物联网基础知识培训V1.0

1、 物联网传感器 RFID 技术云计算 GPS 全球定位系统 GIS 地理信息系统 移动通信技术物联网物联网的概念是在 1999年提出的。当时基于互联网、 RFID 技术、 EPC 标准,在计算机 互联网的基础上, 利用射频识别技术、 无线数据通信技术等, 构造了一个实现全球物品信息 实时共享的实物互联网“ Internet of things”(简称物联网,这也是在 2003年掀起第 一轮华夏物联网热潮的基础。传感网是基于感知技术建立起来的网络。中科院早在 1999年就启动了传感网的研究, 并已取得了一些科研成果,建立了一些适用的传感网。1999年,在美国召开的移动计算和网络国际会议提出了,“

2、传感网是下一个世纪人类 面临的又一个发展机遇”。 2003年,美国技术评论提出传感网络技术将是未来改变人 们生活的十大技术之首。2005年 11月 17日, 在突尼斯举行的信息社会世界峰会 (WSIS 上, 国际电信联盟 (ITU 发布了 ITU 互联网报告 2005:物联网,引用了“物联网”的概念。报告指出,无所不在 的“物联网”通信时代即将来临,世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通 过因特网主动进行交换。射频识别技术(RFID 、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将 到更加广泛的应用。根据 ITU 的描述, 在物联网时代, 通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动 收发

3、器, 人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度, 从任何时间任何地点的人与人 之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。 物联网概念的兴起, 很大程度上得 益于国际电信联盟 (ITU2005年以物联网为标题的年度互联网报告。然而, ITU 的报告对物 联网缺乏一个清晰的定义。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。 因为物联网技术的发展几乎涉及到了信息技术的方方面面,

4、 是一种聚合性、 系统性的创 新应用与发展,也因此才被称为是信息技术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。2009年1月28日,奥巴马就任美国总统后,与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会 议” , 作为仅有的两名代表之一, IBM首席执行官彭明盛首次提出 “智慧地球” 这一概念, 建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。IBM希望“智慧的地球”策略能掀起

5、了“互联网”浪潮之后的又一次科技革命。 IBM 前 首席执行官郭士纳曾提出一个重要的观点,认为计算模式每隔 15年发生一次变革。这一判 断像摩尔定律一样准确,人们把它称为“十五年周期定律”。 1965年前后发生的变革以大 型机为标志, 1980年前后以个人计算机的普及为标志, 而 1995年前后则发生了互联网革命。 每一次这样的技术变革都引起企业间、 产业间甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化。 而互 联网革命一定程度上是由美国“信息高速公路”战略所催熟。 20世纪 90年代,美国克林顿 政府计划用 20年时间 , 耗资 2000亿 -4000亿美元 , 建设美国国家信息基础结构, 创造了巨大

6、的经济和社会效益。而今天, “智慧的地球”战略被不少美国人认为与当年的“信息高速公路”有许多相似 之处, 同样被他们认为是振兴经济、 确立竞争优势的关键战略。 该战略能否掀起如当年互联 网革命一样的科技和经济浪潮,不仅为美国关注,更为世界所关注。“物联网前景非常广阔,它将极大地改变我们目前的生活方式。” 南京航空航天大学国 家电工电子示范中心主任赵国安说。 业内专家表示, 物联网把我们的生活拟人化了, 万物成 了人的同类。在这个物物相联的世界中,物品(商品能够彼此进行“交流”,而无需人的 干预。物联网利用射频自动识别(RFID技术,通过计算机互联网实现物品(商品的 自动识别和信息的互联与共享。

7、 可以说, 物联网描绘的是充满智能化的世界。 在物联网的世 界里,物物相连、天罗地网。有研究机构预计 10年内物联网就可能大规模普及,这一技术将会发展成为一个上万亿 元规模的高科技市场,其产业要比互联网大 30倍。据悉, 物联网产业链可以细分为标识、感知、 处理和信息传送四个环节,每个环节的关 键技术分别为 RFID 、 传感器、智能芯片和电信运营商的无线传输网络。 EPOSS 在 Internet of Things in 2020 报告中分析预测, 未来物联网的发展将经历四个阶段, 2010年之前 RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域, 20102015年物体互联, 20152020年

