物联网技术与智能物流配送系统.

1、物联网技术与智能物流配送系统一、物联网技术概述1.1 物联网的含义和基本结构物联网 (Internet ofthings ，简称 lOT) ，目前国内外普遍公认的是 MITAuto ID 中心 主任 KevinAshton 教授于 1999 年在研究 RFID 时最早提出来的。在 2005 年国际电信联 盟(ITU)及欧盟 2008 年发布的(EPoSS, the European Techno logy platform on martSystems Information)IOT2020 报告中，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆 盖范围有了较大拓展，不再只是基于 RFID 技术的物联网

2、。从本质上来说，物联网是一种建立在互联网上的泛在网络，其核心是目前被大家广泛 使用的互联网，并在其基础上进一步延伸和拓展以实现充分的互联互通；其次，物联网使 得物与物之间有了通信功能，可以进行信息的交换和传输，实现自动识别和物物通信。物联网是将各种信息传感设备，如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。它是多学科高度交 叉的新兴前沿研究热点领域，综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信 技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知 和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对

3、信息进行处理，并通过随机自组织 无线通信网络以多跳中继方式将所感知的信息传送到用。从体系结构上来说，物联网的体系架构主要包括感知层技术、网络层技术、应用层技 术及公共技术，如图 1 所示。可编辑RF1Di LZJ机案人餐能总知披逼鸣翼测1C卡U秦物联划倍息具京处且平台壮H；： 生门匚注1传输技术鬧用枝术 严一 .行宝物联网直用黑址.技氏離据昨电熬I 0)。(2) Zigbee 的技术参数Zigbee 协议共有两个标准物理层：2.4 GHz和868/915 MHz。这两个物理层使用-模一样的数据包格式，均是在扩频DSSS的基础上的；主要的不同在于频率不同，传输速率也不一样。Zigbee无线信道的

4、组成如表一所示；Zigbee的技术参数见表二所示。表一 Zigbee无线信道的组成表频卓敌st们疋间隔llz湮率调制方式频率上限 7MHz频率卜限/itll z120戦.210910HPSK9010IfiJnO2 100, Q表二Zigbee 的技术参数组成表内睿可地I。75m.戚棘甜串轴出和阡境特件.lE-SOna 劇駅援雷Hit和佈眠矗活时証1亦活动按入时抵1血訂_寻址时址昭b的IEE*址1铀【t的如）6址MAWS个上i臥网皓可獰抽255亍网塔拓lb星型、点对点“网状.Hl如密膵采用4E31M. 时.甘十磺用可H 活踊定桌用诃种安全机湖*糕诜初Ifi化咸加釣占芙朮，師看市场贱熟会槪快鮮到L

5、M生船皿.A II.LEbrr 协汶奄利曲凫电情况甜僵的占呷比.iJd-T-C. 1%：1：作周橱彌收慎纳耗僵三孙比杓休眠根式+殼nu；i网 粧号电池可便用呂牛片垫两年的时阖.作为全球统一的无需申请的ISM频段，2.4 GHz波段的推广更容易，而且降低成本的可操作性也更高。其物理层的特质是，调制技术高阶灵活，且有较高的传输速率，正因为 此，才能在获得较小的通信时延，使得工作周期更短，从而达到更加省电的目的。（3）Zigbee 协议栈Zigbee协议由下至上分为物理层 PHY层、媒体接入控制层 MAC层、网络层 NWK 层和应用层APL层，如下图1所示。APMF 5N| Ml：囲啊络层 四毗且理

6、.lEEKBQQJ忌哼PJBZc (APS Larwfl)ji曲毆爸应出村篦冬琳2-应艸对姿烬端33U5Jfc SJL1用76 LIE AE*3 Jjb-lajref M-MV SPOIACSutrlar*r 1田!30匸匣匸二I卜曲fr,ZHiAPxJfwTsAP前理层 PUI Lbjm) IWJ WJ2 L5.4图1 Zigbee 的协议栈结构其中，PHY层和MAC 层的标准由IEEE 802.15.4 小组制定，而 NWK层和APL层的 标准由Zigbee联盟来制定。相应的 APL包含APS层、ZDO层、AF层以及自定义应用 等。PHY层Zigbee协议的PHY层不但为物理信道和 MAC

