基于物联网的汽车防盗系统.doc

基于物联网的汽车防盗系统设计 班级：物联网工程1班 姓名：朱 强 学号：13480144摘 要为了提高汽车防盗系统的可靠性，降低汽车报警的误报率，本文在利用物联网在监测领域的优势基础之上，研制了基于物联网技术的汽车防盗系统。防盗报警系统是安全防范技术体系中一个重要的组成部分。目前这种系统的应用在我国发展极快，市场竞争激烈。本文利用物联网技术构建了汽车防盗系统的结构模型，制定了应用于该防盗系统的各种传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的功能。使汽车防盗的可靠性能够在一定程度上得以控制。基于物联网技术的汽车防盗系统利用模块化的思想进行设计。总体设计后，对防盗系统的电源模块，控制模块，通信模块，定位模块，显示模块分别进行细化设计，最后进行整个系统的联机调试试验。本文还将设计制作的系统原型机进行了模块测试和整体性能测试。通过测试分析，确定了用于汽车防盗的实车搭载方案，为该设计的产品化奠定了坚实的基础。测试结果表明，基于物联网技术的汽车防盗系统能够较为准确地进行汽车防盗预警，降低了误报率，并具有经济、环保的特点。该系统基本实现了既定设计目标，为汽车防盗产品的开发提供了一个崭新的设计方向。 关键词：汽车防盗，物联网，传感设备，互联网目 录1绪论11.1引言11.2论文的研究背景11.3国内外汽车防盗系统的发展现状21.4论文的研究内容及意义42 物联网技术分析62.1物联网概念及原理62.2国内外物联网发展现状62.3物联网相关技术82.3.1 信息采集技术92.3.2 网络通信技术102.3.3 数据融合与智能处理技术102.4 物联网应用中的关键技术分析112.4.1 射频识别中的防碰撞技术112.4.2 中间件信息处理技术152.4.3 物联网系统安全技术153基于物联网的汽车防盗系统核心设计173.1基于物联网的汽车防盗系统架构设计173.2信息采集子系统设计183.2.1 标签设计183.2.2 阅读器设计193.2.3 中间件安装设计203.3 信息传输子系统设计213.3.1 接入网设计213.4 信息管理子系统设计213.4.1 信息录入子系统设计213.4.2 信息查询子系统设计224基于物联网的汽车防盗系统关键技术实现234.1 基于时间分组的帧时隙ALOHA算法的设计与实现234.1.1 算法设计依据234.1.2 算法设计244.1.3 算法的时隙数设计244.1.4 算法实现264.2 算法的实现流程图274.3 系统总体实现流程27参考文献301绪论1.1引言随着我国经济水平的发展，人们的生活质量得到了很大提高，国内汽车特别是家用轿车的保有量迅猛增加，但与此同时汽车被盗抢案件数量也急剧上升。虽然大多数汽车都带有防盗装置，市场上也有各种汽车附加防盗器，可是这些防盗装置都存在一定的缺陷，要么距离有限，一旦监控器离汽车比较远就很难达到目的，要么使用单一遇警的检测装置，致使错报、漏报现象时有发生，给车主造成了很多不必要的麻烦和损失。为了防范汽车被盗，科研工作者研制开发了很多汽车防盗新技术，各种防盗装置相继产生并广泛应用。阅读器的设计包括阅读器的选择、位置安装以及对标签信息处理的设计。主要特点是阅读器采用双频工作模式，接收标签信息后将自身ID加载到标签信息中，生成含有阅读器地理位置标识的信息数据，使系统可以利用阅读器的地理位置实现对汽车的实时跟踪定位。早期的汽车防盗系统主要是机械结构的门锁和车轮锁构成，防盗能力差，现在已经很少单独使用，主要和电子式、芯片式联合使用；现阶段应用最广泛的是电子式防盗系统，但其报警系统容易受到外界干扰而误报，且电子密码易被破解；芯片式防盗系统和网络式防盗系统是今后汽车防盗系统发展的方向，芯片式数码防盗系统是现在汽车防盗器发展的重点，基本原理是锁住汽车的马达、电路和油路，杜绝了被扫描的弊病，在路边配制的钥匙即使能打开车门也无法启动汽车。最先进的基于GSM网络包含GPS定位系统和SMS(短信业务)功能的防盗系统实现了车主对汽车的远程控制，定位准确，但系统成本和使用费用高，无法广泛应用。随着物联网的发展，物联网技术已经应用于远程医疗121，智能家居，物流监控，安全防卫和电力安全等各个领域，把物联网技术应用于汽车防盗，利用射频识别系统进行信息采集，将收集的信息传送至互联网，实现信息共享，使车主随时知道汽车状况，并配合警务人员及时追回被盗汽车，提高汽车防盗系统的智能化水平。1.2论文的研究背景国内外汽车防盗装置的种类繁多，发展迅速。目前，国际上应用最广泛的防盗系统是电子式汽车防盗装置，如汽车识别钥匙、电子编码点火钥匙、生物特征基于物联网的汽车防盗系统的研究与设计电子锁，具有很好的性价比，在市场上占有绝对优势。机械锁是最早的汽车防盗锁，现已很少单独使用，主要与电子式、芯片式联合使用。国内的汽车防盗技术水平仅为国际20世纪90年代后期的水平，国内掌握制动器防盗装置的开发实验技术并形成批量生产的厂商只有几家，且防盗装置一般都存在报警范围小、只能实现本地报警、不能实现远程控制，能实现单纯报警，对被盗车辆不能实现踪控制等缺点。