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物联网概论课程教学研讨 DAMAChina国际数据管理学会中国分会模型与架构学组主任江苏省智慧城市促进会副会长江苏省智能建筑学组委员江苏省信息中心研究员南京师范大学泰州学院教授 客座 田景熙 研讨内容 物联网基本概念物网教学面临的矛盾与需求 物联网概论 简称 概论 的教学设计 概论 的教学内容 概论 教学的难点交流 2010年温家宝总理在第十一届人大第三次会议上所作的政府工作报告中对物联网的定义 物联网是指通过信息传感设备 按照约定的协议 把任何物品与互联网连接起来 进行信息交换和通信 以实现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 它是在互联网基础上延伸和扩展的网络 一 物联网定义 物联网的基本架构 感知层 主要功能是实现物体的感知 识别 监测 数据或数据变化采集 以及反应与控制等 主要由遍布各种建筑 楼宇 街道 公路桥梁 车辆 地表和管网中的各类传感器 二维条形码 RFID标签和RFID识读器 摄像头 GPS M2M MachinetoMachine 设备及各种嵌入式终端等组成的传感器网络 它是物联网的基础 接入层 由各类有线与无线节点 固定与移动网关组成各种通信网络与互联网的融合体 可用网络包括互联网 广电网络 通信网络等 但由感知层采集的大量数据接入 并实现M2M应用的大规模数据传输时 仍需解决新业务模式对系统容量 服务质量的特别要求 处理层 中间件层 对应图中中间件层 由目录服务 管理U Web服务 建模与管理层 内容管理 空间信息管理等组成 实现对应用层的支持 该层的发展是物联网管理中心 资源中心 云计算平台 专家系统等对海量信息的智能处理 应用层 将物联网技术与各类行业应用相结合 实现无所不在的智能化应用 如物流 安全监测 农业 灾害 危机管理 军事 医疗护理等 特点 物联网属信息化领域信息化 信息 信息技术 与信息相关的基础设施 信息改变了美国 驱动国家转型的力量 钱德勒 概论 内容应涵盖这三领域感知密集 交互密集 集成密集与控制密集的应用领域 如智慧城市建设领域 概论 应从应用出发 反映其技术特征 应用行业各领域知识点 集中在底层 物联网的涉及的五个关键技术 射频识别技术 无线传感网技术 嵌入式技术 纳米与微机电技术 分布式管理技术 一 RFID技术 利用射频信号及其空间耦合和传输特性进行的非接触双向通信 实现对静止或移动物体的自动识别 并进行数据交换的一种识别技术 射频识别系统包括射频标签和识读器两部分 射频标签悬挂或安装在产品或物体上 由射频识读器读取存储于标签中的数据 具有识读距离远 相对于条形码 识读速度快 不受环境限制 可读写性好 可同时识读多个物品等优点 二 无线传感网 WirelessSensorNetwork WSN 通过传感器和无线网络的结合 可自动感知 采集和处理其覆盖区域中被感知对象的各种变化的数据 让远端的观察者通过这些数据判断对象的运行状况或相关环境发生的变化 以决定是否采取相应行动 或由系统按相关模型的设定自动进行调整或响应等 随着传感器价格下降 以及产品附加值的提升 各种新兴应用不断被创造出来 其中又以消费性产品市场最被看好 三 嵌入式技术 EmbeddedIntelligence 将硬件和软件结合 组成嵌入式系统的技术 嵌入系统是将微系统嵌入到受控器件内部 为实现特定应用的专用计算机系统 嵌入式技术广泛应用于工业控制 交通管理 智能建筑 信息家电等诸多领域 四 纳米与微机电技术 NanotechnologyandMicroElectroMechanicalSystems 为让各种对象都具备联网及数据处理能力 芯片微型化和精准度的重要性与日俱增 在微型化上 利用纳米技术开发出更细微的机器组件 或创造出新结构与材料 以应对各种恶劣的应用环境 在精准度方面 微电技术已有突破性进展 在接收自然界的声 光 震动 温度等模拟信号后转换为数字信号 再传递给控制器响应的一连串处理的精准度上提升了许多 五 分布式信息管理技术 在物物相联的环境中 每个传感节点都是数据源和处理点 都有数据库存取 识别 处理 通讯和响应等作业 需要用分布式信息管理技术来操纵这些节点 分布式管理系统需要解决的问题 组织上分散而数据需要相互联系 系统单元的自动扩充 均衡负载的需求 系统中数据库的自动结合 系统高可靠性与可用性的保证 从分布式信息管理系统的发展上看 总体需求应满足物联网的 智能空间的有效运用 effectiveuseofsmartspaces 不可见性 invisibility 本地化可伸缩性 localizedscalability 和屏蔽非均衡条件 maskingunevenconditioning 通过将计算基础结构嵌入到各种固定与移动物体对象中 一个智能空间 SmartSpace 将两个世界 指移动和固定空间 中的信息联系在一起 舆论炒作和应用迟滞的矛盾局部供给规模化与社会需求碎片化的矛盾技术供给分散化与需求一体化的矛盾法治 技术 安全与管理等的不配套性与不确定性的矛盾人 机对话与物 物对话间的矛盾标准化建设滞后的矛盾高效率与安全性的矛盾 二 物联网领域面临的矛盾与需求 课程设计的产业背景 舆论炒作过热化和应用普及迟滞化的矛盾物联网与互联网兴起的时代差异领跑国家状态的差异领跑企业群体的差异建设内容的差异核心应用的差异 等等 局部供给规模化 如RFID WSN等 