物联网的设计与应用本科毕业论文.doc

物联网的设计与应用摘要物联网的定义是：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、监控和管理的一种网络。从技术上理解，物联网理解是指物体通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。从应用上理解，物联网是指把世界上所有的物体都连接到一个网络中，形成“物联网”，然后“物联网”又与先有的互联网结合，实现人类社会与物理系统的整合，达到更加精细和生动的方式管理生产和生活。对全部的硬件电路进行了详细的讨论，包括串行LED驱动器的控制方式和工作原理，A/D转换器，查询式键盘，温度传感器的应用等。接着对软件部分也作了仔细的思考，按模块进行结构化程序设计，包括显示、键盘、A/D转换、温度控制和温度传感器的程序说明并画出各子程序流程图等。最后进行了系统整体调试。温度控制系统可以实现将温度经过热敏电阻转换为电压信号，经放大器放大后进入单片机进行A/D转换成数字量后，通过LED静态显示电路以十进制形式显示出来，同时显示电路还将显示设定的恒温值且通过键盘可以改变设定值的大小。关键词：物联网，射频信号发射器，温度控制器，卫星定位系统，继电器。目 录1 物联网概述11.1 物联网的定义11.2 物联网的体系结构11.3 物联网的核心技术11.3.1 RFID技术11.3.2 WSN技术21.3.3 传感器22 无线射频技术RFID汇总42.1 什么是RFID技术42.2 RFID的发展史42.3 RIFD的工作原理42.3.1 工作原理和相关原理知识52.3.2最基本的RFID系统由三部分组成：63 物联网的应用领域83.1 应用概述83.1.1 电力电网83.1.2 医疗系统93.1.3城市设施93.1.4 交通管理103.1.5物流供应链113.1.6通信行业114 物联网遇到的问题和挑战124.1 技术问题124.1.1 在射频识别系统中的问题124.1.2 阻抗问题124.1.3 辐射问题124.1.4距离问题134.1.5问题总结134.2技术挑战134.3 从阅读器向射签方向的数据交换164.4从射频标签向阅读器方向的数据交换174.5 耦合类型174.5.1密耦合系统174.5.2 遥耦合系统184.5.3 远距离系统184.6工作方式184.6.1 数据量194.6.2 可编程数据载体194.7 协议问题205 物联网的未来场景216 温度传感器和控制器236.1 温度控制发展现状和意义236.1.1 硬件设计电路236.1.2 LED静态串行显示原理与电路236.2 LED显示器与单片机的接线图246.2.1 A/D转换器256.3 温度传感器256.3.1 显示部分266.3.2 A/D转换部分266.4 键盘部分276.4.1 查询式键盘程序设计277 温度传感控制器在物联网中的应用297.1 应用领域和主要项目297.2 射频卡与物联网307.3 射频卡与传感器的连接31致 谢33参考文献34附录 设计源程序35中国物联网的发展. 391 物联网概述1.1 物联网的定义物联网（Internet of Things，IOT）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、监控和管理的一种网络。从技术上理解，物联网理解是指物体通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。从应用上理解，物联网是指把世界上所有的物体都连接到一个网络中，形成“物联网”，然后“物联网”又与先有的互联网结合，实现人类社会与物理系统的整合，达到更加精细和生动的方式管理生产和生活。1.2 物联网的体系结构物联网应该具备三个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。在业界，物联网大致被公认为有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面则是内容应用层。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。1.3 物联网的核心技术物联网核心技术包括射频识别（RFID）装置、WSN网络、红外感应器、传感器、全球定位系统、Internet与移动网络，网络服务，行业应用软件。在这些技术中，又以底层嵌入式设备芯片开发最为关键，引领整个行业的上游发展。1.3.1 RFID技术RFID(Radio Frequency Identification的)，即射频识别，俗称电子标签。 RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，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，操作快捷方便。 RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。