除此之外，国内制定的汽车防盗法规不够健全，执行不够严格；生产企业对汽车防盗的认识不够重视，资金投入不足，这些都造成国内汽车防盗水平相对落后，不能适应我国汽车发展对汽车防盗技术的需求。因此，我国汽车防盗产品的升级换代势在必行，高科技含量的网络式汽车防盗系统将得到关注和加大投入，此类防盗产品更加符合市场需求。1.3国内外汽车防盗系统的发展现状现代汽车在出厂时大多已经安装了防盗系统，如奥迪A6、帕萨特B5、桑塔纳2000、新款捷达等国产车型，奔驰、宝马、沃尔沃、捷豹等进口车型都自带防盗装置；另外，市面上还有MAGICAR6600、DC3、DC5、眼镜蛇、蓝雄兵、铁甲熊等品牌的汽车防盗器。随着科技的发展，汽车防盗装置日趋严密和完善，目前防盗器按其结构与功能可分四大类：机械式、电子式、芯片式和网络式，各有优劣，但汽车防盗的发展方向是向智能程度更高的芯片式和网络式发展。1机械式防盗系统 机械式防盗系统是最常见最古老的防盗装置，主要有三类：方向盘锁，主要是将方向盘与制动脚踏板连接在一起，使其不能做大角度转向或制动，有的可直接使方向盘不能正常使用轮胎锁，即用一套锁具把汽车的一个轮胎固定，使之不能转动；变速器锁，通常在停车后，把换挡杆推回P位或挂挡位置，加上变速锁，可使汽车不能换挡。机械式防盗器的优点是价格便宜，安装简便；缺点是使用不隐蔽，防盗不彻底，拆装麻烦。机械式防盗器只防盗不报警，主要起到限制车辆操作的作用，在防盗方面作用有限。这种防盗器很难抵挡住利用钢锯等重型工具的盗窃方式，但它们却能拖延偷车贼作案的时间。机械防盗装置已经历多次技术升级，目前有了较可靠的方向盘锁和排挡锁等。为了增加防盗安全系数，可以给车辆安装多种机械防盗装置，这样可在一定程度上吓走盗车贼，增加盗贼被发现的可能性。2电子式防盗系统 电子式防盗系统是目前应用最广泛的防盗装置，分为单向和双向两种类型。单向的电子防盗系统的主要功能是汽车发生异动时警报器会发出警报引起车主及附近路人的注意；双向电子防盗系统能让车主知道汽车的实时情况，当汽车有异动警报时，遥控器上的显示器会显示汽车的状况，但缺点是有效范围只有100-200米。电子式防盗系统安装隐蔽，功能齐全，无线遥控，操作简便。其致命伤在于其电子密码和遥控操作方式，当车主用遥控器开关车门时，偷车贼可以用接收器或扫描器盗取遥控器发出的无线电波或红外线，再经过解码，就可以开启汽车的防盗系统，而且，这种防盗器易受雷电、电波等干扰而产生误报警，不能从根本上解决车辆被盗问题。3芯片式防盗系统芯片式数码防盗装置是目前汽车防盗器发展的重点。芯片式数码防盗装置的基本原理是锁住汽车的发动机、电路和油路，在没有芯片钥匙的情况下无法启动车辆。数字化的密码重码率极低，而且要用密码钥匙接触车上的密码锁才能开锁，杜绝了被扫描的弊端。由于优点突出且使用方便，很多进口的高档车及国产大众、广州本田、派力奥等车型己装用原厂的芯片防盗系统。最新面世的第四代电子防盗芯片，具有特殊诊断功能，如已获授权者在读取钥匙保密信息时，能够得到该防盗系统的历史信息，系统中经授权的备用钥匙数目、时间印记以及其他背景信息，成为收发器安全特性的组成部分；独特的射频识别(RFID)技术可保证系统在任何情况下都能正确识别驾驶者忉，当驾驶者接近或远离车辆时可自动识别其身份，打开或关闭车锁。4网络式防盗系统 网络式防盗系统是目前最先进最有效的防盗系统，它通过网络实现车门的开关和车辆的起动、截停、定位，及根据车主要求提供远程车况报告等功能。目前主要使用的网络有GSM网络和GPS(卫星定位系统)，其中GPS应用最为广泛。GPS主要靠锁定点火或起动发动机达到防盗的目的。采用GPS技术的汽车反劫防盗系统由安装在指挥中心的中央控制系统、安装在车辆上的移动GPS终端及GSM通信网络组成，接受全球定位卫星发出的定位信息，计算移动目标的经纬基于物联网的汽车防盗系统的研究与设计度、速度和方向，并利用GSM网络的短信息平台作为通信媒介实现定位信息的传输，具有传统GPS通讯方案无法比拟的优势间。一旦汽车被盗或出现异常，指挥中心可立即通过GPS接收终端设备信号，确定汽车实时地理位置和多方面信息，配合各方面力量及网络优势追回汽车，同时能熄灭发动机，使汽车不能行驶。网络式防盗突破了距离的限制，覆盖范围广，可用于被盗汽车的追踪侦查，可全天候应用，破案速度快，监测定位精度高。GPS防盗技术可以说是一场技术革命，它一改传统防盗器的被动、孤立无助的被动式服务，能为车主提供全方位 的主动式服纠101，是目前其他类型汽车防盗系所不能比拟的。但是该装置需要一套庞大完善的跟踪系统、24小时的人工监控车辆，系统成本和使用费用高，无法广泛应用。随着物联网技术的发展，物联网技术已经开始应用于物流监控，智能家居，安全防卫，远程医疗和电力安全等各个领域，将其应用于汽车防盗，利用电子标签进行信息采集，将收集的信息传送至互联网，车主可以通过网络随时知道汽车状况，并对汽车进行定位和跟踪以及时追回被盗汽车。1.4论文的研究内容及意义本课题在分析物联网技术原理及其应用的基础上，详细阐述了基于物联网的汽车防盗系统的设计和实现，并对系统设计中关键问题进行深入的分析和研究，系统使用有源双频电子标签以满足高速信息采集的需要，利用阅读器的地理位置对汽车进行跟踪定位，应用中间件技术消除数据冗余，其内置的移动通信模块增加系统防盗范围，以安全可靠的公安专网和无所不在的移动通信网为接入网，在保证防盗范围的同时降低了实现成本。