与社会需求碎片化的矛盾对比互联网 应用已深入国计民生的各个层面国计 缺少如电子政务 十三金工程 一类宏观应用的驱动 金卡 金桥 金关 金盾 金质 金水 金宏 金智 金税 金农 金土 民生 缺少如B2B B2C C2C G2B等电子商务全局性的市场需求与拉动 物联网 各领域都在寻求拉动全局 覆盖国计民生各领域的应用 这给课程设置带来了方向性的难度 技术供给分散化与需求一体化的矛盾生产 缺乏能整合上下游供应厂商的产品总成应用 缺乏能整合某个领域的整体集成解决方案生态 未建立起生产 营销 服务一体化的产业生态链如 产业生态典型如iPhone 从最上游的产品设计 生产 包装 营销造势 下流大批中小型软件开发商 以及最末端数以亿计的 果粉 形成一条完整的产业生态链 全面创造并引领公众需求 循环往复 这也给 概论 的内容设计带来困难 4 法治 技术 标准 安全管理等的不配套性与不确定性的矛盾如芯片 沉默权 与 启用权 等 就是法治 技术 标准与安全的融合体 欧洲行动3 芯片沉默 欧盟委员会曾开展有关 芯片沉默权利 技术和法律层面的辩论 涉及不同用户在使用不同名字表达个人想法时 可随时断开其网络 2009年6月 欧盟在比利时首都布鲁塞尔向欧洲议会 欧洲理事会 欧洲经济与社会委员会和地区委员会提交了 物联网 欧洲行动计划 灭活权 许多芯片应用时均需按规定预设 灭活编码 如某公司按欧洲标准生产的传感器芯片 ALN 9640 Higgs 3 ALN 9740 Higgs 4 Squiggle Inlay支持协议 EPCClass1Gen2 ISO18000 6C 芯片 Higgs 3全球操作频率为840到960MHzEPC码 96Bits 可扩展到480Bits用户内存 512Bits唯一标识编码 64 bit访问编码 32 bit灭活编码 32 bit 沉默权 启用权 灭活权等目前仍在探讨中 管理亦有难处 5 人 机对话与物 物对话的矛盾 物 物对话构成新问题 在传感层中 如M2M为机器间直接对话 交互与操控 使用的不是ASCII码 如EPC代码等机读标识与指令 其结果也非向人们呈现的 这对物联网信息资源体系提出挑战 传感网层中的信息变化 也传导到上三层传信息资源体系中 传统信息资源的层次性 相对性与转换性 信息资源 金字塔 模型中 三层资源间存在着相对性与转换性 相对性与转换性加剧了物联网系统资源建设 加工与维护的困难与复杂性 底层传感网的资源 与顶层应用中的形态与功能有极大区别 物联网在横向应用中将面对的资源整合困难 物联网的理想资源环境 三层资源规范 有序 不同行业与领域间横向融合 三层资源纵向整合 形成统一的资源 金字塔 各层资源标准化建设的大课题 6 物联网领域标准化问题 标准 涉及信息技术 信息基础设施 信息内容领域 1 技术领域RFID 标签信息 感知 记录 由无线数据网发至后台 实现对象识别 如EPC体系 现GS1在力推全球标准 传感器 感知 前端 获取并处理和变换信息 标准涉及传感器 信息处理和识别的设计 开发 制造 测试 应用等对象和领域 无线网 物品间与人和物间的交流 感知 的扩散 数据传输网络 包括各种远近距离无线连接的语音和数据网络技术 人工智能 系统模拟人的思维过程和智能行为 如学习 推理 思考 规划等 的技术 对 感知 内容分析 自动处理 云计算 实现对海量 感知 数据的存储 计算 国内技术标准进展各国目前都在制定该领域的标准 09年 我国信息标准化委员会传感器网络标准工作组成立了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 但 硬件 软件 资源与管理等方面的标准仍处理落后状态 在国际 国家和企业等层面上 新的和传统的信息标准均不能满足物联网的发展需求 实例 大量传统信息内容标准落后 仍是 手工 主机 计划经济时代的产物 无法满足物联网 感知中国 的应用 典型如 GB2260 中华人民共和国行政区划代码 给物联网在城市应用带来困难 省 市 市 县 区 感知规模问题 如 智慧城市建设 大型 特大型城市不断出现并持续扩张 区 县规模早已超出一座中小型城市 传统标准能满足城市精准管理 感知层级问题 街道 社区 居民楼 住户 感知物件 对象问题 现代城市地下 地表 空间物件大量出现 如何区别每种对象 分析 信息资源标准 7 高效率与安全性间的矛盾 2009年2月 IBM提出 智慧地球 概念 其应用涉及电网 铁路 桥梁 隧道 公路 建筑 供水系统 大坝 油气管道等的自动监测与管理 2010年4月 工信部前部长李毅中指出 要警惕IBM陷阱 他指出 通过传感网和互联网的应用 智慧地球 虽可极大地提高效率 但美国试图利用其信息网络技术 控制各国的经济 所以 我国发展战略性新兴产业时 必须提高警惕 不能受制于人 智慧城市的任何应用 均涉及国民经济与社会发展各领域的基础 国家战略设施 与国家安全休戚相关 本节小结 上述问题与矛盾 是物联网发展迟滞的部分原因 市场的切入与突破 是又一根本原因 MarkWeiser 1952 1999 的伟大构想计算机将最终 消失 演变为在我们没有意识到其存在时 就已透明地融入人们的生活中的境地 这些最具深奥含义的技术将隐形消失 变成 宁静技术 潜移默化地无缝融合到人们的生活中 直到无法分辨为止 计算机等智能设备的 普物化 是信息化发展的大方向 三 物联网的起源 物联网 从普适计算思想开始 强调把计算嵌入到环境或日常工具中 让其从人们的视线中消失 让人们注意的中心回归到要完成的任务本身Weiser的思想在90年代后期开始在国际上得到广泛关注和接受 