一套完整的RFID系统, 是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成, 其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder, 用以驱动 Transponder电路将内部的数据送出，此时 Reader 便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。1.3.2 WSN技术WSN是wireless sensor network的简称，即无线传感器网络。无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。1.3.3 传感器温度传感器是一种将温度变化转换为电量变化装置。将温度变化转换为热电势变化的称热电偶传感器。将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；金属热电阻式传感器简称为热电阻，半导体热电阻式传感器简称为热敏电阻。温度传感在工业生产、科学研究、民用生活等许多领域得到广泛应用。电阻式传感器广泛被用于-200960范围内的温度。是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质而工作的，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度值。电阻式传感器分为金属热电阻传感器和半导体热电阻传感器两大类。前者称为热电阻，后者称为热敏电阻。对于热敏电阻，需要了解以下几点：（1）测温原理及特性NTC热敏电阻研制的较早，也较成熟。最常见的是由金属氧化物组成。根据不同的用途，NTC又可以分为两大类。第一类用于测量温度。它的电阻值与温度之间呈负的指数关系。第二类为负的突变型，当其温度上升到某设定值时，其电阻值突然下降，多用于各种电子电路中抑制浪涌电流，起保护作用。典型的PTC热敏电阻通常是在钛酸钡陶瓷中加入施主杂质以增大电阻温度系数。（2）热敏电阻的应用热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高等特点，因此它在许多领域被广泛应用。（3）热敏电阻的温度补偿热敏电阻可以在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。热敏电阻可以用于温度控制：温度传感器的作用是将温度经过热敏电阻Rt转换为电压信号。2 无线射频技术RFID汇总2.1 什么是RFID技术RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，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，操作快捷方便。短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代条码，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。RFID解决方案是RFID技术供应商针对行业发展特点制定的RFID应用方案，可根据不同企业的实际要求“量身定做”。 RFID解决方案可按照行业进行分类，物流、防伪防盗、身份识别、资产管理、动物管理、快捷支付等等。2.2 RFID的发展史RFID直接继承了雷达的概念，并由此发展出一种生机勃勃的AIDC新技术RFID技术。1948年哈里.斯托克曼发表的“利用反射功率的通讯”奠定了射频识别RFID的理论基础。RFID技术发展的历程表。在20世纪中，无线电技术的理论与应用研究是科学技术发展最重要的成就之一。RFID技术的发展可按10年期划分如下：19411950年。雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。19511960年。早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。19611970年。RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。19711980年。RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。19811990年。RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。19912000年。RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。2001至今。标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。RFID技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的RFID正在成为现实。