论文的核心研究内容是分析并设计了系统中标签与阅读器的防碰撞算法以及中间件的数据过滤方法。论文首先分析了当前常用的几种多标签防碰撞算法的优点和应用限制，并在此基础上提出了一种基于时间分组的帧时隙ALOHA算法，该算法依据对车流量的定量分析，对主要参数进行了设计，将阅读器识别范围内的标签按照进入时间进行分组，以减少每次响应标签的数量，提高系统的吞吐率；信息查询系统是车主或公安人员获得汽车实时信息的门户，可实时获取被盗汽车的动态。信息查询系统可提供基本信息查询和汽车信息定制。信息查询服务为车主和公安人员提供基本的汽车信息查询服务，车主和公安人员可通过输入汽车车牌号或者发动机编号等信息，并通过密码认证，查看被盗汽车的实时数据。针对系统数据处理过程中产生的数据冗余，设计了两种中间件的数据过滤方法，以实现对非匹配标签码的过滤和重复数据的过滤。论文研究的意义在于将发展前景广阔的物联网技术应用于汽车防盗，将汽车信息采集并通过公安专网传送至互联网，车主通过互联网随时了解其汽车的实时状况，为汽车防盗安全体系提供了一种新型的解决方案；系统采用无所不在的移动通信网络和安全可靠的公安专网作为接入网，使汽车防盗网络化进一步实现；系统中间件的设计能提高传输效率，减少系统管理和维护工作量，降低运维成本，并可以在实现系统的更新换代以及规模扩大时通过修改中间件系统参数值实现相应的功能，缩短实施周期，减少投入成本，增加物联网技术应用于汽车防盗的可行性。2 物联网技术分析2.1物联网概念及原理由于物联网概念出现不久，其内涵还在不断发展和完善，目前还没有形成对物联网精确统一的定义。关于物联网比较准确的定义是：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。物联网的主要特征是每一个物体都可以寻址，控制和通信。物联网既是信息技术发展到一定程度的必然产物，也是经济社会发展到一定阶段的新要求，因此受到全世界关注是一种必然。物联网就是“物物相连的互联网”，其核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。随着全球一体化和信息网络化进程的加快，技术革命快速发展，为满足对单个物品的标识和高效识别，美国麻省理工学院自动识别实验室在美国统一代码协会(UCC)的支持下，提出要在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线通信技术构造一个覆盖世界万物的系统，同时还提出了电子产品代码(EPC)的概念，形成了最具有代表性的物联网构架，在EPC物联网系统中，每一个物品都被赋予一个全球唯一的EPC码，存储在物品上的电子标签中，通过射频识别系统的电子标签读写器可以实现对EPC标签信息的读取。读写器获取EPC标签信息，并把标签信息送入互联网EPC体系中PML(实体标记语言)服务器后，就实现了对物品信息的采集和追踪，然后利用EPC物联网中的网络中间件等可以实现对所采集的EPC标签信息的利用。当EPC标签贴在物体上或者内嵌在物体中的时候，该物品与EPC标签中的唯一编号就建立起了一对一的对应关系。2.2国内外物联网发展现状物联网被看作是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。物联网是生产社会化、智能化发展的必然产物，是现代信息网络与传统商品市场有机结合的一种创造，这种创造不仅可以极大地促进社会生产力的发展，而且能够改变社会生活方式。物联网作为新兴产业，产业链长，具有极大的潜在市场，美国独立市场研究机构Forrester预测，到2020年物联网业务与现有互联网业务之比将达到30：1。各国政府和企业纷纷看好其产业前景，包括中、美等国家在内的多国将其提升到国家战略层面，我国在这次信息化浪潮中与世界保持了同步发展，并将物联网建设提升到国家战略地位，列入了新时期国家五大战略性新兴产业的重要地位。1国内物联网发展现状目前国内物联网总体还处于起步阶段。2009年8月温家宝总理在考察无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时指出，要积极创造条件，在无锡建立中国的传感网中心(“感知中国中心)，发展物联网。11月在首都科技界大会再次提出发展物联网，各部门、各地区积极响应，纷纷出台各项举措，推动物联网发展。国家中长期科学与技术发展规划(2006-2020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。2010年中国国际物联网大会在上海举行，同日工信部表示将物联网技术纳入“十二五”规划的战略性新兴产业当中。随着中央政策的有效部署，各地方政府也纷纷出台各类支持政策。无锡自2009年温家宝总理视察该市并提出建立“感知中国中心之后就在新区划定了一块面积20平方公里的区域专门吸纳三大电信运营商与物联网产业相关企业落户，投入数亿元与外企建立合资公司，与国内多所在信息技术领域领先的科研院所与高校签订协议合作推进产业研究，致力于成为首个国家传感网创新示范区。