目前已成一个极具活力和影响力的研究领域 构想实现的技术基础与趋势 35 year log peoplepercomputer streaminginformationto fromphysicalworld Mainframe Minicomputer Workstation PC Laptop PDA 按其设备的主导形态分为四个阶段 主机 大型机的联网 其体积庞大 运行条件苛刻 专业人员操作且人机界面友好性差 台式机 笔记本的联网 普通人经过培训即可操作 嵌入式智能物件等与日常生活密切相关设备的互感 互联 互通 以手机为代表的各类移动设备的互联 无需培训即可操作 界面简单友好 根据 中国物联网发展十二五规划 突出如下特点 1 迅速发展的产业 RFID产业市场规模超过100亿元 全国1600多家单位从事传感器研制 生产和应用 年产量达24亿只 市场规模超过900亿 其中 微机电系统 MEMS 的市场规模超过150亿元 通信设备制造业具有较强的国际竞争力 M2M终端数量接近1000万 为全球最大的M2M市场之一 据不完全统计 我国2010年物联网市场规模接近2000亿元 四 课程内容设计基础 2 广阔的应用领域 物联网在安防 电力 交通 物流 医疗 环保等领域已得到应用 模式正日趋成熟 安防领域 视频监控 周界防入侵等应用已取得良好效果 电力行业 远程抄表 输变电监测等应用正在逐步拓展 交通领域 路网监测 车辆管理和调度等应用正在发挥积极作用 物流领域 物品仓储 运输 监测应用广泛推广 医疗领域 个人健康监护 远程医疗等应用日趋成熟 物联网在环境监测 市政设施监控 楼宇节能 食品药品溯源等方面也开展了广泛的应用 美国将其上升为国家创新战略的重点之一 欧盟制定了促进其发展的14点行动计划 日本U Japan计划将其作为四项重点战略领域之一 韩国的IT839战略将其作为三大基础建设重点之一 发达国家一方面加大力度发展传感器节点核心芯片 嵌入式操作系统 智能计算等核心技术 另一方面加快标准制定和产业化进程 谋求在未来物联网的大规模发展及国际竞争中占据有利位置 创新驱动日益明显 物联网是我国新一代信息技术自主创新突破的重点方向 蕴含着巨大的创新空间 在芯片 传感器 近距离传输 海量数据处理以及综合集成 应用等领域 创新活动日趋活跃 创新要素不断积聚 物联网在各行各业的应用不断深化 将催生大量的新技术 新产品 新应用 新模式 3 国家竞争力与新的产业制高点 2015年 我国要在核心技术研发与产业化 关键标准研究与制定 产业链条建立与完善 重大应用示范与推广等方面取得显著成效 形成创新驱动 应用牵引 协同发展 安全可控的物联网发展格局 技术创新能力显著增强 攻克一批物联网核心关键技术 在感知 传输 处理 应用等技术领域取得500项以上重要研究成果 研究制定200项以上国家和行业标准 推动建设一批示范企业 重点实验室 工程中心等创新载体 为形成持续创新能力奠定基础 完成产业体系构建 形成较为完善的物联网产业链 培育和发展10个产业聚集区 100家以上骨干企业 一批 专 精 特 新 的中小企业 建设一批覆盖面广 支撑力强的公共服务平台 初步形成门类齐全 布局合理 结构优化的物联网产业体系 应用规模与水平显著提升 在经济和社会发展领域广泛应用 在重点行业和重点领域应用水平明显提高 形成较为成熟的 可持续发展的运营模式 在9个重点领域完成一批应用示范工程 力争实现规模化应用 4 2国家战略 设计指导思想 1 感知 传感器 节点 网关 RFID 二维条码等领域 以及相关仪器仪表 嵌入式系统等 微纳器件 数据表示 标识 记录 转换 等 2 通信 近中距离无线通信技术 M2M 高带宽 大容量 高速有线 无线通信网络设备与标准等 3 应用 结合感知技术与海量数据存储 处理与决策等环境构建应用 融合各应用领域中操作系统 数据存储 中间件 应用软件 嵌入式软件 系统集成等开发与集成 4 3内容主线 突出感知应用 公共技术平台 针对上述应用 介绍相关公共应用领域的技术平台 整合相关技术资源 以及面向软件 硬件 系统集成等方面的内容架构 应用领域平台 针对前述应用的技术 解决方案 最新成果等内容 信息服务平台 物联网领域的对象编码 EPC体系 记录与表达格式等信息资源组织格式 以 感知 中心的平台 智能工业 生产过程控制 生产环境监测 制造供应链跟踪 产品全生命周期监测 促进安全生产和节能减排 智能农业 农业资源利用 农业生产精细化管理 生产养殖环境监控 农产品质量安全管理与产品溯源 智能物流 建设库存监控 配送管理 安全追溯等现代流通应用系统 建设跨区域 行业 部门的物流公共服务平台 实现电子商务与物流配送一体化管理 智能交通 交通状态感知与交换 交通诱导与智能化管控 车辆定位与调度 车辆远程监测与服务 车路协同控制 建设开放的综合智能交通平台 智能电网 电力设施监测 智能变电站 配网自动化 智能用电 智能调度 远程抄表 建设安全 稳定 可靠的智能电力网络 4 4介绍各相关领域的应用 智能环保 污染源监控 水质监测 空气监测 生态监测 建立智能环保信息采集网络和信息平台 智能安防 社会治安监控 危化品运输监控 食品安全监控 重要桥梁 建筑 轨道交通 水利设施 市政管网等基础设施安全监测 预警和应急联动 智能医疗 药品流通和医院管理 以人体生理和医学参数采集及分析为切入点面向家庭和社区开展远程医疗服务 智能家居 家庭网络 家庭安防 家电智能控制 能源智能计量 