2.3 RIFD的工作原理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（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，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。2.3.1 工作原理和相关原理知识其中，电子标签又称为射频标签、应答器、数据载体；阅读器又称为读出装置，扫描器、通讯器、读写器(取决于电子标签是否可以无线改写数据)。电子标签与阅读器之间通过耦合组件实现射频信号的空间(无接触)耦合、在耦合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换。发生在阅读器和电子标签之间的射频信号的耦合类型有两种。(1) 电感耦合。变压器模型，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律。(2) 电磁反向散射耦合：雷达原理模型，发射出去的电磁波，碰到目标后反射，同时携带回目标信息，依据的是电磁波的空间传播规律。电感耦合方式一般适合于中、低频工作的近距离射频识别系统。典型的工作频率有：125kHz、225kHz和1356MHz。识别作用距离小于1m，典型作用距离为1020cm。电磁反向散射耦合方式一般适合于高频、微波工作的远距离射频识别系统。典型的工作频率有：433MHz，915MHz，245GHz，58GHz。识别作用距离大于1m，典型作用距离为3l0m。标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，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(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。微波：波长为0.1100厘米或频率在1100GHZ的电磁波。射频：一般指微波。电子标签：以电子数据形式存储标识物体代码的标签，也叫射频卡。被动式电子标签：内部无电源、靠接收微波能量工作的电子标签。主动式电子标签：靠内部电池供电工作的电子标签。微波天线：用于发射和接受微波信号。读出装置：用于读取电子标签内电子数据。阅读器：用于读取电子标签内电子数据。编程器：用于将电子数据写入电子标签或查阅电子标签内存储数据。波束范围：指天线发射微波的照射功率范围。标签容量：电子标签编程时所能写入的字节数或逻辑位数。a-Biz自动识别技术的应用案例框架a-Biz是一项自动识别工程，它的终极目标是将自动识别技术与现实世界中的应用案例结合，以此实现“商业自动化”，或者说是a-Biz。ASN高级货运通知也可称之为DA，此电子文档先于货物被发送出去，以通知对方货物在运送途中。BIS商业信息系统商业信息系统，即BIS，是用来处理商业交易信息的系统。DA发货通知此电子文档先于货物被发送出去，以通知对方货物在运送途中。2.3.2最基本的RFID系统由三部分组成：1.标签(Tag，即射频卡)：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。2.阅读器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备。3.天线：在标签和读取器间传递射频信号。有些系统还通过阅读器的RS232或RS485接口与外部计算机(上位机主系统)连接，进行数据交换。系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。在耦合方式(电感-电磁)、通信流程(FDX、HDX、SEQ)、从射频卡到阅读器的数据传输方法(负载调制、反向散射、高次谐波)以及频率范围等方面，不同的非接触传输方法有根本的区别，但所有的阅读器在功能原理上，以及由此决定的设计构造上都很相似，所有阅读器均可简化为高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，其功能包括：产生高频发射功率以启动射频卡并提供能量；对发射信号进行调制，用于将数据传送给射频卡；接收并解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异，电感耦合系统的高频接口原理图如图1所示。 阅读器的控制单元的功能包括：与应用系统软件进行通信，并执行应用系统软件发来的命令；控制与射频卡的通信过程(主-从原则)；信号的编解码。对一些特殊的系统还有执行反碰撞算法，对射频卡与阅读器间要传送的数据进行加密和解密，以及进行射频卡和阅读器间的身份验证等附加功能。射频识别系统的读写距离是一个很关键的参数。目前，长距离射频识别系统的价格还很贵，因此寻找提高其读写距离的方法很重要。影响射频卡读写距离的因素包括天线工作频率、阅读器的RF输出功率、阅读器的接收灵敏度、射频卡的功耗、天线及谐振电路的Q值、天线方向、阅读器和射频卡的耦合度，以及射频卡本身获得的能量及发送信息的能量等。