紧接着，武汉、重庆、深圳也都先后出台了类似的政策；而上海与北京市政府则在多个场合表示已经联合当地的科研院所，着手制定物联网三年发展专项规划；作为改革开放最前沿的广东省启动“智慧广东”计划，推进物联网和互联网结合。2010年6月中国物联网标准联合工作组在北京成立，以推进物联网技术和标准的制定。目前，在这一行业已经形成了以新大陆科技集团、深圳市远望谷信息技基于物联网的汽车防盗系统的研究设计技术、杭州新世纪信息技术、奥维通信、厦门信达等设备企业为主导，众多中小型企业同步迅猛发展的趋势，但相关企业并无太多动作，主要是对高端技术的研究，而非已实现新技术的量产，技术、标准、成本甚至是体制上都有若干因素限制了物联网产业前进的脚步引。在现实生活中已可见物联网的具体应用，如高速公路不停车收费，物流监控，智能家居，安全防卫，远程医疗和电力安全等各个领域，如海尔推出的物联网冰箱和物联网空调以及无锡220千伏物联网智能变电站的投入运行等，只不过这些仅是物联网的雏形，还尚未形成一个庞大的网络。国内物联网产业的参与者对物联网所带来的机遇都有着积极构想，随着支持政策与产业专项规划的确立、技术标准统一化的推进，物联网产业有望吸引更多人力和资金的涌入，而参与各方也将在物联网上描绘出更加壮丽的未来图景，物联网的发展将对社会生活产生深远影响。2国外物联网发展现状在国外及欧美国家对于“物联网的非常重视，据资料显示，美国的奥巴马政府对更新美国信息高速公路提出了更具高新技术含量的信息化新的方案，鼓励推动物联网技术应用于能源、宽带和医疗三大领域；欧盟发布了下一代全欧移动宽带长期演进与超越以及ICT研发与创新战略，加强研发力度，提高网络智能化水平；日本政府紧急出台了数字日本创新项目ICT鸠山计划行动大纲，把政策重心从单纯关注居民生活品质提升拓展到带动产业及地区发展，促进地方经济发展，实现无所不在的网络社会环境；同时，澳大利亚、新加坡、法国、德国等其他发达国家也加快部署了下一代网络基础设施的步伐，全球信息化正在引发当今世界的深刻变革，世界政治、经济、社会、文化和军事发展的新格局正在受到信息化的深刻影响。在不久的将来，更具智能性的信息基础设施逐步与传统的基础设施融合，更加智能化的网络也将会逐步得到普及。美日等发达国家在对物联网技术不断研发的基础上在多领域进行了应用：英特尔将32个传感器连进互联网，以读出缅因州“大鸭岛上的气侧，评价一种海燕巢的条件，该公司也开发出了用于家庭护理的无线传感器网络系统，可帮助老年人，以及残障人士的家庭生活；日立开发出全球体积最小的传感器网络终端，可应用于大楼与家庭的无线传感器以及安全管理方面；在旧金山，技术人员用物联网技术测定会门大桥风速。2.3物联网相关技术物联网已成为目前IT业界的新兴领域，物联网技术涵盖了从信息获取、传输、存储直至应用的全过程，都要有所创新才能促进其发展。人与人之间的信息交互和共享是互联网的基本功能，而在物联网上更强调人与物、物与物之间的自动信息交互，它是实现物理世界和信息世界的无缝连接。在不久的将来，更具智能性的信息基础设施逐步与传统的基础设施融合，更加智能化的网络也将会逐步得到普及。连接到物联网上的物应该具有地址标识、感知能力、通信能力和可控力等特征，这些特征需要特定的技术来支撑，由此可将物联网技术划分为信息采集技术、网络通信技术和数据融合与智能技术。2.3.1 信息采集技术信息采集技术是实现物联网的基础，主要采用电子标签和传感器等方式完成，传感器用来感知采集点的环境参数，如温度、震动等，电子标签用于对采集点的信息进行标准化标识，通过射频识别读写器等实现物联网数据采集和设备控制。在信息采集技术中，电子标签用于对采集的信息进行标准化标识，数据采集和设备控制通过射频识别读写器等实现。RFIDl211通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便，可与互联网、通信等技术相结合，实现全球范围内物品跟踪与信息共享。RFID电子标签是近几年发展起来的新型产品，也是替代条形码走进物联网时代的关键技术之一。所谓RFID电子标签就是一种把天线和IC封装到塑料基片上的新型电子卡片，具有数据存储量大、小巧轻便、使用寿命长、防水、防磁和安全防伪等特点。RFID读写器和电子标签之间通过电磁场感应进行能量、时序和数据的无线传输。在RFID读写器天线的可识别范围内，可能会同时出现多张电子标签，如何准确识别每张卡，是电子标签防碰撞(也叫防冲突)技术要解决的关键问题。传感技术主要研究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。电子标签作为数据载体，能起到标基于物联网的汽车防盗系统的研究与设计识识别、物品跟踪、信息采集的作用。电子标签与读写器、天线和应用软件构成的RFID系统直接与相应的信息管理系统相连，每一件物品都可以被准确地跟踪和定位，这种全面的信息管理系统能为客户带来诸多利益，包括实时数据的采集、安全的数据存取通道、离线状态下就可以获得所有产品信息等。