电气工程新技术

电气工程新技术 姓名 学号 专业 物联网技术与应用 摘要 物联网是新一代信息技术的重要组成部分 物联网的英文名称叫 The Internet of things 顾名思义 物联网就是 物物相连的互联网 这有两 层意思 第一 物联网的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 第二 其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间 进行信 息交换和通信 因此 物联网的定义是 通过射频识别 RFID 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 把任何物体与互 联网相连接 进行信息交换和通信 以实现对物体的智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 虽然目前国内对物联网也还没有一个统一的标准定义 但从物联网本质上 看 物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提 升 将各种感知技术 现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用 使人与物智慧对话 创造一个智慧的世界 物联网技术被称为是信息产业的第 三次革命性创新 物联网的本质概括起来主要体现在三个方面 一是互联网特 征 即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络 二是识别与通信 特征 即纳入物联网的 物 一定要具备自动识别与物物通信 M2M 的功能 三是智能化特征 即网络系统应具有自动化 自我反馈与智能控制的特点 关键词 物联网 智能化 互联网 引言 物联网的发展将彻底改变人们的生活方式 大大提高人们的生活质量和效 率 物流关系着现代人生活的衣食住行 其发展关系着社会经济的方方面面 广泛推广和应用物联网技术 不仅可以完善和优化物流供应链管理体系 实现 物流管理的合理化 而且在提高物流效率 降低物流成本 优化资源配置等方 面具有积极的推动作用 为带动物流行业的全面发展 研究物联网技术在物流 行业的应用势在必行 一 物联网介绍 1 1 物联网的定义 英文名 Internet of Things IOT 也称为 Web of Things 物联网是指通过各种信息传感设备 如传感器 射频识别 RFID 技术 全球定位系统 红外感应器 激光扫描器 气体感应器等各种装置与技术 实 时采集任何需要监控 连接 互动的物体或过程 采集其声 光 热 电 力 学 化学 生物 位置等各种需要的信息 与互联网结合形成的一个巨大网络 其目的是实现物与物 物与人 所有的物品与网络的连接 方便识别 管理和 控制 1 2 物联网的研究背景 21 世纪是一个以网络计算机为核心的信息时代 数字化 网络化与信息化 经济全球化是 21 世纪的时代特征 随着信息技术的迅速发展 经济全球化不断 加快 通过计算机技术 数据通讯和互联网技术实现现代物流和电子商务已经 成为大势所趋 随着全球经济一体化 信息网络化进程的加快 在技术革新迅 猛发展的背景下 为满足对单个产品的标识和高效识别 美国麻省理工学院的 自动识别实验室在美国统一代码委员会 UCC 的支持下 提出 要在计算机互 联网的基础上 利用 RFID 无线数据通信技术 构造一个覆盖世界万物的系统 还提出了产品电子代码 EPC 的概念 随后由国际物品编码协会和美国统一代码 委员会主导 实现了全球统一标识系统中的 GTIN 编码体系与 EPC 概念的完善 结合 将 EPC 纳入了全球统一标识系统 从而确立了 EPC 在全球统一标识体 系中的战略地位 EPC 标签是编号 每一个商品唯一的号码 牌照 的载体 当 EPC 标签贴在物品上或内嵌在物品中的时候 即将该物品与 EPC 标签中的 产品电子码建立起了一对一的对应关系 EPC 标签从本质上来说是一个电子标 签 通过射频识别系统的电子标签读写器可以实现对 EPC 标签内存信息的读取 这个内存信息通常就是产品电子码 产品电子码经读写器上报给物联网中间件 经处理后存储在分布式数据库中 用户查询产品信息时只要在网络浏览器的地 址栏输入产品名称 生产商 供货商等信息 就可以实时获悉产品在供应链中 的状况 这整个系统我们目前把它称为物联网 物联网旨在提高现代物流 供 应链管理水平 降低成本 被誉为是一项具有革命性意义的现代物流信息管理 新技术 物联网的结构如图 1 1 