大多数系统的读取距离和写入距离是不同的，写入距离大约是读取距离的40%80%。RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。与传统的条型码、磁卡及IC卡相比，射频卡具有非接触、阅读速度快、无磨损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点和具有防冲突功能，能同时处理多张卡片。在国外，射频识别技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。3 物联网的应用领域3.1 应用概述在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是工业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口。一旦物联网大规模普及，无数的物品需要加装更加小巧智能的传感器，用于动物、植物、机器等物品的传感器与电子标签及配套的接口装置数量将大大超过目前的手机数量。按照目前对物联网的需求，在近年内就需要按亿计的传感器和电子标签。专家预计，2011年，内嵌芯片、传感器、无线射频的“智能物件”将超过1万亿个，物联网将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，这将大大推进信息技术元件的生产，给市场带来巨大商机。物联网用途广泛，遍及智能交通、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、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。3.1.1 电力电网自200l 年以来，中国每年的能源消耗量一直以12的平均速度增长，也就是说能源消耗量增长速率高于GDP 增长速度。由于电网系统效率低下，发电和输电过程中浪费非常严重。现在，我们可以利用高科技对事物有更透彻的感知和度量，不管是安装在室内的计量器还是发电厂里的涡轮。所有这些感知和度量支持我们更好的收集信息和数据，透过先进的分析工具产生智能洞察，再以此实时地做出更好的决策。仪表管理技术的进步使个人和企业可以选择使用能源的方式和时间，这就为使用风能和太阳能等利于环保的能源奠定了基础。对于电力提供商而一言，智慧的电力意味着更高的电力的可靠性和电力质量，更短的停电恢复时问，进而实现更高生产率和对电力潜在障碍的防护，从而更精确地预测需替换的资产设备及支出。、减少停电现象：通过在智慧的电力中安装先进分析和优化引擎，电力提供商可以突破“传统”网络的瓶颈，而直接转向能够主动管理电力故障的“智能”电网。对电力故障的营理计划不仅考虑到了电网中复杂的拓扑结构和资源限制，还能够识别同类型发电设备，这样，电力提供商就可以有效地安排停电检测维修任务的优先顺序。如此一来，停电时间和频率可减少约30%，停电导致的收入损失也将减少，而电网的可靠性和客户的满意度也将得到提高。、智能电表：在智慧的电力设施的支持下，智能电表可以重新定义电力提供商和客户的关系。通过安装内容丰富且读取方便的设备，用户可了解在任何时刻的电力费用，并目用户还可以随时获取一天中任意时刻的用电价格（查看前后的记录），这样电力提供商就为用户提供了很大的灵活性，用户可以根据了解到的信息改变其用电模式。智能电表不仅可以测量用电量，它还是电网上的传感器，可以协助检测波动和停电。它还能储存和关联信息，支持电力提供商完成远程开启或关闭服务，也能远程支持使用后支付或提前支付等付费方式的转换。总而言之，智能电表可大幅度减小系统的峰值负荷，转换电力操作模式，也能重新定义客户体验。3.1.2 医疗系统由于缺乏资金和管理不当，中国医疗保健体系覆盖率很低，39 的农村居民和36 的城市居民无法承受专业的医疗治疗。而且，由于一直以来有限的政府投资主要针对的是规模更大、等级更高的城市医院、农村地区医院的床位严重短缺。资金较少的医院于是将其核心竞争力从临床治疗转向创收活动，而这反过来极大地影响了对患者护理的质量。然而，中国一直都在竭尽全力发展一个现代化的医疗体系。发展和完善21 世纪的医疗体系，必须采取智慧的方法进行信息共享管理。实时信息共享可以降低药品库存和成本并提高效率。有了综合准确的信息，医生就能参考患者之前的病历和治疗记录，增加对病人情况的了解，从而提高诊断质量和服务质量。智慧的医疗能够促成一种可以共享资源、服务及经验的新服务模型，能够推动各医院之间的服务共享和灵活转账，能够形成一种新的管理系统，使开支和流程更加透明化。整合的医疗保健平台根据需要通过医院的各系统收集并存储患者信息，并将相关信息添加到患者的电子医疗档案，所有授权和整合的医院都可以访问。这样资源和患者能够有效地在各个医院之间流动，通过各医院之间适当的管理系统，政策，转诊系统等。这个平台满足一个有效的多层次医疗网络对信息分享的需要。电子健康档案系统通过可靠的门户网站集中进行病历整合和共享，这样各种治疗活动就可以不受医院行政界限而形成一种整合的视角。