8、物体进入半智 能化, 2020年之后物体进入全智能化。传感器一、传感器的定义:国家标准 GB7665-87对传感器下的定义是:“能感受规定的被测量并按照一定的规律转 换成可用信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置, 能感受到被测量的信息, 并能将检测感受到的信息, 按一定规律变换成为电信号或其他所需 形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自 动检测和自动控制的首要环节。二、传感器的分类目前对传感器尚无一个统一的分类方法,但比较常用的有如下三种:1、按传感器的物理量分类,可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器2、

9、按传感器工作原理分类,可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅、热 电偶等传感器。3、按传感器输出信号的性质分类,可分为:输出为开关量(“1”和 " 0”或“开” 和“关”的开关型传感器;输出为模拟型传感器;输出为脉冲或代码的数字型传感器。关于传感器的分类:1.按被测物理量分:如:力,压力,位移,温度,角度传感器等;2.按照传感器的工作原理分:如:应变式传感器、压电式传感器、压阻式传感器、电感 式传感器、电容式传感器、光电式传感器等;3.按照传感器转换能量的方式分:(1能量转换型:如:压电式、热电偶、光电式传感器等;(2能量控制型:如:电阻式、电感式、霍尔式等传感器以及热敏电阻

10、、光敏电阻、 湿敏电阻等;4.按照传感器工作机理分:(1结构型:如:电感式、电容式传感器等;(2物性型:如:压电式、光电式、各种半导体式传感器等;5.按照传感器输出信号的形式分:(1模拟式:传感器输出为模拟电压量;(2数字式:传感器输出为数字量,如:编码器式传感器。三、传感器的静态特性传感器的静态特性是指对静态的输入信号, 传感器的输出量与输入量之间所具有相互关 系。 因为这时输入量和输出量都和时间无关, 所以它们之间的关系, 即传感器的静态特性可 用一个不含时间变量的代数方程, 或以输入量作横坐标, 把与其对应的输出量作纵坐标而画 出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有:线性度、

11、灵敏度、 分辨力和迟滞 等。四、传感器的动态特性所谓动态特性, 是指传感器在输入变化时,它的输出的特性。 在实际工作中, 传感器的 动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。 这是因为传感器对标准输入信号的响应 容易用实验方法求得, 并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一 定的关系, 往往知道了前者就能推定后者。 最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两 种,所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。五、传感器的线性度通常情况下, 传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。 在实际工作中, 为使仪表 具有均匀刻度的读数, 常用一条拟合直线近似地代表实际的特

12、性曲线、 线性度 (非线性误差 就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。 如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线; 或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线, 此拟合直线称为最小 二乘法拟合直线。六、传感器的灵敏度灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化 y 对输入量变化 x 的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。 如果传感器的输出和输入之间显线性关系, 则灵敏度 S 是一个常数。否则,它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如,某位移传感器,在位移变化 1mm 时, 输出电压变化为 200mV ,则其灵敏度应表示为

13、 200mV/mm。当传感器的输出、输入量的量纲相同时,灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度,可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高,测量范围愈窄, 稳定性也往往愈 差。七、传感器的分辨力分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。 也就是说, 如果输入量从某 一非零值缓慢地变化。 当输入变化值未超过某一数值时, 传感器的输出不会发生变化, 即传 感器对此输入量的变化是分辨不出来的。 只有当输入量的变化超过分辨力时, 其输出才会发 生变化。通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同, 因此常用满量程中能使输出量产生 阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。 上述指标若用满量程的

14、百分比表 示,则称为分辨率。八、电阻式传感器电阻式传感器是将被测量,如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换 式成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电 阻式传感器件。九、电阻应变式传感器传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应, 即在外力作用下产生机械形变, 从而使电 阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类,金属应变片有金属丝式、 箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高(通常是丝式、箔式的几十倍、横向效应 小等优点。十、压阻式传感器压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成 的器件。 其基片

15、可直接作为测量传感元件, 扩散电阻在基片内接成电桥形式。 当基片受到外 力作用而产生形变时,各电阻值将发生变化,电桥就会产生相应的不平衡输出。用作压阻式传感器的基片(或称膜片材料主要为硅片和锗片,硅片为敏感 材料而制 成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视, 尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应 用最为普遍。十一、热电阻传感器热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关 的参数。 在温度检测精度要求比较高的场合, 这种传感器比较适用。 目前较为广泛的热电阻 材料为铂、铜、镍等,它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加 工容易等特点。用于测量