节能低碳 远程教育等 值得关注的集成性应用 智慧城市建设 功能体系系统体系技术体系信息体系标准体系指标体系 物联网交叉学科 涉及电子 计算机 测控 通信 信息系统等多领域专业知识 相关专业培养的人才 要掌握传感器 微处理器 嵌入式技术和相应的软件技术 无线通讯 高频设计 低功耗 无线传感网络以及3G无线网络设计等技术 概论 从通识角度给予介绍 各类基本概念 基本标准与基本协议 物联网应该强调全面感知及其能力 应该是对物的动态 连续 实时 在线的自动化的 智能化的全面感知 而不仅仅如RFID和二维码等静态 离线 非实时的局部感知 感知与控制 反馈 是一个闭环 感知是因 控制是果 感知与控制 反馈 是物联网区别于互联网的重要特征 六 教学难点 与互联网的联系与区别 更透彻的感知 传感与感知 更广泛的互联互通 互联网与物联网 更深入的智能化 控制与反馈 强化基础知识 基本模式 特别是商业模式 启发思考与探索求解 技术创新 模式创新 架构创新 商业模式创新途径 面向公众性 普适性 基础性 整合性的服务聚合点 面向国计民生 感知中国 是物联网应用突破的途径 也是物联网教学突破的途径 七 概论 改进方向 第二部分 物联网信息资源架构 重点 EPC标识体系 学习目标 了解EPC标准和全球统一标识系统掌握EPC标准体系了解EPC编码策略和设计思想掌握EPC编码转换方法 2 1 1EPC的产生环境 EPC的产生环境 物品的海量数据体系 物品流通的需求 物品的有效识别和管理 EPC应运而生 2 1 2EPC的定义与特性 EPC的主要特性 唯一性 Uniqueness 2 1 2EPC的定义与特性 与传统条形码相比 EPC特有的优点 EPC可以实现商品的 一物一码 EPC比通常商品条形码及一般条形码信息量大 EPC既可读又可写 EPC可以实现非接触式读写 EPC可以识别高速运动的物体并同时识别多个物体 EPC抗污染 抗干扰能力强 保密性能好 2 1 4EPC的RFID标准体系框架 2 2 2EPC编码体系 EPC编码类型 EPC是新一代的与EAN UPC码兼容的编码标准通用标识符GID GeneralIdentifier GID 全球贸易货物代码GTIN GlobalTradeItemNumber GTIN 序列全球贸易货物代码SGTIN SerializedGlobalTradeItemNumber SGTIN 序列海运集装箱编码SSCC SerialShippingContainercode SSCC 统一资源标识符URI UniformResourceIdentifier URI 全球位置码GLN GlobalLocationNumber GLN 序列全球位置码SGLN SerializedGlobalLocationNumber SGLN 全球可回收资产标识符GRAI GlobalReturnableAssetIdentifier GRAI 全球个体资产标识符GIAI GlobalIndividualAssetIdentifier GIAI 为不同场合下的实体提供标识 2 2 2EPC编码体系 EPC编码信息的识读 EPC标签用于代码记录 经识读后使用 这需要解决记录内容 资源定位和信息描述三个问题 2 2 3EPC编码 EPC编码与RFID载体 1 EPC容量 URI ONS与PML 互联网中信息参考就是统一资源标识符 URI 这些标识符能被域名服务 DNS 翻译成相应的IP地址 就是网络信息的地址 因此 通过AUTO ID中心提供的对象名称解析服务 ONS 可直接将识读的EPC代码翻译成IP地址 IP地址标识的后台就储存了相关的产品信息 然后由IP地址标识的主机就可向前端应用发送其存储的产品相关信息 EPC RFID系统的特点 非接触识别可以识别快速移动的物体可以同时识别多个物体 2 2 3EPC编码 EPC射频识别系统为数据采集最大限度的降低了人工干预 实现了完全自动化 是 物联网 形成的重要环节 2 2 3EPC编码 RFID标签 RFID识读器 EPC中间件 EPC代码 射频识别 无线感应 EPC射频识别系统 EPC射频识别系统是实现EPC代码自动采集的功能模块 2 2 3EPC编码 EPC标签EPC标签是产品电子代码的信息载体 主要由天线和芯片组成 标签中存储信息代码 目前以96位为主 为降低成本 EPC标签通常是被动式射频标签 识读器用来识别EPC标签的装置 与信息系统相连实现数据的交换 近距离读取被动标签最常用的方法是电感耦合方式 当靠近时 识读器天线与标签天线之间形成磁场 标签就利用该磁场发送电磁波给识读器 返回的电磁波被转换为数据信息 即标签中的EPC代码 2 4 3EPC信息网络系统 EPC信息网络系统 EPCIS 的组成 EPC中间件 对象名称解析服务 ONS 可扩展标记语言 XML EPC信息服务 EPCIS 2 2 4EPC信息网络系统 EPC中间件EPC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 是连接识读器和企业所用程序的纽带 主要任务是在将数据送往应用程序前进行标签数据校对 识读器协调 数据传送 数据存储和任务管理等 对象名称解析服务 ONS ONS是一个自动网络服务系统 类于域名解析服务 DNS ONS给EPC中间件指明了存储产品信息的服务器 2 2 4EPC信息网络系统 可扩展标记语言 XML XML ExtensibleMarkupLanguage 即可扩展标记语言是跨平台的一种简单的数据存储语言 