在国外，电子标签技术已被广泛应用于诸如工业自动化、商业自动化等众多领域；在国内，电子标签技术虽然没有国外的技术先进，但也在快速发展之中，并已经应用于物流管理，产品防伪，工业生产，汽车不停车收费系统等领域，具有广阔的发展前景。论文所设计的信息采集系统由电子标签、阅读器和中间件组成，主要应用的是RFID技术，通过射频方式进行信息采集，并就多标签和阅读器之间的防碰撞问题做了深入的分析，并提出了一种基于时间分组的帧时隙ALOHA算法，以提高系统的吞吐率，减少碰撞。2.3.2 网络通信技术在物联网的机器到机器、人到机器和机器到人的信息远程传输中，有多种技术可供选择，目前主要有有线(如DSL、PON等)、无线(如CDMA、GPRS、IEEE80211abg WLAN等)等比较成熟的通信技术，此外，正在发展中的IP互联网、3G移动通信技术、卫星通信技术等也能实现了物联网信息的远程传输，特别是以IPv6为核心的下一代互联网的发展，具有丰富的地址资源，将为每个传感器分配IP地址创造可能，可以满足物联网对网络通信在地址、网络自组织以及扩展性方面的要求，为物联网的发展创造了良好的基础网条件。随着自动化程度的不断提高，对数据信息的远程采集与传输要求也日益提高。在性能上光纤网络拓朴结构无疑是首选，但在价格上基于IP或利用现有网络拓朴结构的方案更经济，要想在满足传输速度和效率的同时减少实现成本，需要综合考虑，以充分利用高速IP网络和已有的通信链路，为物联网应用的推广创造更多的有利条件。论文中采用了光纤通信的公安专网作为主接入网，同时采用技术比较成熟的GSMGPRS无线网络通信模块作为辅助接入网，保证系统安全的同时扩大了防盗范围，有利于系统的应用和推广。2.3.3 数据融合与智能处理技术物联网是由大量传感网节点构成的，在信息感知的过程中，采用各个节点单独传输数据到汇聚节点的方法是不可行的。因为网络存在大量冗余信息，会浪费大量的通信带宽和宝贵的能量资源。此外，还会降低信息的收集效率，影响信息采集的及时性，所以需要采用数据融合与智能技术进行处理。所谓数据融合是指将多种数据或信息进行处理，组合出高效且符合用户需求的数据的过程。在传感网应用中，多数情况只关心监测结果，并不需要收集大量原始数据，数据融合是处理该类问题的有效手段。分布式数据融合技术需要人工智能理论的支撑，包括智能信息获取的形式化方法、海量信息处理的理论和方法、网络环境下信息的开发与利用方法，以及计算机基础理论。同时，还需掌握智能信号处理技术，如信息特征识别和数据融合、物理信号处理与识别等。智能处理技术是为了有效地达到某种预期的目的，利用知识分析后所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统，可以使得物体具备一定的智能性，能够主动或被动的实现与用户的沟通，这也是物联网的关键技术之一。智能分析与控制技术主要包括人工智能理论、先进的人机交互技术、智能控制技术与系统等。物联网的实质是给物体赋予智能，以实现人与物体的交互对话，甚至实现物体与物体之间的交互或对话。为了实现这样的智能性，例如，控制智能服务机器人完成既定任务包括运动轨迹控制、准确的定位及目标跟踪等，需要智能化的控制技术与系统。中间件技术的应用能有效地对海量物联网信息和事件流进行加工和处理，并且在系统拓展时避免对最底层的系统进行开发，使其网络优化更方便，应用更广泛。中间件是物联网的神经系统，是一种通用的管理EPC数据的构架，它对标签中的数据进行过滤、分组和计数，以减少发往信息网络系统的大量原始数据量，生成加入了语义解释的事件数据，并防止错误识读、漏读和多读信息。中间件具有强大的通信能力和良好的可扩展性，具有标准的通信协议和接口，具备通用性和易用性，分布式计算，提供网络、硬件和操作系统的透明性，能满足大量的应用需求，能运行于多种硬件和操作系统平台，实现数据共享和应用互操作。论文采用了中间件技术，并对中间件的各部分结构的功能进行了设计，同时提出了两种信息处理方法，实现了标签过滤和去重过滤。2.4 物联网应用中的关键技术分析物联网从信息采集到进入后台管理系统应用和存储过程中，面临着各方面的问题，最重要的几方面是信息采集过程中射频识别系统的碰撞问题，下面就对这些问题进行相应的介绍。2.4.1 射频识别中的防碰撞技术在RFID系统中，阅读器和标签通信共享无线信道，当多个相邻的阅读器同时询问一个标签时，标签无法识别查询，产生阅读器碰撞；当多个标签同时响应一个阅读器，阅读器不能识别标签，就发生了标签碰撞。无论何种碰撞都会导致识别失败，降低通信和传输效率。由于阅读器之间能够相互通信，能够探测碰撞，因此阅读器碰撞比较容易解决。功能简单的电子标签之间不能相互通信，也不能探测碰撞，防碰撞的难度较大。下面主要介绍一下多个标签在同一阅读器识别范围内的碰撞算法。目前RFID系统使用的多标签防碰撞算法是从多路存取中的时分多路(TDMA)法发展起来的。TDMA是把整个可供使用的通路容量按时间分配给多个用户的技术，处理冲突的方法主要分为两种：基于ALOHA的算法和基于二进制搜索的算法。