16、 -200+500范围内的温度。十二、传感器的迟滞特性迟滞特性表征传感器在正向(输入量增大和反向(输入量减小行程间输出 -一输入 特性曲线不一致的程度,通常用这两条曲线之间的最大差值 MAX 与满量程输出 F·S的百 分比表示。迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成十三、传感器常用术语1. 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 通常有敏感元 件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接(或响应被测量的部分。转换元件指传感器中能较敏感元件感受(或响应的北侧量转换成是与传输和(或 测量的电信号部分。当输出为规定的标准信号时,则称为变送器。2. 测量范围:在

17、允许误差限内被测量值的范围。3.量程:测量范围上限值和下限值的代数差。4.精确度:被测量的测量结果与真值间的一致程度。5.重复性:在所有下述条件下, 对同一被测的量进行多次连续测量所得结果之间的符合 程度:相同测量方法:相同观测者:相同测量仪器:相同地点:相同使用条件:在短时期内 的重复。6.分辨力:传感器在规定测量范围圆可能检测出的被测量的最小变化量。7.阈值:能使传感器输出端产生可测变化量的被测量的最小变化量。8.零位:使输出的绝对值为最小的状态,例如平衡状态。9.激励:为使传感器正常工作而施加的外部能量(电压或电流。10.最大激励:在市内条件下,能够施加到传感器上的激励电压或电流的最大值

18、。 11.输入阻抗 :在输出端短路时,传感器输入的端测得的阻抗。12.输出 :有传感器产生的与外加被测量成函数关系的电量。13.输出阻抗 :在输入端短路时,传感器输出端测得的阻抗。14.零点输出 :在市内条件下,所加被测量为零时传感器的输出。15.滞后 :在规定的范围内,当被测量值增加和减少时,输出中出现的最大差值。16.迟后 :输出信号变化相对于输入信号变化的时间延迟。17.漂移 :在一定的时间间隔内,传感器输出终于被测量无关的不需要的变化量。18.零点漂移 :在规定的时间间隔及室内条件下零点输出时的变化。19.灵敏度 :传感器输出量的增量与相应的输入量增量之比。20.灵敏度漂移 :由于灵敏

19、度的变化而引起的校准曲线斜率的变化。21.热灵敏度漂移 :由于灵敏度的变化而引起的灵敏度漂移。22.热零点漂移 :由于周围温度变化而引起的零点漂移。23.线性度 :校准曲线与某一规定曲线的一致的程度。24.非线性度 :校准曲线与某一规定直线偏离的程度。25.长期稳定性:传感器在规定的时间内仍能保持不超过允许误差的能力。26.固有凭率:在无阻力时,传感器的自由(不加外力振荡凭率。27.响应:输出时被测量变化的特性。28.补偿温度范围:使传感器保持量程和规定极限内的零平衡所补偿的温度范围。 29.蠕变:当被测量机器多有环境条件保持恒定时,在规定时间内输出量的变化。30.绝缘电阻:如无其他规定,指在

20、室温条件下施加规定的直流电压时,从传感器规定 绝缘部分之间测得的电阻值。无线射频识别技术 RFID无线射频译自英文 Radio Frequency Identification,简称为 RFID ,是 20世纪 90年 代兴起的一种非接触式的自动识别技术。 射频技术 (RFID 相对于传统的磁卡及 IC 卡技术 具有非接触、阅读速度快、无磨损等特点。无线射频技术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

21、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。无线射频技术系统的基本工作流程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。无线射频技术 -射频卡的标准及分类目前生产射频技术 RFID 产品

22、的很多公司都采用自己的标准, 国际上还没有统一的标准。 目前, 可供射频卡使用的几种射频技术标准有 ISO10536、 ISO14443、 ISO15693和 ISO18OOO 。应用最多的是 ISO14443和 ISO15693,这两个标准都由物理特性、射频功率和信号接口、初 始化和反碰撞以及传输协议四部分组成。按照不同得方式,射频技术射频卡有以下几种分类:1. 按供电方式分为有源卡和无源卡。 有源是指卡内有电池提供电源, 其作用距离较远, 但寿命有限、体积较大、成本高,且不适合在恶劣环境下工作;无源卡内无电池,它利用波 束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电, 其作用距离