所示 图 1 1 物联网的结构 由上图可以看出 物联网的整个结构可分为射频识别系统和信息网络系统 两部分 射频识别系统主要由标签和读写器组成 两者通过 RFID 空中接口通 信 读写器获取产品标识后 通过 internet 或其他通讯方式将产品标识上传至信 息网络系统的中间件 然后通过 ONS 解析获取产品的对象名称 继而通过 EPC 信息服务的各种接口获得产品信息的各种相关服务 整个信息系统的运行都会 借助 internet 的网络系统 利用在 internet 基础上的发展出的通信协议和描述语 言 因此我们可以说物联网是架构在 internet 基础上的关于各种物理产品信息服 务的总和 1 3 物联网发展 物联网在国际上又称为传感网 据悉 这是继计算机 互联网与移动通信 网之后的又一次信息产业浪潮 南京邮电大学校长 博士生导师杨震教授说 世界上的万事万物 小到手表 钥匙 大到汽车 楼房 只要嵌入一个微型感 应芯片 把它变得智能化 这个物体就可以 自动开口说话 再借助无线网络 技术 人们就可以和物体 对话 物体和物体之间也能 交流 这就是物联 网 如果物联网再搭上互联网这个桥梁 在世界任何一个地方我们都可以即时 获取万事万物的信息 可以这么说 物联网加上互联网等于智慧地球 物联 网用途广泛 可运用于城市公共安全 工业安全生产 环境监控 智能交通 智能家居 公共卫生 健康监测等多个领域 让人们享受到更加安全轻松的生 活 举几个例子来说吧 从成都开车到重庆 上车后 只要设置好目的地便 可随意睡觉 看电影 车载系统会通过路面接收到的信号智能行驶 不住在医 院 只要通过一个小小的仪器 医生就能 24 小时监控病人的体温 血压 脉搏 下班 了 只要用手机发出一个指令 家里的电饭煲就会自动加热做饭 空调开 始降温 这不是科幻电影中的场景 通过 物联网 的逐步实现和提升 每 个人的生活都将向此靠拢 所谓物联网 在中国也称为传感网 指的是将各种 信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络 具体来说 就是通 过安装信息传感设备 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 将所有的物品都与网络连接在一起 方便识别和管理 电视 洗衣机 空调甚至自行车 门锁和血压计上都能使用 专家预测 10 年内 物 联网就可能大规模普及 将广泛运用于智能交通 环境保护 政府工作 公共 安全 平安家居 智能消防 工业监测 老人护理 个人健康等多个领域 一 个上万亿元规模的高科技市场就此诞生 二 物联网的关键技术 EPC 无线射频识别技术 RFID 技术 无线射频识别是一种非接触式的自动识别技术 它的工作原理如下 使用 射频电磁波通过空间耦合 交变磁场或电磁场 在阅读器和进行识别 分类和跟 踪的移动物品 物品上附着有 RFID 标签 之间实现无接触信息传递并通过所 传递的信息达到识别目的的技术 RFID 是一种利用电磁能量实现自动识别和数 据捕获技术 可以提供无人看管的自动监视与报告作业 具体的工作原理如下 当装有电子标签的物体接近微波天线时 阅读器受 控发出微波查询信号 安装在物体表面的电子标签收到经微波天线发出的查询 信号后 根据查询信号中的命令要求 将标签中的数据信息反射回微波天线 微波天线接收到电子标签反射回的微波合成信号后 经阅读器内部微处理器处 即可将电子标签中的识别代码等信息分离出来 这些识别信息作为物体的特征 数据被传送到控制计算机作进一步处理 从而完成与物体有关的信息查询 统 计 管理等应用 整个识别工作无须人工干预 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 并且阅读器能自行判断 RFID 标签是否被重复读取处理 RFID 技术的这些功能特性很适合流水线上产品的控 制 以实现流水作业管理 得以使整个流水线管理自动化 图 2 1 RFID 的工作原理 如图 2 1 所示 RFID 系统一般由 RFID 系统由阅读器 应答器 标签 和 应用系统三部分组成 通 过电波在响应媒介和询问媒介间传递信息 阅读器 一般是一台内含天线 和芯片解码器的阅读 有时还可以写入 设备 可设计为手持式或固定式 阅读 器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据 从而达到自动识别体 的目的 通常阅读器与电脑相连 所读取的标签信息被传送到电脑上进行下一 步处理 应用系统 一般是由计算机支撑的有线或无线管理系统 