一、基于ALOHA的算法基于ALOHA的防碰撞算法要求读写器作用范围内的电子标签依据自己的序列号随机产生应答时间，到达阅读器时如果有冲突，则电子标签要等到下一轮时间段到来时再重新产生响应时间，在经过一些时间段之后这类算法可以以一定的概率完成对作用范围内的一定数量标签的识别。这类算法主要有：经典 ALOHA法、时隙ALOHA法、帧时隙ALOHA法及其改进算法。1时隙ALOHA算法(SA算法)在经典ALOHA算法的基础上把时间分成多个离散时隙，并且每个时隙长度要大于标签回复的数据长度，标签只能在每个时隙内发送数据。此算法要求电子标签拥有一个唯一的序列号并且所有的标签必须由阅读器控制，在规定的同步时隙内传输数据包，阅读器在周期性循环时隙内发送读信号，处于读写器工作范围的标签被随机分配到各个时隙。在每个时隙中，标签收到指令之后把ID传给读写器，当一个时隙内分配了多个标签时，就会产生冲突，读写器会跳过发生冲突的时隙直到找到有唯一标签的时隙。读完后，继续将时隙随机地分给标签，直到读完所有的标签。采用时隙ALOHA算法的RFID系统的特点是：SA算法因为有读写器控制在同步时隙内传送数据，可能发生冲突的时间区就缩短了一半，吞吐率最大可达368，较经典ALOHA算法增加了一倍，但仍局限于只读型电子标签。2.帧时隙ALOHA算法(FSA算法)帧时隙ALOHA算法(FSA算法)是ALOHA算法的另一种扩展方法，阅读器将一帧划分多个时隙，每个时隙的长度足可以满足标签的响应时间。当阅读器发送其请求后，便等待标签的回应。标签接到请求信号后，随机地选择一个时隙进行通信。在一个时隙中只有一个标签回答时，阅读器可以分辨出标签；在一个时隙中没有标签回答时，跳过此时隙；当在一个时隙中有多个标签回答时，发生冲突，需要重新开始读取过程。其具体操作如下：1)将N个时隙打包成一个帧，帧大小固定，在整个标签识别过程中不改变帧的大小，每一帧的最大时隙数N需要预先设定为某默认值；2)阅读器把帧的大小和在帧中用来选择时隙的随机数发送给标签，每个标签利用这些随机号码来选择时隙号码，并且标签在每一个帧(即N个时隙)中只随机发送一次信息。3)基于物联网的汽车防盗系统的研究设计表21显示了固定帧时隙ALOHA算法的过程，在这里帧的大小被分成3个时隙，在读的第一轮循环中，标签1和标签3同时在时隙1中传输它们的序列号，标签2和标签5在时隙2中传输各自的序列号，可是这四个标签发生了冲突，它们只有在下一轮中继续传输。图中阅读器在第一轮成功地识别了标签4(在时隙3中只有标签4传输序列号)。该算法的帧大小固定，因此运用简单易行，但鉴别标签的效率不高，假设有多个标签在所有的时隙都发生冲突，即使读过程无限循环，阅读器也将无法鉴别任何一个标签。此外，该方法需要阅读器和标签之间的同步操作。 表2-1 帧时隙ALOHA算法的过程向上传输请求帧时隙1时隙2时隙3向下传输冲突冲突11001100标签110000001标签210011000标签310001011标签410110000标签511001100 采用FSA算法的RFID系统特点是：适用于传输信息量较大的场合，但当标签数量远大于时隙个数时，读取标签的时间将会大大增加，在标签数远小于时隙个数时，就会造成时隙的浪费。3、动态帧时隙ALOHA算法(DFSA算法)动态帧时隙ALOHA算法(DFSA算法)是一种改进的帧时隙ALOHA法，该算法中阅读器能动态改变(增加或减少)下一次阅读循环中每帧的时隙个数。系统工作过程中，阅读器依次在每个时隙接收标签发送的信息，当一个时隙无信息或者该时隙信息无法识别时，阅读器就进行下一个时隙信息的读取。一帧结束后，阅读器根据冲突的情况调整帧的长度，开始新一帧的识别，直到无冲突为止。采用DFSA算法优点是：由于帧的时隙数是动态产生的，其时隙数可变，解决了FSA算法中时隙的浪费问题。但是，此算法需要进行标签数量估计，帧长的动态调整也较难实现，影响系统的识别效率。二、基于二进制搜索的算法基于二进制搜索的算法是阅读器根据接收到的来自标签的应答，发送不同的请求信号或命令，通过二叉树查找的方法，从作用范围内的标签中筛选出唯一标签进行通信，通常应用于UHF频段的产品，主要方法有二进制搜索算法和动态二进制搜索算法。1二进制搜索算法二进制搜索算法BS(Binary search algorithm)采用Manchester编码为了实现这个算法系统，需要一组能由标签处理的命令。此外，每个标签拥有一个唯一的序列号。通过多次比较，不断筛选出不同的序列号，时分复用地进行阅读器和标签之间的信号交换。为了选择标签，阅读器发出请求命令将标签序列号的数据传输到阅读器上，通过检测冲突位置，并以防碰撞命令的方式逐步通知不符合要求的标签退出循环。最后剩下的那个标签被识别，阅读器获得与它通信的权利。通信完成后，阅读器会发出命令要求该标签进入休眠状态(对阅读器发出的所有命令不响应)，其他的标签将在接下来的防碰撞循环中被阅读器访问到。对二进制搜索算法功能的可靠性起决定作用的是所有的标签需要准确的同步，使这些标签准确地在同一时刻开始传输它们的序列号。只有这样，才能按位判定冲突的发生。2动态二进制搜索算法动态二进制搜索算法是在二进制搜索算法的基础上，其实现过程主要依赖于信息采集系统和信息管理系统，信息采集系统实现信息的采集、加工和处理，信息管理系统实现汽车数据的管理和利用。