有了电子健康档案系统，医院可以准确顺畅地将患者转到其他门诊或其他医院，患者可随时了解自己的病情，医生可以通过参考患者完整的病史为其做出准确的诊断和治疗。3.1.3城市设施当前，中国大多数城市在IT 基础架构方面远远落后于其他发达国家。城市管理低效和公共服务的落后是阻碍中国城市发展的两人系统挑战。由于缺乏内部整合和协作，不同的政府机构和职能部门在流程及数据管理上相对分散并且重复严重，由此带来的后果就是处理公共事务和公共服务时响应缓慢、效率低但成本很高。全球自然环境和政局不断变化，人们对安全问题也更加关注。为了更好的满足市民不断提升的需求，必须建立一个山新工具新技术支持的涵盖政府、市民和商业组织的新城市生态系统。在智能且互联技术的支持下，政府可以实时收集并分析城市各领域的数据，以便快速制定决策并采取适当的行动。市民可以远程工作、购物、学习和进行交易，从而令生活变得更加便利、灵活和自主。企业可充分利川集成数据管理所支持的跨政府职能部门的“一站式服务”，快速通过企业建立，企业运营所需的政府流程。他们还可以通过公司内部以及业务合作伙伴之间的互联互通更有效地管理产品开发、制造、物流和配送。实时城市管理设立一个城市监控报告中心，将城市划分为多个网格，这样系统能够快速收集每个网格中所有类型的信息，城市监控中心依据事件的紧急程度上报或指派相关职能部门（如火警，警察局，医院）采取适当的行动，这样政府就可实时监督并及时响应城市事件。新的公共服务系统将不同职能部门（如民政、社保、警察局、税务等）中原本孤立的数据和流程整合到一个集成平台，并创建一个统一流程来集中管理系统和数据，为居民提供更加便利和高效的一站式服务。3.1.4 交通管理解决交通拥堵的传统方式是增加容量。但在当今的环境中，我们需要其他解决办法。将智能技术运用到道路和汽车中无疑是可以实现的例如，增设路边传感器、射频标一记和全球定位系统。这可改变人们固有的思维和习惯，还可以丰富驾驶者的经验，而不再仅仅关心出行时间及路线选择。同时，它还可以改进汽车、道路以及公共交通，使之更具便利性。新的交通系统可以是乘坐公共交通的人可以通过手机查看下一班的市郊火车或地铁上有多少空座位。集成服务和信息对未来的公共交通至关重要。例如，为均衡供求，未来的交通系统将可以定位乘客位置，并为他们提供所需的智慧的交通工具。许多交通规划者己经开始努力促成多个系统的集成，并在各种交通类型、多个城市甚至国家或地区之间整合费用和服务。智慧的交通系统可以缩短人们的空间距离，提高生产效率、降低旅程时间和加速突发事件交通工具的响应速度，也可保护环境（如改善空气质量、降低噪音污染、延长资产生命周期、保护古迹景点住宅）智慧的道路是减少交通拥堵的关键，但我们仍不了解行人、车辆、货物和商品在市内的具体移动状况。因此，获取数据是重要的第一步。通过随处都安置的传感器，我们可以实时获取路况信息，帮助监控和控制交通流量。人们可以获取实时的交通信息，并据此调整路线，从而避免拥堵。未来，我们将能建成自动化的高速公路，实现车辆与网络相连，从而指引车辆更改路线或优化行程。通过RFID技术以及利用激光、照相机和系统技术等的先进自由车流路边系统来无缝地检测、标识车辆并收取费用。3.1.5物流供应链中国物流成本所占GDP 百分比一直都高于发达国家，这反映出供应链运营效率低下的体制性问题。法规、基础设施和运营等三大瓶颈是中国供应链低效的深层原因，这不仅削弱了中国企业的竞争力，也会妨碍内部货物流以及国内需求的扩大。智慧的供应链将促使物理网络和数字网络融合，将先进的传感器、软件及相关知识整合到系统中。智慧的供应链的价值在于我们可以从各种数据中抽取有价值的信息，包括基于地理空间或位置的信息、关于产品属性的信息、产品流程条件、供应链关键业绩指标等；同时也可以提升数据传输的速度。智慧的供应链可以满足21 世纪的需求，它可以提高效率（如动态供求均衡、预测事件检测和解决、旨在降低库存的库存水平和产品位置高度可视性）、降低风险（例如，降低污染和召回事件的发生频率及其影响、减少产品责任保金、减少伪劣消费产品），也能减少供应链的环境保护压力（如降低能源和资源消耗、减少污染物排放）。智慧的供应链通过使用强大的分析和模拟引擎来优化从原材料至成品的供应链网络。这可以帮助企业确定生产设备的位置，优化采购地点，亦能帮助制定库存分配战略。使用后，公司可以通过优化的网络设计来实现真正无缝的端到端供应链，这样就能提高控制力，同时还能减少资产、降低成木（交通运输、存储和库存成木）、减少碳排放，也能改善客户服务（备货时间、按时交付、加速上市），实现网络化。供应链的每个成员都应当能够追溯产品生产者以及产品成分、包装、来源等特征，也应当能够向前追踪产品成分、包装和产品的的每一项活动，这变得越来越重要。要设计一个具有对整个价位链可追溯性的供应链，公司必须创建流程和基础架构来收集、集成、分析和传递关于产品来源和特征的可靠信息，这应当贯穿于供应链的各个阶段（从农场到餐桌）。它将不！司的技术解决方案整合起来，使物理供应链（商品的运动轨迹）和信息供应链（数据的收集、存储、组织、分析和访问控制）能够相互集成。有了这样的供应链可视性，公司就能保护和推广品牌、主动地吸引其他股东并降低安全事故的影响。