使用一系列简单的标记描述数据 已成为数据交换的公共语言 EPC系统使用XML的目标是为物理实体的远程监控和环境监控提供一种简单 通用的描述语言 在EPC系统中 XML用于描述产品 过程和环境信息 供工业和商业中的软件开发 数据存储和分析之用 它提供一种动态环境 使与物体相关的静态的 暂时的 动态的和统计加工的数据均可互相交换 2 2 4EPC信息网络系统 EPC信息服务 EPCIS EPCIS是EPC系统的重要部分 利用标准的采集和共享信息方式 为EPC数据提供标准接口 供各行业和组织灵活应用 EPCIS构架在互联网基础上 支持商业多种应用 EPCIS针对中间件传递的数据进行EPCIS标准转换 通过认证或授权等安全方式与企业内的其他系统或外部系统进行数据交换 符合权限的请求方也可通过ONS定位向目标EPCIS进行查询 所以 能否构建真正开放的EPC网络 实现各厂商的EPC系统的互联互通 EPCIS起决定性作用 2 2 5EPC系统工作流程 EPC系统的组成 一个完整的EPC系统是由EPC标签 识读器 EPC中间件 互联网 ONS服务器 EPCIS服务器以及众多数据库组成的 2 2 5EPC系统工作流程 EPC系统工作流程示意图 2 2 5EPC系统工作流程 商品物联网系统的重要特点 一切均通过自动传感识别实现网络运行 各应用间可无缝链接 可以在静态与移动环境下运行 精简了前端EPC数据量 总成本较低 采纳众多管理实体的标准 2 5 1EPC编码原则 一 唯一性EPC提供一个实体对象的以一个全球唯一标识 为确保唯一标识的实现 EPCglobal采取了以下措施 足够的编码容量 组织保证 使用周期永久 2 5 1EPC编码原则 二 简单性EPC的编码既简单又能同时提供实体对象的唯一标识 以往的编码方案 很少能被全球各国各行业广泛采用 原因之一是编码复杂导致不适用 三 可扩展性EPC编码留有备用空间 具有可扩展性 EPC地址空间是可发展的 具有足够的冗余 确保了EPC系统的升级和可持续发展 四 保密性与安全性EPC编码与安全和加密技术相结合 具有高度的保密性和安全性 2 5 2EPC编码类型 目前 EPC代码有64位 bit 96位 bit 等结构 为了保证所有物品都有一个EPC代码并使其标签载体的成本尽可能降低 建议采用96位 如此容量可以为2 68亿个公司提供唯一标识 每个生产厂商可以有1600万个对象种类 并且每个对象种类可以有680亿个序列号 这对未来世界所有产品已经够用了 2 5 3EPC编码策略 EPC通过计算机网络来标识和访问单个物体 就如同在互联网中使用IP地址来标识 组织和通信一样 其设计策略主要从以下几方面考虑 唯一标识 生产商和产品 集装箱 分类 组合装置 嵌入信息 媒介 可扩展性 人机交互 简单性 标头 参考信息 数据传输机制 2 5 3EPC编码策略 1 唯一标识 UniqueIdentification EPC提供对物理对象的唯一标识 首先 必须有足够的EPC编码容量来满足过去 现在和将来对物品标识的需要 其次 必须保证EPC编码分配的唯一性并解决编码冲突的方法 这就产生了由多个管理者 各国的编码组织 分别管理EPC空间的一部分 2 生产商和产品 ManufacturesandProducts UCC拥有约100万个会员 目前世界上的公司估计超过2500万家 接下来的10年该数目有望达3900万家 这显然需要建立一套标准的与这些预见一致的编码系统 2 5 3EPC编码策略 3 集装箱 Containers 物流管理中 货品 集装箱和托盘都要按不同的编码结构进行编码 例如SSCC 在EPC结构中 企业可以沿袭原有的SSCC 将其转换为相应格式的EPC编码 SSCC 96 容器内的货品记录和货运数据存储在计算机网络中并自动与容器建立联系 进一步 运输集装箱的卡车 货车车厢 船舶或仓库等也可使用相应的EPC编码 2 5 3EPC编码策略 4 组合装置 Assembles AggregatesandCollections EPC除标识单个对象 还可以标识组合装置等AUTO ID中心建议用EPC标识装配件和组合装置及单个货品 这样 就可以采用描述货运数据的方式来描述组合装置 传统上 组合装置是复杂的 连接着很多元器件的对象 实际上 集装箱和组合装置两者之间没有实质差别 无论哪种情况 集装箱和组合装置的结构都有如上图所描绘的层级 2 5 3EPC编码策略 5 嵌入信息 EmbeddedInformation 通用商品条形码中并无商品特性数据 而长码 如UCC EAN 128应用标识符 AI 的结构中就可包含产品特征数据 如重量 尺寸 有效期 批次等 AUTO ID中心建议消除或者最小化EPC中嵌入的信息量 尽量使用计算机网络和应用信息资源库来存放数据 2 5 3EPC编码策略 6 分类 Categorization 对相同特征的对象进行分类或分组是智能系统的基本功能之一 也是减少数据复杂性的主要方法 但是有效的分类往往存在许多困难 因为它与具体应用密切相关 例如 一罐颜料对于制造商是库存资产 对运输商可能是 可堆叠的容器 而对于回收商是有毒废品 2 5 3EPC编码策略 7 参考信息 InformationReference EPC的首要作用是作为网络信息索引 即其应是网上相关信息的 指针 AUTO ID中心提供的对象名称解析服务 ONS 直接将EPC代码翻译成IP地址 其标识的后台就储存相关产品信息 再IP地址主机向具体应用发送相关的产品信息 