23、相对有源卡短, 但寿命长且对工作环境要求不高。2. 按载波频率分为低频射频卡、 中频射频卡和高频射频卡。 低频射频卡主要有 125kHz 和 134.2kHz 两种,中频射频卡频率主要为 13.56MHz ,高频射频卡主要为 433MHz 、 915MHz 、 2.45GHz 、 5.8GHz 等。低频系统主要用于短距离、低成本的应用中,如多数的门禁控制、校 园卡、 动物监管、货物跟踪等。 中频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统; 高频 系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合, 其天线波束方向较窄且价格较高, 在 火车监控、高速公路收费等系统中应用。3. 按调制方式的不同可分为

24、主动式和被动式。 主动式射频卡用自身的射频能量主动地 发送数据给读写器; 被动式射频卡使用调制散射方式发射数据, 它必须利用读写器的载波来 调制自己的信号, 该类技术适合用在门禁或交通应用中, 因为读写器可以确保只激活一定范 围之内的射频卡。 在有障碍物的情况下, 用调制散射方式, 读写器的能量必须来去穿过障碍 物两次。 而主动方式的射频卡发射的信号仅穿过障碍物一次, 因此主动方式工作的射频卡主 要用于有障碍物的应用中,距离更远 (可达 30米 。4. 按作用距离可分为密耦合卡 (作用距离小于 1厘米 、 近耦合卡 (作用距离小于 15厘 米 、疏耦合卡 (作用距离约 1米 和远距离卡 (作用

25、距离从 1米到 10米,甚至更远 。5. 按芯片分为只读卡、读写卡和 CPU 卡。云计算起源探析云计算是英文 Cloud Computing的翻译,中文 2008年初才出现。 Cloud Computing这 个单词在 2006年的英文中并不存在。 2006年前后, Cloud Computing这个单词开始偶尔出 1 引言现。 2007年末, Cloud Computing 出现的频率迅速增加。 2008年初, Cloud Computing在中 文中开始被翻译为“云计算”。云计算跟很多概念有过关系, 比如效用计算、 网格计算等。 但这都不是云计算这个概念 起源的地方。云计算与网络计算机(N

26、etPC 也没有明显的起源关系。网络计算机是一个尘 封近十年的概念,它与云计算既没有间接的推动关系,也没有直接的起源关系。云计算这个概念的直接起源来自 Dell 的数据中心解决方案、亚马逊 EC2产品和Google-IBM 分布式计算项目。为什么要采用这个单词,很大程度上与这两个项目与网络的 关系十分密切, 而“云”在很多示意图里是表示互联网的, 云计算的原始含义即将计算能力 放在互联网上。 当然,云计算发展至今, 早已超越了其原始的概念。亚马逊 EC2产品起始于 2006年, 是现在公认最早的云计算产品, 但那时他们被命名为 “ Elastic Computing Cloud” , 即弹性计

27、算云,只有个别报道无心或者是某种失误称之为“ Cloud Computing”。最早从企 业层次提出 Cloud Computing的,则是 Dell 。在亚马逊 EC2产品和 Google-IBM 分布式计算项目之前,也就是 Dell 在 2007年 6月初 发布的第 1季度财报里面提到 “在产品与服务方面, 戴尔都将不断采纳新的标准化技术、 降 低客户部署解决方案、 维护安全稳定的系统架构的复杂度和成本。 为此, 戴尔最近采取了一 系列措施, 比如组建新的戴尔数据中心解决方案部门 (Dell Data Center Solution Division , 提供戴尔的云计算(Cloud Co

28、mputing服务和设计模型,使客户能够根据他们的实际需求 优化 IT 系统架构” 。 但是这些早期的其它组织对云计算概念本身的影响, 远不如 IBM-Google 并行计算项目和亚马逊 EC2产品。2 云计算源头 IBM-Google 并行计算项目2007年 10月初, Google 和 IBM 联合与 6所大学签署协议, 提供在大型分布式计算系统 上开发软件的课程和支持服务, 帮助学生和研究人员获得开发网络级应用软件的经验。 这个 项目的主要内容是传授 MapReduce 算法和 Hadoop 文件系统。 两家公司将各自出资 20002500万美元,为从事计算机科学研究的教授和学生提供所需

29、的电脑软硬件和相关服务。 IBM 负责 系统和技术团队的高级副总裁 Willian M.Zeilter表示:“对我来说,这种感觉就像 2000年面对 Linux 。”目前,该公司已经部署了 200多名研发人员在这项业务的研究上。IBM的女发言人科林·海克斯称,这种相对新的并行计算(有时也称云计算形式还未 在大学中流行, 虽然这种技术已经在行业里得到应用, 但大学里还未教授该课程。 两家公司称,他们将向这些大学提供软件、硬件和服务。去年底华盛顿大学签署了该计划, 今年包括 MIT ,马里兰大学和斯坦福大学等 5所高校也加入该计划。两家公司希望今后其他大学也能 加入进来。IBM和谷歌先期