此防盗系统在实现过程中的关键问题包括多标签防碰撞识别技术、中间件的信息处理技术和系统的安全技术。不传输阅读器和标签的序列号的互补部分，从而减少了阅读器与标签的通信量，减少了算法系统耗在序列号上的传送时间，即提高了系统的执行效率，增加了阅读器识别的速度，算法也增加了复杂性。2.4.2 中间件信息处理技术基于时间分组的帧时隙ALOHA算法的实现流程如图42所示。中间件提供的程序接口定义了一个相对稳定的高层应用环境，不管底层的计算机硬件和系统软件怎样更新换代，只要将中间件升级更新，并保持中间件对外的接口定义不变，应用软件几乎不需任何修改，从而简化了企业在应用软件方面的开发并减少实现成本和维护成本。由于物联网的应用是由大量传感器节点构成的，在信息感知过程中，网络中会产生大量冗余数据，占用通信带宽和能量资源，降低采集效率和及时性。中间件技术的应用能有效地对海量物联网信息和事件流进行加工和处理，并且在系统拓展时避免对最底层的系统进行开发，使其网络优化更方便，应用更广泛。中间件是物联网的神经系统，是一种通用的管理EPC数据的构架，它对标签中的数据进行过滤、分组和计数，以减少发往信息网络系统的大量原始数据量，生成加入了语义解释的事件数据，并防止错误识读、漏读和多读信息。2.4.3 物联网系统安全技术目前，物联网逐渐被人们认识和应用，它可以将人们和身边无数物品联系起来，使物品成为网络中用户的一份子，并给人们带来诸多便利。但是，在享受物联网带给人类便利的同时，物联网在信息安全方面也存在一定的局限性。1信号的干扰随着物联网的兴起，个人和国家对物联网的依赖会越来越大，但是如果物联网中相关信号被干扰，对个人和国家相关机构的信息安全会造成威胁。机械式防盗器的优点是价格便宜，安装简便；缺点是使用不隐蔽，防盗不彻底，拆装麻烦。机械式防盗器只防盗不报警，主要起到限制车辆操作的作用，在防盗方面作用有限。个人通过物联网能够智能化、有效地管理自己的生活，而不需要人为的干涉。2恶意的入侵物联网建立在互联网的基础上，对互联网的依赖性很高，在互联网中存在的危害信息安全的因素在一定程度上同样也会危害到物联网的安全。随着互联网的发展，病毒攻击、黑客入侵、非法授权访问等都会对互联网用户造成损害。与此同时，在物联网环境中互联网上传播的病毒、恶意软件如果绕过了相关安全技术的防范(如：防火墙)，对物联网的授权管理进行恶意操作，掌握和控制他人的物品信息，就会造成对物品的侵害，进而对用户的隐私造成侵犯。更让人担忧的是类似于银行卡、信用卡、身份证等敏感物品，如果被其他人掌控，不仅造成个人损失，而且还对整个社会的安全造成威胁。3基于物联网的汽车防盗系统核心设计3.1基于物联网的汽车防盗系统架构设计该构架的主要特征为：(1)以已有的公安专网作为接入网，降低了实现成本，提高了通信的安全性和可靠性，并可与公安车辆管理系统进行信息交互，以获取被盗汽车更详细的信息，为追回被盗汽车提供更多线索。(2)以移动通信为辅助接入方式，提高了防盗系统的覆盖范围，增强了系统的可扩展性。 (3)应用中间件技术进行信息预处理，减少了数据冗余，提高了传输效率，同时可屏蔽网络硬件平台的差异性和操作系统与网络协议的异构性。系统各组成部分的详细功能设计如下本论文所设计的基于物联网的汽车防盗系统架构如图3.1所示。标签阅读器中间件移动通信网和公安专网汽车用户互联网信息处理终端车辆管理系统信息采集系统信息传输系统信息管理系统图3.1系统架构图信息采集子系统负责收集汽车标签信息，经过加工处理后传送至信息传输子系统，包括标签，阅读器和中间件。其中，标签是汽车的信息载体，是对汽车特征的描述，主要由天线和芯片组成。阅读器是用来识别标签的电子装置，其基本任务是激活标签，与标签建立通信并实现数据交换，并将收集的标签传送至中间件。中间件是加工和处理来自识读器的所有信息和事件流的软件，主要任务是在将数据送至移动通信网和公安专网之前进行数据校对，数据传送，数据存储和任务管理等。信息传输子系统将信息采集子系统采集并处理过的数据传输到信息管理子系统，实现汽车信息的共享和存储管理，论文采用公安专网、移动通信网和互联网来共同架构该子系统，以公安专网作为主要接入网，实现汽车信息的安全传输，并将汽车信息传送至本地信息处理中心和互联网，实现汽车信息的存储、管理和共享；在公安专网覆盖不到的区域，移动通信网通过内置在中间件中的通信模块接收汽车信息，并传递给公安专网；车辆管理系统可使汽车用户通过因特网获取所需要的汽车信息，同时为公安专网提供被盗汽车更详细的信息；互联网作为核心网，为车主提供汽车的实时信息和历史数据查询服务，方便车主随时了解其汽车的实时状况。信息管理子系统是对汽车信息进行录入、查询和对被盗汽车稽查的终端处理系统，是汽车防盗系统最核心的系统。车主可以通过信息管理系统获得关于其汽车的更多服务信息，公安人员可以通过信息管理系统对汽车进行跟踪定位，实时获取汽车的运行状况，并利用阅读器的地理位置锁定被盗汽车所处位置，及时快速的追回被盗汽车。3.2信息采集子系统设计3.2.1 标签设计标签是防盗系统的信息源，其设计包括标签内容设计、标签安装位置设计、标签选型及工作模式设计。