ONS本质上相当于EPC编码和网络信息间的 胶水 故编码结构应能促进主机地址查询 2 5 6EPC编码转换 GTIN向EPC的转换SGTIN 96编码步骤SGTN 96编码实例其他的EPC编码 2 5 6EPC编码转换 GTIN体系的条码成历史上最成功的标准之一 因此 全球用户都希望将EAN UCC识别体系整合到新的EPC体系中 从而推进物联网技术更快应用到使用统条码的各行各业中来 GTIN体系结构中制造商编码与产品编码部分将以EPC管理者编码和EPC对象分类编码的形式保留在EPC产品电子代码里 但条码扫描必需的校验值属性将从数据结构中删除 第三部分 物联网基础技术 3 1传感器技术3 2MEMS技术3 3无线传感器网络3 4无线网络技术3 5自动识别技术3 6条形码技术3 7定位技术 3 1传感器技术 传感器的定义传感器的分类传感器的应用 3 1 1传感器的定义 传感器 能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置 它由敏感元器件 感知元件 和转换器件两部分组成 有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号 本身就构成传感器 敏感元器件品种 物理类 基于力 热 光 电 磁和声等物理效应 化学类 基于化学反应的原理 生物类 基于酶 抗体和激素等分子识别功能 3 1 2传感器的分类 根据传感器工作原理 可分为物理传感器和化学传感器二大类 物理传感器应用的是物理效应 诸如压电效应 磁致伸缩现象 离化 极化 热电 光电 磁电等效应 被测信号量的微小变化都将转换成电信号 化学传感器包括那些以化学吸附 电化学反应等现象为因果关系的传感器 被测信号量的微小变化也将转换成电信号 3 1 2传感器的分类 按照用途 传感器可分为 压敏和力敏传感器 位置传感器 液面传感器 能耗传感器 速度传感器 加速度传感器 辐射传感器 热敏传感器等 按照原理 传感器可分为 振动传感器 湿敏传感器 磁敏传感器 气敏传感器 真空度传感器 生物传感器等 3 1 2传感器的分类 按输出信号可将传感器分为以下4类 模拟传感器 将被测量的非电学量转换成模拟电信号 数字传感器 将被测量的非电学量转换成数字输出信号 包括直接和间接转换 膺数字传感器 将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出 包括直接或间接转换 开关传感器 当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时 传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号 3 2MEMS技术 MEMS的基本概念MEMS技术的特点MEMS的分类MEMS的发展前景 3 2 1MEMS的基本概念 MEMS MicroElectromechanicalSystem 微机电系统 是指集微型传感器 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 这种微电子机械系统不仅能采集 处理与发送信息或指令 还能按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动 3 2 2MEMS技术的基本特点 微型化以硅为主要材料能耗低 灵敏度和工作效率高可批量生产集成化学科上的交叉综合 应用上的高度广泛 MEMS的发展前景 MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业 采用MEMS技术制作的微传感器 微执行器 微型构件 微机械光学器件 真空微电子器件 电力电子器件等在航空 航天 汽车 生物医学 环境监控 军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景 3 3无线传感器网络 无线传感器网络概述无线传感器网络的应用领域 无线传感器网络概述 智能传感器将计算能力嵌入到传感器中 使得传感器节点不仅具有数据采集能力 而且具有信息处理能力 无线智能传感器在智能传感器的基础上增加了无线通信能力 延长了传感器的感知触角 降低了传感器的工程实施成本 无线传感器网络概述 无线传感器网络将网络技术引入到无线智能传感器中 使得传感器不再是单个的感知单元 而是能够交换信息 协调控制的有机体 实现物与物的互联 把感知触角深入世界各个角落 成为下一代互联网及物联网的重要组成部分 无线传感器网络的特点 无线传感器网络是一种全新的信息获取平台 能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息 并将这些信息发送到网关节点 以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪 具有快速展开 抗毁性强等特点 3 4无线网络技术 无线网络技术涵盖的范围很广 既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络 也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术等 3 4 1无线网络的类型 无线广域网无线城域网无线局域网无线个人网 无线广域网 无线广域网 WWAN 技术可使用户通过远程公用网络或专用网络建立无线网络连接 通过无线服务提供商负责维护的若干天线基站或卫星系统 