30、将提供 400台左右的计算机,并计划最终在多个地点总共装备 4000台 计算机。 这些计算机与 6所美国大学相连, 其中位于西雅图的华盛顿大学将作为牵头大学承 担起部分编程技术的研发工作。参与这项计划的其他 5所大学是 Carnegie Mellon University ,麻省理工学院, Stanford University,美国加州大学伯克利分校和马里兰大 学。在总部位于美国马萨诸塞州剑桥的 Forrester Research供职的分析师阿德利安称, “云 计算” 编程技术将成为基准的下一代计算机编程结构, 而 IBM 想捷足先登以抢占制高点。 他 指出,目前有很多学生都在使用谷歌开发

31、的网路应用程序,并称, IBM 正想藉此利用谷歌的 网络优势。上文中 “这种相对新的并行计算 (有时也称云计算 ”明确将云计算做为一个新概念提 出,此时云计算只是一个昵称的地位,因为当时称“这种相对新的并行计算”有时也称“云 计算”。此后由于 IBM 和 Google 公司在信息科技领域的影响力,越来越多的媒体、公司、 技术人员开始追逐云计算,甚至将很多 IT 创新都放入云计算概念中。3 云计算源头 亚马逊 EC2产品相对来说 EC2产品的发布比 IBM-Google 并行计算项目要早,虽然是云计算市场的重量 级产品之一, 但在 2006和 2007年由于亚马逊公司本身的影响力有限, 亚马逊

32、EC2产品对云 计算概念的普及不如 IBM-Google 并行计算项目明显,但这并不妨碍 EC2产品作为云计算先 行者的地位。 虽然在云计算概念发展的早期, 亚马逊对概念的普及贡献甚少, 但随着云计算 的发展,亚马逊在云计算领域的实力和名声一开始就凌驾在 IBM 和 Google 之上。亚马逊公司 2006年 8月发布 EC2产品的 Beta 版, 在此之前已经发布了另一个重要的产 品 S3。 EC2是 Elastic Compute Cloud的缩写。 S3是 Simple Storage Service的缩写。而 发布 EC2的时候没有叫 Simple Compute Service一类的

33、名称, 而是将 Cloud 放入产品名称, 即是认可 Cloud 可以作为替代 Service 的概念。 当然, 称作 Elastic Compute Cloud Computing显然是不合适的。当初对 EC2产品发布的报道,其中有一篇将标题定为“ Amazon Cloud Computing goes Beta”,其他多数描述为 Utility , Elastic , Virtualized 。2007年 10月后,随着 IBM-Google 并行计算项目和 IBM , Google 分别将自己的一些项 目定为云计算, 云计算开始迅速普及 (仅限于 IT 范围内。此时 IBM-Google

34、 并行计算项目 还处于研究和科研用途, 客户却发现 EC2已是一个相当商业化的云计算产品了。 由于亚马逊 的 AWS 系列产品包括了很多云计算服务, 也由此奠定了亚马逊作为云计算市场领军人物的地 位。4、三个角度看云计算与网格计算对于 IT 界很多资深工程师而言,网格计算 (Grid Computing是一个耳熟能详的概念, 它是把一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分, 然后把这些部分分 配给许多个计算设备来进行处理,最后把这些计算结果综合起来得到最终结果的计算模式。在本世纪初, 网格计算和现在的云计算一样是一个非常火热的概念, 但是由于网格计算 在商业模式, 技术和安全性

35、这三方面的不足, 使得其并没有在工程界和商业界取得预期的成 功,但在学术界,还是有一定的应用,比如,用于寻找外星人的“ SETI ”计划等。在 2007年底云计算这个概念刚诞生的时候,由于其在概念上和网格计算比较类似,也 希望能让 IT 资源像水电这类公用事业那样按需使用和随需应变,所以有部分业界的从业者 认为云计算相对网格计算而言只是“新瓶装旧酒”而已,对于这点,我不是很认同,接下来 我从下面几个方面来分析两者之间的区别。概念方面 :在概念上,两者的各有侧重,网格计算主要强调的将一个巨大的问题分成许 多个子问题, 并通过许多个子节点分别对这些子问题进行计算, 而云计算则强调通过后端的 大型云