3.1.6通信行业在“2009 年中国国际信息通信展览会”上，中国移动展出了手机支付，这就是典型的物联网概念应用。手机支付实际上主要是手机SIM卡的更换，由普通SIM卡更换为RFID-SIM卡，而不需要对手机进行更换。用户在消费时，只需要将手机从接收器上轻轻一扫，就可以方便进行各种购物，以及获得详细的费用清单。中国电信一直在推介自己的全球眼技术，其实就是远程监控的物联网应用。比如上海海关都采用中国电信的远程监控系统，通过画而可以对货物进行通关检查，也减少人力。中国联通日前在上海推出了公交卡手机，通过刷手机可以实现公交车票支付，这些都是典型的应用。4 物联网遇到的问题和挑战4.1 技术问题4.1.1 在射频识别系统中的问题在RFID装置中，工作频率增加到微波区域的时候，天线与标签芯片之间的匹配问题变得更加严峻。在选择天线的时候的主要考虑是：天线的类型；天线的阻抗：在应用到物品上的RFID的性能；在有其他的物品围绕贴标签物品时的RFID性能。可能的选择这里有两种使用方式：一）贴标签的物品被放在仓库中，有一个便携装置，可能是手持式，询问所有的物品，并且需要它们给予信息反馈信息。在仓库的门口安装读卡设配，询问并记录进出物品。还有一个主要的选择是有源标签还是无源标签。可选的天线在435 MHz, 2.45 GHz 和 5.8 GHz 频率是用的RFID系统中，可选的天线有几种，见下表，它们重点考虑了天线的尺寸。这样的小天线的增益是有限的，增益的大小取决于辐射模式的类型，全向的天线具有峰值增益0到2 dBi；方向性的天线的增益可以达到6 dBi。增益大小影响天线的作用距离。下表中的前三个种类的天线是线极化的，但是微带面天线可以使圆极化的，对数螺旋天线仅仅是圆极化的。由于RFID标签的方向性是不可控的，所以读卡机必须是圆极化的。一个圆极化的标签天线可以产生3 dB 以强的信号。4.1.2 阻抗问题为了最大功率传输，天线后的芯片的输入阻抗必须和天线的输出阻抗匹配。几十年来，设计天线与50或70欧姆的阻抗匹配，但是可能设计天线具有其他的特性阻抗。例如，一个缝隙天线可以设计具有几百欧姆的阻抗。一个折叠偶极子的阻抗可以是一做个标准半波偶极子阻抗的20倍。印刷贴片天线的引出点能够提供一个很宽范围的阻抗(通常是40到100欧姆)。选择天线的类型，以至于它的阻抗能够和标签芯片的输入阻抗匹配是十分关键的。另一个问题是其他的与天线接近的物体可以降低天线的返回损耗。对于全向天线，例如双偶极子天线，这个影响是显著的。改变双偶极子天线和一听番茄酱的间距做了一些实际测量，显示了一些变化。其他的物体也有相似的影响。此外是物体的介电常数，而不是金属，改变了谐振频率。一塑料瓶子水降低了最小返回损耗频率16%。当物体与天线的距离小于62.5mm的时候，返回损耗将导致一个3.0dB的插入损耗，而天线的自由空间插入损耗才0.2dB。可以设计天线使它与接近物体的情况相匹配，但是天线的行为对于不同的物体和不同的物体距离而不同。对于全向天线是不可行的，所以设计方向性强的天线，它们不受这个问题的影响。4.1.3 辐射问题在一个无反射的环境中测试了天线的模式，包括了各种需要贴标签的物体，在使用全向天线的时候性能严重下降。圆柱金属听引起的性能下降是最严重的，在它与天线距离50mm的时候，反回的信号下降大于20 dB。天线与物体的中心距离分开到100150mm的时候，反回信号下降约10 到12 dB。在与天线距离100mm的时候，测量了几瓶水（塑料和玻璃），反回信号降低大于10 dB。 在蜡纸盒的液体，甚至苹果上做试验得到了类似的结果。局部结构的影响在使用手持的仪器的时候，大量的其他临近物体的使读卡机天线和标签天线的辐射模式严重失真。这可以对于2.45 GHz的工作频率计算，假设一个代表性的几何形状，和自由空间相比，显示返回信号降低了10dB，在双天线同时使用的时候，比预料的模式下降的更多。在仓库的使用环境下，一个物品盒子具有一个标签会有问题，几个标签贴在一个盒子上以确保所有时候都有一个标签是可以看见的。便携系统的使用有几个天线的问题。每个盒子两个天线足够适合门禁装置探测，这样局部结构的影响变得不再重要，因为门禁装置的读卡机天线被固定在仓库的出入，并且直接指向贴标签的物体。4.1.4距离问题距离：RFID天线的增益和是否使用有源的标签芯片将影响系统的使用距离。乐观的考虑，在电磁场的辐射强度符合UK的相关标准时，2.45GHz的无源情况下，全波整流，驱动电压不大于3伏，优化的RFID天线阻抗环境(阻抗200或300欧姆)，使用距离大约是1米3。如果使用WHO限制4则更适合于全球范围的使用，但是作用距离下降了一半。这些限制了读卡机到标签的电磁场功率。作用距离随着频率升高而下降。如果使用有源芯片作用距离可以达到5到10米。当RFID的发射频道达到高频或是超高频时，也就是通过卫星传送信号，这就实现了GPS的定位方案。这样传送的距离那是不可估量的。4.1.5问题总结全向天线应该避免在标签中使用，然而是可以使用方向性天线，它具有更少的辐射模式和返回损耗的干扰。