这些连接可以覆盖广大的地理区域 例如若干城市或者国家和地区 从2G 2 5G到3G 以及4G的过渡 无线局域网 无线局域网 WLAN 技术可以使用户在本地创建无线连接 例如 在公司或校园的大楼里 或在某个公共场所 如机场 宾馆 酒店 候车室等 无线个人网 无线个人网 WPAN 技术使用户能够为个人操作空间 POS 设备 如PDA 移动电话和笔记本电脑等 创建临时无线通讯 POS指的是以个人为中心 最大距离为10米的一个空间范围 3G技术 国际电信联盟在2000年5月确定W CDMA CDMA2000 TD SCDMA以及WiMAX四大主流无线接口标准 写入3G技术指导性文件 2000年国际移动通讯计划 3G标准 W CDMACDMA2000TD SCDMAWiMAX TD SCDMA 全称为TimeDivision SynchronousCodeDivisionMultipleAccess 时分同步CDMA 该标准由中国大陆制定的3G标准 1999年6月29日 中国原邮电部电信科学技术研究院 大唐电信 向ITU提出 Wi Fi Wi Fi是一种可以将个人电脑 手持设备 如PDA 手机 等终端以无线方式互相连接的技术 也是一个无线网路通信技术的品牌 由Wi Fi联盟 Wi FiAlliance 所持有 Wi Fi技术架构 近距离无线通讯技术NFC NFC是NearFieldCommunication的缩写 即近距离或近域无线通讯技术 NFC是飞利浦和索尼共同开发的一种非接触式识别和互联技术 可以在移动设备 消费类电子产品 PC和智能控件工具间进行近距离无线通信 NFC将非接触读卡器 非接触卡和点对点 Peer to Peer 功能整合进一块单芯片 为消费者的生活方式提供了众多全新应用的开放接口平台 NFC的技术特点 NFC是一种便捷 安全 迅速的无线连接技术 其传输范围比RFID小 RFID的传输范围可以达到几米 甚至几十米 但由于NFC采取了独特的信号衰减技术 相对于RFID来说NFC具有距离近 带宽高 能耗低等特点 NFC比红外传输更快 更可靠且简单 与蓝牙相比 NFC更适于交换个人信息或敏感数据 且NFC和蓝牙可互为补充 事实上 快捷轻型的NFC协议可用于引导两台设备之间的蓝牙配对 促进了蓝牙的使用 4 5 6蓝牙 蓝牙 Bluetooth 是一种支持设备间短距离无线通信技术 能在包括移动电话 PDA 无线耳机 笔记本电脑 相关外设等众多设备之间进行无线信息交换 蓝牙的技术优势 全球可用设备多样易于使用规格通用 是一种全球通用的短距离无线连接技术 使用2 4GHz附近免付费 免申请的无线电频段 传输速率在432Kbps到721Kbps 带宽约1Mbps 2Mbps 与NFC 红外的比较 ZigBee Zigbee是一种近距离 低功耗的无线通信技术 也被称为 HomeRFLite RF EasyLink 或 fireFly 无线电技术 目前统称为Zigbee 特点 近距离 低复杂度 低功耗 低数据速率 低成本 适于自动和远程控制 可嵌入各种设备 ZigBee标准 ZigBee中物理层 介质访问层和数据链路层基于IEEE802 15 4无线个人局域网 WPAN 标准协议 ZigBee在IEEE802 15 4标准基础之上建立网络层和应用支持层 包括巨大数量节点的处理最大节点数可以达到 65000个 ZigBee设备对象 用户定义的应用架构等 应用层由用户根据需要进行开发 116 ZigBee读写设备 ZigBee读写器是短距离 多点 多跳无线通信产品 能够简单 快速地为串口终端设备增加无线通信的能力 产品有效识别距离可达1500m 最高识别速度可达200km h 可同时识别200张标签 具有性能稳定 工作可靠 信号传输能力强 使用寿命长等优势 广泛应用于门禁 考勤 签到以及高速公路 加油站 停车场 公交车等收费系统等 主要优势是防水 防雷 防冲击 满足工业环境要求 117 Zigbee架构 由可多达65000个无线数据传输模块组成的一个无线数据传输网络平台 类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网 每个ZigBee网络数据传输模块类似移动网络的一个基站 它们间可通信 节点距离可从标准的75米 扩展后为几百米 甚至几公里 ZigBee网络可与现有的其它的各种网络连接 如 可通过互联网在北京监控云南的ZigBee的应用网络 118 Zigbee架构 与CDMA或GSM网不同 ZigBee网主要是为自动控制数据传输建立 而移动通信网主要是为语音通信而建 移动通信基站一般都在百万元人民币以上 而ZigBee 基站 却不到1000元人民币 每个ZigBee网络节点 FFD 不仅本身可与监控对象 如传感器连接直接进行数据采集和监控 还可自动中转别的网络节点传过来的数据资料 每个ZigBee网络节点 FFD 还可在信号范围内 和多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点 RFD 无线连接 每个ZigBee网络节点 FFD和RFD 可支持31个传感器和受控设备 每个传感器和受控设备可有8种不同的接口方式 可采集和传输数字量和模拟量 119 ZigBee自组织网络通信方式 如 当一队伞兵空降时 每人持有一个ZigBee网络模块终端 降落地面后 只要他们彼此在网络模块的通信范围内 通过彼此自动寻找 很快就可形成一个互联互通的ZigBee网络 