视不同应用 要求 对于实时型的智能型控制器 不一定必须要有后台应用系统 标签 主 要是射频标签 响应端内含天线 两者组成所谓的 雷达收发机 以卡 标签 等形式存在 整体的 EPC 网络操作依赖于 RFID 系统和网络应用系统的介入 使产品信 息有效的传播 安装在不同需求链环境的解读器可以读取标签中储存的产品数 据 因此供应链数据可以通过网络及时地检查 更新或者交换信息 图 2 2 显 示了 EPC 网络系统的结构 图 3 2 EPC 网络系统的结构 在由 EPC 标签 识读器 Savant 服务器 Internet ONS 服务器 PML 服 务器以及众多数据库组成的实物互联网中 识读器读出的 EPC 只是一个信息参 考 指针 由这个信息参考从 INTERNET 找到 IP 地址并获取该地址中存放的相 关的物品信息 并采用分布式 Savant 软件系统处理和管理由识读器读取的一连 串 EPC 信息 由于在标签上只有一个 EPC 代码 计算机需要知道与该 EPC 匹 配的其它信息 这就需要 ONS 来提供一种自动化的网络数据库服务 Savant 将 EPC 传给 ONS ONS 指示 Savant 到一个保存着产品文件的 PML 服务器查 找 该文件可由 Savant 复制 因而文件中的产品信息就能传到供应链上 相对 应地 EPC 系统的工作流程下图 图 2 3 所示 图 2 3 EPC 系统工作流程图 EPC 系统是一个全球的大系统 供应链各个环节 各个节点 各个方面都 可受益 但对低价值的识别对象来说 如 食品 消费品等 它们对 EPC 系统 引起的附加价格十分敏感 EPC 系统正在考虑通过本身技术的进步 进一步阳 氏成本 同时通过系统的整体运作使供应链管理得到更好的运作 提高效益 以便抵消和降低附加价格 EPC RFID 物品识别的目标是为每一物理实体提供唯一标识 它与传统条 码技术相比有以下几方面的优点 1 唯一标识 条码只能识别一类产品 而无法识别单品 因此条码容易伪 造 RFID 却可以为单品提供唯一标识 2 读取方便 条码是可视传播技术 即扫描仪必须 看见 条码才能读 取它 这表明人们通常必须将条码对准扫描仪才有效 相反 无线电识别并不需 要可视传输技术 射频标签只要在识读器的读取范围内就可以了 甚至可以穿过 外包装进行识别 这大大减少了人的参与 提高了识别效率 3 长寿耐用 纸型条码容易破损和受到污染 而 RFID 电子标签可以应 用于粉尘 油污等高污染环境和放射性环境 4 动态更改 条码信息一旦需要更改就必须重贴 而 RFID 电子标签中的 信息可以编辑 便于更新 5 可扩展性 RFID 电子标签存储的是电子数据 在需要的时候可以改变 其中的编码结构 便于升级 6 RFID 电子标签可以设置密码 保密性强 虽然 EPC RFID 与条码技术相比有巨大的优势 但是条码技术作为一项十 分成熟的技术在物联网中仍然可以起到一定的作用 EPC 代码实际上是种编码 手段 EPC 并没有对其信息载体进行任何限制 我们现在有飞速发展起来的射频 识别技术 也有成熟的条码技术 EPC 码可以储存在 RFID 芯片中 同样可以储 存在条码中 电子标签广泛采用后的隐私间题和环保问题一直有争论 而 EPC 在某些产 品上采用条码技术 可以有效的解决目前普遍关注的射频标签如何避免隐私的问 题 磁污染问题和废弃标签中芯片的处理间题 三 物联网的应用 美国 START IT 杂志和 M2M 杂志总监 Peggy Smedley 曾认为可以将 物联网 M2M 市场分为六大支柱应用来发展和延伸 分别为 遥感监测 远程 通信和信息处理 智能服务 传感器网络 RFID 和远程控制 物联网的应用其实不仅仅是一个概念而已 它已经在很多领域有运用 只 是并没有形成大规模运用 常见的运用案例有 一 物联网传感器产品已率先在上海浦东国际机场防入侵系统中得到应用 机场防入侵系统铺设了 3 万多个传感节点 覆盖了地面 栅栏和低空探测 可 以防止人员的翻越 偷渡 恐怖袭击等攻击性入侵 而就在不久之前 上海世 博会也与吴锡传感网中心签下订单 购买防入侵微纳传感网 1500 万元产品 二 ZigBee 路灯控制系统点亮济南园博园 ZigBee 无线路灯照明节能环保 技术的应用是此次园博园中的一大亮点 园区所有的功能性照明都采用了 ZigBee 无线技术达成的无线路灯控制 三 智能交通系统 ITS 是利用现代信息技术为核心 利用先进的通讯 计 算机 自动控制 传感器技术 实现对交通的实时控制与指挥管理 交通信息 采集被认为是 ITS 的关键子系统 是发展 ITS 