论文设计的主要特点是：采用有源双频模式，可对远距离高速运行中的汽车进行信息采集；内部芯片嵌入必要的汽车信息，便于公安机关快速获取被盗汽车的信息并尽快通知车主汽车被盗情况；外形为卡片状，可防拆卸。1标签内容设计标签作为汽车信息的载体，是由天线和芯片组成的。芯片内存储着与汽车相关的各种信息，可根据车主需要或者芯片的内存容量设置存储信息的内容。如果芯片内仅存储标签的EPC编码，那么EPC代码便成为信息的引用者，可通过EPC编码查询存储在互联网或者本地服务器资源中的汽车信息。但论文设计系统的应用中，车主需要实时获取汽车信息，汽车信息管理系统需要根据汽车的详细信息对其进行定位和追踪，所以标签中应嵌入更为详细的汽车信息，以使汽车信息更易于使用和编辑成短信发送给车主，由于阅读器与标签通信过程中会产生碰撞问题，通信量过大会增加时延，故内嵌信息应尽量少。标签信息按照EPC编码体系标准以二进制代码的形式存储在标签芯片内，标签芯片信息可通过读写器写入或读取，当汽车易主或者标签内相关信息变化后，车主应带齐相关证件到公安机关修改标签内容，并将修改内容记录在信息管理系统。信结束后，标签恢复休眠状态。系统中汽车标签的内部结构如图32所示。低频模块高频模块射频接口逻辑控制单元存储模块电源天线图3-2汽车标签内部结构图3.2.2 阅读器设计阅读器的设计包括阅读器的选择、位置安装以及对标签信息处理的设计。主要特点是阅读器采用双频工作模式，接收标签信息后将自身ID加载到标签信息中，生成含有阅读器地理位置标识的信息数据，使系统可以利用阅读器的地理位置实现对汽车的实时跟踪定位。1阅读器的选择阅读器用于采集汽车电子标签所附带的信息，其设计和工作模式依赖于电子标签，所以在本系统中，对应于双频电子标签，阅读器采用双频阅读器，分为固定式和手持式。手持式阅读器用于近距离对电子标签信息进行写入和读取，在本系统中较少使用；固定式阅读器的安装既要实现广覆盖，也应尽量避免资源浪费，应合理安装，减少实施成本。2阅读器位置安装设计阅读器应安装在汽车能通行的所有路段，以及重要的汽车通行节点，如城市进出口收费站和停车场进出口等处，以消除盲区。两个阅读器之间的距离应大于标签识读距离的两倍，以减少标签能耗，同时在交通繁忙的路段，阅读器数量可适当增加，且应能有效防止标签信息冲突，保证同时能识别多个电子标签。在车辆通行量少的路段，阅读器间距还可适当增大，以减低成本，但应保证两个路口之间至少安装一个阅读器。在城市以外的路段汽车通行量少，可适当减少阅读器的数量，能保证汽车信息能够采集到即可。同时，还应注意阅读器设备的安全性，尽量安装在较隐蔽的地方或者采取防护措施，防止阅读器被人为破坏。3阅读器对标签信息的处理设计当被盗汽车进入阅读器的识别范围时，安装在汽车上的电子标签被激活，并与阅读器进行通信，其内部存储的信息以射频信号形式传送至阅读器，标签信息在阅读器的微处理器内进行解密和纠错，然后阅读器将自身ID加载到标签信息中，生成含有阅读器地理位置标识的信息数据，并将生成的数据传送至中间件进行进一步的处理。标签信息和经过阅读器处理后的数据信息如图34所示。汽车信息数据 EPC编码 数据部分 阅读器ID 数据部分标签信息处理后的数据信息图3.3数据信息处理3.2.3 中间件安装设计直接从阅读器获取电子标签上的数据会产生大量的冗余数据，如对相同标签的重复阅读等，读写器异常或者标签之间的相互干扰，有时采集到的EPC数据可能是不完整的或是错误的，甚至出现漏读的情况，中间件技术可解决以上问题。中间件利用分布式结构，层次化的进行组织、管理数据流，可以控制读写器按照预定的方式工作，保证不同读写设备之间能很好的协调配合，并按照一定的规则对来自阅读器的信息和事件流筛选过滤数据，消除冗余，将真正有效的数据传送给汽车信息管理系统。当基于物联网的汽车防盗系统项目扩大时，如增加阅读器的数量，更改阅读器的类型，或者汽车信息管理系统升级等，只需对系统的中间件进行相应的设置，便可完成射频识别数据的顺利导入，从而避免低层应用程序开发，缩短项目施工周期，降低实施成本。为节省成本，一个中间件装置可连接10个阅读器，并置于金属保护箱内，具有防破坏性，阅读器较少的区域可适当减少连接数量，要保证每个阅读器都与附近的中间件相连，中间件再接入附近的公安专网线路，将经过加工处理的汽车信息传送至公安机关的信息管理系统。在没有公安专网覆盖的区域，中间件装置内设移动通信模块能与移动通信基站进行通信，移动通信系统再将收集到的信息接入公安专网和互联网，实现汽车信息有效管理和共享。3.3 信息传输子系统设计信息传输子系统的设计主要是接入网和骨干网的设计。论文设计的主要特点是：采用公安专网和移动通信网作为系统接入网，提高了汽车信息的安全性和传输可靠性，在保证防盗的同时降低了实现成本；采用因特网为系统骨干网，方便被盗汽车的车主获取汽车的实时信息和历史数据。3.3.1 接入网设计接入网可以是重新设计的一个新型网络，以满足对汽车信息的高速和安全传输，但网络协议的制定，网络布线等必然加大成本的投入和实施的难度；也可采用无线网络，如WLAN，GPRS等网络，但无线网络数据传输的安全性，稳定性较差，数据传输速度也不能