GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps GPRS具有充分利用现有的网络 传输速率高 资费较合理 资源利用率高 始终在线等特点 2020 3 19 16 不同通信方式的功耗不一样 2020 3 19 17 2020 3 19 18 RFIDradiofrequencyidentification 射频识别 RFID RadioFrequencyIdentification 技术 又称无线射频识别 是一种通信技术 可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据 而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触 RFID组成部分应答器 由天线 耦合元件及芯片组成 一般来说都是用标签作为应答器 每个标签具有唯一的电子编码 附着在物体上标识目标对象 阅读器 由天线 耦合元件 芯片组成 读取 有时还可以写入 标签信息的设备 可设计为手持式rfid读写器或固定式读写器 应用软件系统 是应用层软件 主要是把收集的数据进一步处理 并为人们所使用 RFID技术的基本工作原理并不复杂 标签进入磁场后 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 或者由标签主动发送某一频率的信号 ActiveTag 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 2020 3 19 19 RFID的优势 RFID是一项易于操控 简单实用且特别适合用于自动化控制的灵活性应用技术 可自由工作在各种恶劣环境下 短距离射频产品不怕油渍 灰尘污染等恶劣的环境 可以替代条码 例如用在工厂的流水线上跟踪物体 长距射频产品多用于交通上 识别距离可达几十米 如自动收费或识别车辆身份等 射频识别系统主要有以下几个方面系统优势 读取方便快捷 数据的读取无需光源 甚至可以透过外包装来进行 有效识别距离更大 采用自带电池的主动标签时 有效识别距离可达到30米以上 识别速度快 标签一进入磁场 解读器就可以即时读取其中的信息 而且能够同时处理多个标签 实现批量识别 数据容量大 数据容量最大的二维条形码 PDF417 最多也只能存储2725个数字 若包含字母 存储量则会更少 RFID标签则可以根据用户的需要扩充到数10K 使用寿命长 应用范围广 其无线电通信方式 使其可以应用于粉尘 油污等高污染环境和放射性环境 而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码 标签数据可动态更改 利用编程器可以向标签写入数据 从而赋予RFID标签交互式便携数据文件的功能 而且写入时间相比打印条形码更少 更好的安全性 不仅可以嵌入或附着在不同形状 类型的产品上 而且可以为标签数据的读写设置密码保护 从而具有更高的安全性 动态实时通信 标签以与每秒50 100次的频率与解读器进行通信 所以只要RFID标签所附着的物体出现在解读器的有效识别范围内 就可以对其位置进行动态的追踪和监控 2020 3 19 20 RFID技术不是条形码 RFID在工作过程中 依赖射频传输的是电磁信号 终端识别的是经射频转换到基带的数字式电信号 传统条形码 传输过程主要依赖图像相关的光学信号 终端则是通过光电转换设备获取数字式电信号 目前RFID典型的应用领域包括 1 铁路车号自动识别管理 2 车辆道路交通自动收费管理 3 旅客航空行包的自动识别 分拣 转运管理 如 北美部分机场 4 车辆出入控制 如 停车场 垃圾场 水泥场车辆出入 称重管理等 5 校园卡 饭卡 乘车卡 会员卡 驾照卡 健康卡 医疗卡 等国内 国外均有大应用 6 生产线产品加工过程自动控制 主要应用在大型工厂的自动化流水作业线上 7 动物识别 养牛 养羊 赛鸽等 大型养殖厂 家庭牧场 赛鸽比赛 8 物流 仓储自动管理 大型物流 仓储企业 9 贮气容器的自动识别管理 10 汽车遥控门锁 电子门锁等 2020 3 19 21 RFID典型例子 ETC电子收费系统 设备组成如下 车辆检测器 抓拍线圈以及落杆线圈 抓拍摄象机 费额显示器 通行信号灯 声光报警器 自动栏杆 字符叠加器 工业控制计算机 工控机 车道控制器 电子标签读写天线 ETC系统的运行过程是 在进入通讯范围后 车辆读写天线与电子标签和CPU卡进行通讯 来判断车辆是否有效 如果无效的话就封闭车道并且报警 有效的话就进行交易 同时在车辆离开检测点的时候 如果交易完成 系统控制栏杆抬升 通行信号灯变绿 费额显示牌上显示交易金额 车辆通过自动栏杆下的落杆线圈后 栏杆自动回落 通行信号灯变红 系统等待下一辆车进入 2020 3 19 22 ETC电子收费系统 2020 3 19 23 物联网在智能家居应用的例子 例如小米智能家居 终端 手机app或电脑 登录相关帐号后可远程控制家中连接路由器的智能设备 空调 饮水机 台灯 电灯 插座 空气净化器等等 也可设置门禁的报警方式 可以远程通过智能摄像头查看家中的情况 也可通过摄像头与家人直接对话 2020 3 19 24 物联网应用典型例子共享单车解锁 以摩拜单车为例 每辆摩拜单车里面都有一个手机SIM卡 可以和基站通讯 当你手机扫码的时候 手机会把车子编号发到服务器 服务器拿到车子编号 会直接给车子发送开锁信号 开锁后车子智能模块再把信息传给服务器 服务器把消息传给手机 手机提示开锁成功 摩拜单车还有另外一种开锁方法 大家使用摩拜单车的时候 会提醒请打开蓝牙提高开锁成功率 这就是预防基站太远信号太差的时候 云端服务器会将开锁密码发送给手机 手机通过蓝牙近场通信与自行车连接 然后手机给自行车发送信号解锁单车 2020 3 19 25 当今物联网两大流派 NB IoT