7、子层间的接口做出了明确定义，而且还为 数据的传输和管理提供了先行保障。数据库PIB源自于物理层本身的数据以及道上接收和传输的数据，PHY层的重要职责就是该数据库的维护和管理。PLME :物理层管理实体，处理物理层管理相关的原语。PHY PIB :物理层PAN信息数据库，存储物理层PAN相关属性。PD-SAP :物理层数据服务接入点，为MAC层提供数据服务，用于上传下达帧信息。PLME-SAP :物理层管理实体(PLME)服务接入点，为 MAC层提供物理层管理服务， 具有各项相关功能，但数据传输功能除外。RF-SAP ：射频服务接入点，射频数据收发的接口。物理层任务描述a 、 RF 收发器的开启

8、和关闭；b 、检测信道的能量；c 、 LQI(Link Quality Indieation)，对接收到的数据包报进行链路质量指示；d 、 CCA(Clear Channel Assessment)，为 CSMA/CA 算法提供空闲信道评估；e 、选择通信信道频率；f 、传输接收 OTA 数据包。MAC 层Zigbee 协议的 MAC 层协议需涵盖以下几项功能： a 、首先对设备与设备之间的连接 起到桥梁的作用，对于各项开关的闭合可以用来进行管理； b 、能够确认模式的帧传送与 接收；c、能够有效地进行信道接入控制；d、能实现帧校验；e、能具备对于时延的长短有管理的功能； f 、能实现广播信息

9、管理。MAC 层 4 种帧结构指的是数据帧、标志帧、确认帧和 MAC 命令帧，如图 2 所示。歯认恤伯专帧wm襦禹眾粧井单曲冷畀.恫徘芾恥单几1齐节0脚字节PjAfflFT节 上最制峡|牧岸時就聊控制蹴輙帝域址校第图2 Zigbee 的帧结构图(4) Zigbee 性能分析低速率：Zigbee的数据传输速率有二种，能确保只能在低速率传输的数据能够得到准确传送。因此在家庭使用数据量相对较小的情况下，可以满足控制平台与节点之间的自有联通。 低功耗：运转正常是，因为其传输的数据量小所以收发时间的处理都比较短，在除去收发时间外的其它时间基本上都休眠，在此模式下不需要传送数据。Zigbee节点非常省电，

10、因为Zigbee基本处于休眠模式，接收数据处理的时间非常短，所以每个节点的电池 工作时间最短也可以达到半年时长，最长可以撑24个月。 低成本：简单的协议栈设计注定了Zigbee的研发成本不会太高，更何况一般的节点硬件只有8位微处理器；在这，Zigbee协议是免费开放的，软件实现上不会产生额外 的费用，研发人员可以随意免费地下周所需的开发资源。所以，有理由相信，随着技术的 成熟，Zigbee某块的价格肯定会越来越低。 网络的自组织，自愈能力强：在没有任何人为操作的情况下，各网络节点之间可以自 发、主动地互相感知，并自觉确定联系关系和方向，从而形成网络；尽管如此，它也并非完全盲目，在有节点发生变化

11、（如增删，位置调整或故障）时，网络便会自觉地在第一时 间进行自我检修，有效地确保了整个网络可以正常运转。 短时延：不管在何种状态下，时延都十分给力，没有后顾之忧。一些典型的搜索设备时延已经被计算出来，最长的状态时延仅仅为短短的 30ms ，其它状态的时间更短，仅为 最长时间的二分之一倍。 网络容量大，每一个协议网络都具有可以容纳1个主设备的超大容量以及二百多个从设备；更甚者，每个网络又可以作为一个节点接入到其它设备相连，网网相连，容量则 以数量级的单位扩容。当使用网络协调器时，整个网络最多的Zigbee 节点数可以达到65000 个。如此巨大的传感器网络自然也给控制提出了巨大挑战。 有效范围小