天线类型的选择必须使它的阻抗与自由空间和ASIC匹配。在一个仓库中使用天线好像是不可行的，除非使用有源标签，但是在任何情况下，仓库内的天线辐射模式将严重失真。一个门禁系统的使用将是好的选择，可以使用短作用距离的无源标签。当然门禁系统比手持的仪器昂贵，但是手持仪器工作人员需要使用它到仓库搜寻物品，人员费用同样昂贵。在门禁系统中，每一个物品盒子，仅需要2个而不是4个或6个RFID标签。4.2技术挑战利用电感耦合读写技术原理：如下图:图 4-1电感耦合原理最基本的RFID系统由三部分组成。标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，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(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号.电子标签中一般保存有约定格式的电子数据，在实际应用中，电子标签附图 4-2耦合构造图着在待识别物体的表面。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。射频识别系统工作过程中，空间传输通道中发生的过程可归结为三种事件模型，本文以此三种事件模型的描述来介绍射频识别系统的典型工作方式与工作流程。射频标签（射频标签）与阅读器（读写器）之间通过两者的天线架起空间电磁波传输的通道。细分射频标签与阅读器之间的电磁耦合，包含两种情况：即近距离的电感耦合与远距离的电磁耦合.在电感耦合方式中，阅读器一方的天线相当于变压器的初级线圈，射频标签一方的天线相当于变压器的次级，因而也称电感耦合方式为变压器方式。电感耦合方式的耦合中介是空间磁场，耦合磁场在阅读器线圈初级与射频标签线圈次级之间沟成闭合回路。电感耦合方式是低频近距离无接触射频识别系统的一般耦合原理。在电磁耦合方式中，阅读器的天线将阅读器产生的读写射频能量以电磁波的方式发送到定向的空间范围内，形成阅读器的有效阅读区域，位于阅读器有效阅读区域中的射频标签从阅读器天线发出的电磁场中提取工作电源，并通过射频标签的内部电路及标签天线将标签内存的数据信息传送到阅读器。电磁耦合与电感耦合的差别在于电磁耦合方式中阅读器将射频能量以电磁波的形式发送出去；在电感耦合方式中，阅读器将射频能量束缚在阅读器电感线圈的周围，通过交变闭合的线圈磁场，沟通阅读器线圈与射频标签线圈之间的射频通道，没有向空间辐射电磁能量。射频识别系统工作过程中，空间传输通道中发生的过程可归结为三种事件模型：（1）数据交换是目的；（2）时序是数据交换的实现方式；（3）能量是时序得以实现的基础。下面以此三种事件模型的描述来介绍射频识别系统的典型工作方式与工作流程。1、能量：阅读器向射频标签供给射频能量。对于无源射频标签来说，其工作所需的能量即由该射频能量中取得（一般由整流方法将射频能量转变为直流电源存在标签中电容器里）；对于（半）有源射频标签来说，该射频能量的到来起到了唤醒标签转入工作状态的作用。完全有源射频标签一般不利用阅读器发出的射频能量，因而阅读器可以较小的能量发射取得较远的通信距离。移动通信中的基站与移动台之间的通信方式可归入该类模式。2、时序:对于双向系统（阅读器向射频标签发送命令与数据、射频标签向阅读器返回所存贮的数据）来说，阅读器一般处于主动状态，即阅读器发出询问后，射频标签予以应答，称这种方式为阅读器先讲方式。另外一种情况是射频标签先讲方式，即射频标签满足工作条件后，首先自报家门，阅读器根据射频标签的自报家门，进行记录或进一步发出一些询问信息与射频标签构成一个完整对话达成阅读器对射频标签进行识别的目的。3. 射频识别系统应用中根据阅读器读写区域中允许出现单个射频标签或多个射频标签的不同，将射频识别系统称为单标签识别系统，或简称为射频识别系统，与多标签识别系统。在阅读器的阅读范围内有多个标签时，对于具有多标签识读功能的射频识别系统来说，一般情况下，阅读器处于主动状态，即阅读器先讲方式。阅读器通过发出一系列的隔离指令，使得读出范围内的多个射频标签逐一或逐批地被隔离（令其睡眠）出去，最后保留一个处于活动状态的标签与阅读器建立无冲撞的通信。通信结束后将当前活动标签置为第三态（可称其为休眠状态，只有通过重新上电，或特殊命令，才能解除休眠），进一步由阅读器对被隔离（睡眠）的标签发出唤醒命令唤醒一批（或全部）被隔离的标签，使其进入活动状态，再进一步隔离，选出一个标签通信。如此重复，阅读器可读出阅读区域内的多个射频标签信息，也可以实现对多个标签分别写入指定的数据。实现多标签的读取，现实应用中也有采用标签先讲方式的应用。多标签读写问题是射频识别技术及应用中面临的一个较为复杂的问题，目前已有多种实用方法解决这一问题。解决方案的评价依据，一般考虑以下三个因素：（1）多标签读取时待读标签的数目；（2）单位时间内识别标签数目的概率分布；（3）标签数目与单位时间内识读标签数目概率分布的联合评估。理论分析表明，现有的方法都有一定的适用范围，需根据具体应用情况，结合上述三点因素对多标签读取方案给出合理评价，选出适合具体应用的方案。