而且 随着人员的移动 彼此间的联络还会发生变化 因而 模块还可通过重新寻找通信对象 确定彼此间的联络 对原有网络进行刷新并保持该网的通信 这就是自组织网络 120 ZigBee自组织网络通信方式的优点 网状网通信实际上是多通道通信 在工业现场 由于各种原因 往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通 如城市街道 可能因为车祸 道路维修等 使得某条道路的交通出现暂时中断 此时由于有多个通道 车辆 相当于工业现场的控制数据 仍然可以通过其他道路到达目的地 这对工业现场控制而言则非常重要 121 自组织网络的动态路由方式 动态路由是指网络中数据传输路径不是预先设定的 而是传输数据前 通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索 分析它们的位置关系以及远近 然后选择其中的一条路径进行数据传输 网管理软件 路径选择使用 梯度法 即先选择路径最近的一条通道进行传输 如传不通 再使用另外一条稍远一点的通路传输 以此类推 直到数据送达目的地 在工业现场 预先确定的传输路径随时变化 或因各种原因中断 或过于繁忙不能传送 动态路由结合网状拓扑结构 可很好地解决这个问题 保证数据的可靠传输 122 Zigbee协议栈架构 ZigBee协议栈体系结构 123 1 物理层 物理层主要完成如下任务 1 无线收发机的激活与关闭 2 当前信道能量检测 EnergyDetect ED 3 接受数据包的链路质量标识 LQI 4 为载波侦听多路访问 冲突防止 CSMS CA 提供空闲信道评估 CCA 5 工作信道选择 6 数据发送和接收 124 2 MAC层 MAC层功能如下 1 当节点为网络协调器时 产生信标 beacon 帧 2 在信标帧之间进行同步 3 支持个人局域网 PAN 的关联与解关联 4 支持节点安全机制 5 对信道接入使用CSMA CA机制 6 处理和维护有保证的时隙 GTS 机制 7 在两个对等的MAC实体间提供可靠链接 125 3 网络层 主要实现组建网络 为新加入网络者分配地址 路由发现 路由维护 提供必要的函数 确保MAC层正常工作 为应用层提供合适的服务接口 以保证网状网络的应用能实现 为向应用层提供接口 网络层提供了两个必须的功能服务实体 即网络层数据服务实体 NLDE 和网络层管理服务实体 NLME NLDE通过网络层数据服务实体服务接入点 NLME SAP 提供数据传输服务 网络层管理实体 NLME 通过网络层管理实体服务接入点 NLME SAP 提供网络管理服务 网络层管理利用网络层数据实体完成一些网络的管理 并完成对网络信息库 NIB 的维护和管理 126 4 应用层 由三部分组成 应用子层 APS ZDO 包含其管理平台 和制造商定义的应用对象 AppObj APS通过网络层和安全服务提供层与端点相接 并为数据传送 安全和绑定提供服务 可适配不同节点 并提供接口 在NWK层和APL层之间 从ZDO到供应商的应用对象的通用服务集 ZigBee中的应用框架 APLFramework 是为节点中的应用对象提供活动的环境 最多可定义240个独立的应用程序对象 ZDO 任何对象的端点编号从1到240 端点0固定用于ZDO数据接口 应用程序通过该端点与协议栈的其它层通信 另一端点255用于所有应用对象广播数据的数据接口功能 端点241 254保留 为扩展 用户不使用 127 ZigBee网络拓扑结构 ZigBee网络的三种拓扑形式 128 星形网络 是三种拓扑结构中最简单的 因为星形网络没用ZigBee协议栈 只要用IEEE802 15 4的层就可以实现 网络由一个协调器和一系列的FFD RFD构成 节点之间的数据传输都要通过协调器转发 节点之间的数据路由只有唯一的一个路径 无可选路径 如链路中断 则中断节点间的数据通信也将中断 所以协调器很成为整个网络的瓶颈 129 树形网络 树形网络中 FFD节点可以包含自己的子节点 而RFD则不行 只能作FFD的子节点 树形拓扑结构中 每一个节点都只能和他的父节点和子节点通信 也就是说 当从一个节点向另一个节点发送数据时 信息将沿着树的路径向上传递到最近的协调器节点然后再向下传递到目标节点 缺点是信息只有唯一的路由通道 信息的路由过程完成是由网络层处理 对应用层完全透明 130 网状网络 网状网络除了允许父节点和子节点之间的通信 也允许通信范围之内具有路由能力的非父子关系的邻居节点之间进行通信 与树形网络不同的是 网状网络是一种特殊的 按接力方式传输的点对点的网络结构 其路由可自动建立和维护 并且具有强大的自组织 自愈功能 网络可以通过 多级跳 的方式来通信 可以组成极为复杂的网络 具有很大的路由深度和网络节点规模 该拓扑结构的优点是减少了消息延时 增强了可靠性 缺点是需要更多的存储空间的开销 Zigbee的技术优势 低功耗低成本低速率近距离短时延高容量高安全免执照频段 132 ZigBee适用的技术特性 1 需要数据采集或监控的网点多 2 要求传输的数据量不大 而要求节点成本低 3 要求数据传输可性高 安全性高 4 节点体积很小 不便放置较大的充电电池或者电源模块 5 采用电池供电 6 地形复杂 监测点多 需要较大的网络覆盖 7 现有移动网络存在覆盖盲区 8 使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统 9 使用GPS效果差 或成本太高