12、：一般情况下有效覆盖范围在10到75米之间，基本上能够覆盖家庭环境。但在一定情况下可以扩展达到数百米，像这种情况一般都是依据实际发射功率的大小 和各种不同的应用模式而定，用来满足较大的场合例如公司办公室。 数据传输可靠： MAC 层选用的是 talk-when-ready 的碰撞避免机制。只要有数据传 送需求就会立刻被传送，而且每个数据包都必须在等到对方的反馈信息之后再次确认回复 信息。否则的话就默认前路径发生了碰撞，将选择二次传送。这不仅确保了信息传输的可 靠性，同时还给需要固定带宽的业务预留了足够的专门的空间时隙，简单有效地避免了多 个数据传送时带来的压力。 安全： Zigbee 技术在安

13、全方面很有保障，而且能够灵活的运用。它可以使数据得 到全面性的检验，而且有专用的加密算法，使网络安全方面的应用能够得到有效的保障。 工作频段灵活：工作阶段所用的频段有全球通用的，在理论上可以扩展为16个通信频道。但也有某些地区自定的适用频段，例如 868MHz （欧洲适用）及 915MHz （美 国适用），均为免执照频段。2.2 智能家居系统的组成与方案的选择从功能结构上来说，智能家居系统完全以居民体验为中心来打造，利用智能系统及家 庭设备向居民提供各项服务。简而论之，包括室内灯光的调控、室内外环境数据的监测、 室内音乐的控制、影院系统、家电智能操控、智能化购物、看护报警安防系统、远程抄表 及

14、其他学习娱乐需求等都属于这一范畴。智能家居的可贵之处就是能让人们随时随地检测 家中所发生的一切，操控家中的一切。2.2.1智能家居系统的结构基于Zigbee技术的智能家居控制系统可以有效利用Zigbee技术的以下特点: 传输数据量小，这就决定了它无需太大的传输速度；网络的容量大，这就为它能 够满足家庭中的各种家电设备提供了有效保障；信息的实时性特别好，时延非常短。 Zigbee的技术特点决定了其能很好地满足智能家居系统设计的各项需求，特别是塔具备 自组织、自愈能力，这样的无线通信技术是智能家居系统理想的通信方式。一般来说，一个完整的智能家居系统由内部网络、外部网络和家庭网关三个主要部分构 成。

15、如图3所示。外部列貉图3智能家居系统框架图内部网络即是家庭网络，它的主要存在价值是将家中的各项设备，例如门禁安防、家电设施、照明设备、窗帘、报警器等，连接到家庭网络当中来。一般的实现方式是通过Zigbee无 线组网技术。每个内部网络连接的设备都具备自主收集数据并自发发送数据给家庭网关的 功能；同时，还具备执行家庭网关发送来的各项指令命令的功能。外部网络外部网络通过 Internet 实现与家庭网关的连接。外部网络包含了医院、超市、水电煤 机构等社会机构，家庭网关从内部网络感知到的数据信息可以自发或者定时发送至社会机 构，必要时还可以向用户反馈各机构单位的信息，如健康报告、消费清单、抄表结算等；

16、 同时，外部网络还可以连接各远程终端，当用户不在家时，可以实现对网络内部各设备的 操作；此外，智能家居系统还能够实现与小区网络平台的互通，一方面用来及时接收小区 的电子公告、通知，另一方面，如果家中一旦发生紧急情况，在主人不在家的情况下可以 第一时间通过小区网络平台发送求救信号。家庭网关家庭网关是系统的核心控制部分，它的关键任务是负责内部网络和外部网络之间的数 据格式的转换，是内外部网络相互对话的重要转换单元。家庭网关依赖于家庭控制计算 机，二者互相支撑，并且配备双网卡。对外部网络，主要实现与 internert 的连接，从而 将内部发送的数据直接传送给 Internet 及其机构、终端和网络