36、计算中心来同时为多个用户服务。领域和需求方面 :网格计算这个概念是诞生在学术界,主要是为了解决处理大型的计算 难题, 比如, 寻找并发现对抗艾滋病毒更为有效的药物或查找那个地方会存有石油等。 而云 计算则诞生在工程界, 也就是 Google 的数据中心, 主要是为了满足用户海量的搜索请求等。 大家都应该知道, 不同的领域和需求会引发出不同的产品, 对于 IT 模式而言, 也同样如此。架构方面 :在架构方面,网格计算和云计算都可分为后端和前端这两部分,但在网格计 算中计算工作主要由前端来完成, 后端主要用于调度任务, 而在云计算中计算工作则主要由 后端的大型云计算中心完成, 其前端是用来接受后端

37、的计算成果并显示, 还有, 在网格计算 中参与计算的设备经常是异构的,比如,运行 Windows 的笔记本和运行 Unix 的小型机等,而在云计算中参与计算的设备往往是同构的, 比如运行 Linux 的 X86服务器, 这样的做法不 仅能简化管理,而且能提升运行效率。虽然这两种模式之间有一定的区别, 但是不可否认, 云计算的诞生是离不开网格计算之 前的试水。全球卫星定位系统名词简介:全球卫星定位系统 (Globle Positioning System 是一种结合卫星及通讯发展的技术 , 利用导航卫星进行测时和测距。 全球卫星定位系统 (简称 GPS 是美国从本世纪 70 年代开始 研制 ,

38、历时 20 余年 , 耗资 200 亿美元 , 于 1994 年全面建成。具有海陆空全方位实时三维导 航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过近十年我国测绘等部门的使用表明 , 全球 卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点 , 成功地应用于大地测量、工程测 量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动力 学等多种学科 , 取得了好的经济效益和社会效益。组成部分GPS全球卫星定位系统由三部分组成 :空间部分 GPS 星座 (GPS星座是由 24颗卫星组成 的星座,其中 21颗是工作卫星, 3颗是备份卫星 ; 地面控制部分 地面监控系统 ; 用户设

39、 备部分 GPS 信号接收机。1. 空间部分GPS的空间部分是由 24 颗工作卫星组成 , 它位于距地表 20 200km的上空 , 均匀分布在 6 个轨道面上 (每个轨道面 4 颗 ,轨道倾角为 55°。 此外 , 还有 4 颗有源备份卫星在轨运行。 卫星的分布使得在全球任何地方、 任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星 , 并能保持良好定位 解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 GPS 卫星产生两组电码 , 一组称为 C/ A 码 ( Coarse/ Acquisition Code11023MHz ;一组称为 P 码 (Procise Code 10123M

40、Hz ,P 码因频率较高 , 不易受干扰 , 定位精度高 , 因此受美国军方管制 , 并设有密码 , 一般民间无法解读 , 主要为美国军方服务。 C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后 , 主要开 放给民间使用。2. 地面控制部分地面控制部分由一个主控站 ,5 个全球监测站和 3 个地面控制站组成。 监测站均配装有 精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据 , 包括 电离层和气象数据 , 经过初步处理后 , 传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据 , 计算 出卫星的轨道和时钟参数 , 然后将结果送到 3 个地面控制站。 地面控制站在每颗卫星运行至 上空时

41、 , 把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗 GPS 卫星每天一次 , 并 在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障 , 那么在卫星中预 存的导航信息还可用一段时间 , 但导航精度会逐渐降低。对于导航定位来说, GPS 卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历 描述 卫星运动及其轨道的 的参数算得的。每颗 GPS 卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供 的。卫星上的各种设备是否正常 工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都要由地面 设备进行监测和控制。 地面监控系统 另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准 GPS 时间系统。 这就需要地面站监

42、测 各颗卫星的时间, 求出钟差。 然后由地面注入站发给卫星, 卫星再由导航电文发给用户设备。 GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注 入站和五个监测站。3. 用户设备部分用户设备部分即 GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择 的待测卫星 , 并跟踪这些卫星的运行。 当接收机捕获到跟踪的卫星信号后 , 即可测量出接收天 线至卫星的伪距离和距离的变化率 , 解调出卫星轨道参数等数据。 根据这些数据 , 接收机中的 微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算 , 计算出用户所在地理位置的经纬度、 高度、 速度、 时间等信息。 接收机硬件和机内软件以及 GPS 数