的基础 成为交通智能化的前提 无论是交通控制还是交通违章管理系统 都涉及交通动态信息的采集 交通动 态信息采集也就成为交通智能化的首要任务 国内比较成功的比较大的应用 1 铁道部列车车厢管理 就是通过在每一节车厢 不管是客车 货车 均 装置一个 RFID 芯片 在铁路两侧 相互间隔一段距离放置一个读写器 这样 就可以随时掌握全国所有的列车在铁路线路上所处的位置 便于列车的跟踪 调度和安全控制 国内提供系统集成的主要是远望谷科技 为此该公司以此为 依托 成功进行了 IPO 而且在股市表现不俗 2 中国的第二代身份证 第二代身份证最显著的进步不是说在卡表面的照 片换为彩色的了 而是在卡的内部更富科技含量的 RFID 芯片 芯片可以存储 个人的基本信息 需要时在读写器上一扫 即可显示出你身份的基本信息 而 且可以做到有效防伪 因为芯片的信息编写格式内容等只有特定厂家提供 伪 造起来技术门槛比较高 3 中国大部分高校的学生证 由于中国的高校生数量众多 学生假期返乡 出行享受火车半价优惠 为此 相关部门采用了可读写的 RFID 芯片 里面存 贮了该用户列车使用次数信息 每使用一次就减少一次 而且不易伪造 加强 了管理 4 很多的一卡通比如 市政一卡通 校园一卡通都可以归为较为简单的物 联网应用 5 ETC 不停车收费系统 在很多高速公路收费站 现在都留有一个不停车 收费系统 无人值守 车辆即可只要减速行驶不同停车即可完成信息认证 计 费 国内较早在首都机场高速做了试点 目前在全国各地已经有了很多地方做 了尝试 但由于不仅需要对收费系统进行升级改造 还需对可能通过的车辆上 安装识别芯片 因为很难对所有的车辆都进行安装 所以通常很多地方同时保 留了 ETC 和人工收费 因为人工收费车辆要提前减速 并停止下来 每一辆车 收费按照 15 秒 实际前后大概要 30 秒 在交通高峰阶段容易造成拥堵 因此 条件具备的地方还是要推行 ETC 不仅加快通行速度 还可以节约管理成本 当然有些地方也考虑就业问题和灰色收入 所以积极性不是很高 总结 当局域网出现的时候 和现在一样 有一种成为新兴产业浪潮的趋势 当 时谁也没有想到它可以发展成为现在的互联网 而今 物联网和当时局域网一 样的出现了 给我们带来了前所未有的发展前景 给我们带来了良好的发展机 遇的同时 也为我们带来了无限的挑战 时代总是在这样的情况下发展起来 当第一次产业革命出现 我们来到了蒸汽时代 随后 我们进入了电器时代 第三次产业革命 我们步入信息科技时代 人们都说工业革命是变革世界的引 擎 带来新的产物 虽然物联网不是一次产业革命 但是它却有着与产业革命类似的效果 它 的出现带来了许多新兴产业 将有一股强大的力量推动着人类前进的步伐 问 题 机遇 挑战 前景 这样一系列的正反面问题的存在 将大大加速着社会 的进步 物联网有利也有弊 相信 物联网最终会像互联网一样 成为人们生 活的一部分 参考文献 1 田美花 基于 RFID 技术的生产执行系统关键技术研究 青岛 中国海洋大学 2007 2 孔宁 物联网资源寻址关键技术研究 北京 中国科学院研究生院 2008 3 潘林 基于网格技术的 Savant 中间件的设计和实现 北京 北方工业大学 2007 4 肖慧彬 物联网中企业信息交互中间件技术开发研究 北京 北方工业大学 2009 5 马宇健 基于电子标签的签名系统设计与实现 北京 北方工业大学 2009 6 赵莹 基于物联网架构的 EPC 无线通讯协议研究 山东 山东大学 2005 7 香港物联传媒集团 物联网世界 2010 8 张铎 物联网大趋势 清华大学出版社 2010 9 神州数码网络有限公司 高级交换路由 神州数码出版 2010 10 黎连业 张维等 防火墙及其应用技术清华大学出版社 2004 11 Martin Peter Michael Architectural Solutions for Mobile RFID Services for the Internet of Things 2008 12 Vladimir Oleshchuk Internet of Things and Privacy Preserving Technologies 2007 13 Ning Kong Xiaodong Li Baoping Yan A Model Supporting Any Product Code Standard for the Resource Addressing in the Internet of Things 2006 14 Huansheng NING Na NIN