17、平台；对内部网络，执行读 取数据的操作，同时，实现外部网络对内部各器件的指令命令操作。智能家居系统融合了 GSM/GPRS/CDMA 网络、互联网以及目前已经得到有效发展的智能小区信息网络，来有效地实现各项信息的互联互通。用户即使不在家中，也可以通 过电脑终端或者手机终端等设备有效地对家里的电器或者照明装置进行检测和控制；同 时，经过程序设定，可以使系统自发定时或非定时地向主人报告家中防盗、防火、防煤气 等警报情况。当然，主人可以通过命令的发送，随时随地地查看这些容易发生隐患的各种 情况。用户通过该系统可以直接与网络以及小区信息网络相连接，查阅小区最新发布的 各类信息，并配合相关信息发送指令，

18、如抄表或者照明控制等；必要时，如果一旦出现某 些紧急情况，还可以直接与小区警卫处等发送求救信号，保障家庭各项安全。系统主要由一个家庭网关通过双向控制，即能控制外部网络相连的用户或者各类机构，也能准确控制内部相连的各类设施和设设备。智能家居系统具体模型如图3-2所示:PC和手亂MX网疇平合T肖钊SM冋迥建咚谕敢缶咋讯务齐电邑网夭J7,儘乐图4智能家居的系统具体模型图222基于物联网的智能家居系统方案的选择（1 ）系统方案概述所讨论的智能家居系统以 Zigbee技术为基础，并以家电控制子系统为研究的典型, 通过Zigbee协议栈及通信模块，完成家电子系统的控制。并以此为开放性平台，在安 防、医疗、

19、抄表、购物等子系统的拓展提供了可靠依据。其重要子系统的功能论述如下： 家电控制：内部网络、家庭网关和外部网络的无缝连接，可以实现远程电脑终端或 手机终端对家庭中家电设备的启动、关闭、调节等操作。如空调、电视机、洗衣机等； 照明系统：可以自动控制灯光的开关以及明暗的调节； 窗帘控制; 防盗控制：包括智能门禁、安防报警、煤气和电路等危险情况报警等子模块。 检测系统：能够实现家庭的火灾、煤气状态的日常监控以及紧急情况发生时的智能报 警；警； 其他功能：例如智能搜索、智能购物、医疗跟踪、智能抄表、学习娱乐等。（ 2）系统的管理与控制系统软件的功能需求： 系统操作；数据库管理；辅助远程终端操作人员完成对

20、内部各项家电设备的监控和指令操作。系统软件的设计原则：智能家居系统软件的开发应当以软件工程化为基本原则，建议采用螺旋模型开发模 式，运用面向对象的分析和设计手段，目的是为了保证其可构造性和易维护性。根据软件生命周期学方法，将软件进行分阶段研究设计，坚持开展阶段性评估，便于完 善各阶段的文档，也易于阶段性的控制。软件的设计目标如下： 有效性，能够满足不同类型的用户对智能家居的不同需求以及不同的使用环境； 可靠性，经过设计，能够实现自检自查功能，即使出现错误操作，如用户名、 密码输入不匹配等异常情况，不会出现误操作； 可维护性，能够适应用户需求的随时变化，交付用户后仍然能够进行修改和优化； 可重用

21、性； 可适应性，采用主流的开发语言和操作系统，为系统的使用和维护提供了最大限度的便利； 易用性，操作界面简单直观，软件运行反应迅速； 安全性，能够支持用户权限设计和网络系统管理。系统软硬件接口关系：系统的硬件接口关系：内部网络、外部网络与家庭中心计算机之间的数据通信物理接 口通过载有双网卡家庭网关，采用双绞线传输介质相连。内部网络与各家电设备之间的数 据通信物理接口采用搭载 Zigbee 协议的无线方式相连；外部网络与各社会机构、小区网 络平台以及远程终端则直接通过 Internet 相连。系统的软件接口关系：软件设计中的网络通信接口具有重要意义，它直接关乎系统中 传递的数据的质量。目前，计算机普遍采用 windows 系统，常用的网络通信传输层协议 有 TCP 和 UDP 两种。本文设计的智能家居系统采用的是 TCP 协议。在以家庭网关为核心的家庭网络中，