多标签读取方案涉及到射频标签与阅读器之间的协议配合，一旦选定，不易更改。对于无多标签识读功能的射频识别系统来说，当阅读器的读写区域内同时出现多个标签时，由于多标签同时响应阅读器发出的询问指令，会造成阅读器接收信息相互冲突而无从读取标签信息，典型情况是一个标签信息也读不出来。数据传输：射频识别系统所完成的功能可归结为数据获取的一个便利手段，因而国外也有将其归为自动收集数据ADC技术范畴。射频识别系统中的数据交换包含两个方面的含义：（1）从阅读器向射频标签方向的数据交换；（2）从射频标签到阅读器方向的数据交换。根据具体实现系统的不同，以及理解层面的不同，上述两个方面的含义会有不同的理解和解释，下面分别给予简单讨论频标。4.3 从阅读器向射签方向的数据交换从射频识别系统实现过程中的纯技术层面来说，如果将注意力放在射频标签中存贮信息的注入方式来说，阅读器向射频标签方向的数据交换可分为两种情况，即有线写入方式和无线写入方式。具体采用何种方式，需结合应用系统需求、代价，技术实现的难易程度等因素来定。在有线写入方式下，阅读器的作用是向射频标签（中的存贮单元）写入数据信息。阅读器更多地被称为编程器。根据射频标签存贮单元及编程写入控制电路的设计情况，写入可以是一次性写入不能修改，也可以是允许有线多次改写的情形。另外一种写入情形是，在绝大多数通用射频识别系统应用中，每个射频标签要求具有唯一的标识。这种唯一的标识被称为射频标签的ID号，通常在标签出厂时已被固化在射频标签内，用户无法修改。ID号的固化过程可以在射频标签芯片生产过程中完成，也可以在射频标签应用指定后的初始化过程中完成。无论在何时完成，都是以有线（解触）方式实现ID号的写入。对于声表面波SAW射频标签以及其它无芯片射频标签来说，一般均在标签制造过程中将标签ID号固化到标签记忆体中。无线写入方式是射频识别系统中阅读器向射频标签方向数据交换的另外一种情况。根据射频识别系统实现技术方面的一些原因，一般情况下应尽可能地不要采用无线写入方式，尤其是在射频识别系统工作过程中。这种建议的主要原因有以下几点：（1）具有无线写入功能的射频识别系统属于相对复杂的系统，能够采用简单系统解决应用问题即采用简单系统是一般的工程设计原理。其背后隐含着简单系统较复杂系统成本更低、可靠性更高、培训、维护成本更低。（2）采用集成电路芯片的射频标签写入信息要求的能量比读出信息要求的能量要大得多，可以10倍的量级进行估算。这就造成射频标签无线写入过程花费的时间要比从中读取等量数据信息花费的时间要长许多。（3）无线写入后一般均应对写入结果进行检验，检验的过程是一个读取过程，因而造成写入过程所需时间进一步增加。（4）写入过程花费时间的增加非常不利于射频识别在鉴别高速移动物体方面的应用。这很容易理解，阅读器与射频标签之间经空间传输通道交换数据过程中，数据是一位一位排队串行进行的，其排队行进的速度由射频识别系统设计时决定。将射频标签看作数据信息的载体，数据信息总是以一定长度的数据位组成，因而读取或写入这些数据信息位要花费一定的时间。移动物体运动的速度越高，通过阅读区域所花费的时间就越少。当有无线写入要求时，必将限制物体的运动速度以保证有足够的时间用于写入信息。（5）无线写入过程面临着射频标签信息的安全隐患。由于写入通道处于空间暴露状态，这给蓄谋攻击者提供了改写标签内容的机会。另一方面，如果将注意力放在阅读器向射频标签是否发送命令方面，也可分为两种情况，即射频标签只接受能量激励和既接受能量激励也接受阅读器代码命令。射频标签只接受能量激励的系统属于较简单的射频识别系统。这种射频识别系统一般不具备多标签识别能力。射频标签在其工作频带内的射频能量激励下，被唤醒或上电，同时将标签存贮的信息反射出来。目前在用的铁路车号识别系统即采用这种方式工作。同时接受能量激励和阅读器代码命令的系统属于复杂射频识别系统。射频标签接受阅读器的指令无外乎是为了做两件事，即无线写入和多标签读取。4.4从射频标签向阅读器方向的数据交换射频标签的工作使命即是实现由标签向阅读器方向的数据交换。其工作方式包括：（1）射频标签收到阅读器发送的射频能量时，即被唤醒并向阅读器反射标签存贮的数据信息；（2）射频标签受到阅读器发送的射频能量被激励后，根据接收到的阅读器的指令情况转入发送数据状态或“睡眠/休眠”状态。从工作原理上来说，第一种工作方式属单向通信，第二种工作方式为半双工双向通。4.5 耦合类型根据射频识别系统作用距离的远近情况，射频标签天线与读写器天线之间的耦合可分为三类。射频识别系统中射频标签与读写器之间的作用距离是射频识别系统应用中的一个重要问题，通常情况下这种作用距离定义为射频标签与读写器之间能够可靠交换数据的距离。射频识别系统的作用距离是一项综合指标，与射频标签及读写器的配合情况密切相关。根据射频识别系统作用距离的远近情况，射频标签天线与读写器天线之间的耦合可分为以下三类：（1）密耦合系统；（2）遥耦合系统；（3）远距离系统4.5.1密耦合系统密耦合系统的典型作用距离范围从01cm。实际应用中，通常需要将射频标签插入阅读器中或将其放置到读写器的天线的表面。密耦合系