43、据的后处理软件包构成完整的 GPS 用 户设备。 GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。 接收机一般采用机内和机外两 种直流电源。 设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。 在用机外电源时机内 电池自动充电。 关机后 , 机内电池为 RAM 存储器供电 , 以防止数据丢失。 目前各种类型的接受 机体积越来越小 , 重量越来越轻 , 便于野外观测使用。GPS卫星在测试架上的 GPS 卫星 GPS 卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的,卫星重 774kg , 使用寿命为 7年。卫星采用蜂窝结构,主体呈柱形,直径为 1.5m 。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板 (BL

44、OCK I,全长 5.33m 接受日光面积为 7.2m2。对日定向系统控 制两翼电池帆板旋转,使板面始终对准太阳,为卫星不断提供电力,并给三组 15Ah 镉镍电 池充电,以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有 12个单元的多波束定向 天线,能发射张角大约为 30度的两个 L 波段(19cm 和 24cm 波的信号。在星体的两端面 上装有全向遥测遥控天线, 用于与地面监控网的通信。 此外卫星还装有姿态控制系统和轨道 控制系统,以便使卫星保持在适当的高度和角度,准确对准卫星的可见地面。由 GPS 系统的工作原理可知, 星载时钟的精确度越高, 其定位精度也越高。 早期试验型 卫星采用由霍

45、普金斯大学研制的石英振荡器, 相对频率稳定度为 10 ? 11/天。 误差为 14米。 1974年以后, gps 卫星采用铷原子钟, 相对频率稳定度达到 10 ? 12/天, 误差 8m 。 1977年, BOKCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率达到 10 ? 13/天 , 误差则降为 2.9m 。 1981年,休斯公司研制的相对稳定频率为 10 ? 14/天的氢原子钟使 BLOCK IIR型卫星误差仅为 1m 。原理介绍 :当苏联发射了第一颗人造卫星后,美国约翰·霍布斯金大学应用物理实验室 的研究人员提出既然可以已知观测站的位置知道卫星位置, 那么

46、如果已知卫星位置, 应该也 能测量出接收者的所在位置。这是导航卫星的基本设想。 GPS 导航系统的基本原理是测量出 已知位置的卫星到用户接收机之间的距离, 然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体 位置。 要达到这一目的, 卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。 而 用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到 (由 于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距(PR :当 GPS 卫星正常工作时,会不断地用 1和 0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码发射导航 电文。 GPS 系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的

47、C/A码和军用的 P(Y码。 C/A码频率 1.023MHz, 重复周期一毫秒, 码间距 1微秒, 相当于 300m ; P 码频率 10.23MHz , 重复周期 266.4天,码间距 0.1微秒,相当于 30m 。而 Y 码是在 P 码的基础上形成的,保密性能更佳。导航 电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从 卫星信号中 -A|zh-cn:解调制 ;zh-tw:解调变 -出来,以 50b/s-A|zh-cn:调制 ;zh-tw:调 变 -在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含 5个子帧每帧长 6s 。前三帧各 10个字码; 每三十秒重复一次, 每小

48、时更新一次。 后两帧共 15000b 。 导航电文中的内容主要有遥测码、 转换码、第 1、 2、 3数据块,其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时,提取 出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离, 再利用导航电文中的卫 星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置, 用户在 WGS-84-A|zh-cn:大地坐标系 ;zh-tw:大地坐标系 -中的位置速度等信息便可得知。 可见 GPS 导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。 然而, 由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步, 所以除了用户的三维 -A|zh-cn:坐标 ;zh-tw:坐标 -x、 y

49、、 z 外, 还要引进一个t 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数, 然后用 4个方程将这 4个未知数解出来。 所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到 4个卫星的信号。差分技术 :为了使民用的精确度提升,科学界发展另一种技术,称为差分全球定位系统(Differential GPS, 简称 DGPS 。亦即利用附近的已知参考坐标点 (由其它测量方法所得 ,来修正 GPS 的误差。 再把这个即时 (real time误差值加入本身坐标运算的考虑 , 便可获得更精确的值。GPS有 2D 导航和 3D 导航分,在卫星信号不够时无法提供 3D 导航服务,而且海拔高度精度明显不够,有时达到 10倍

50、误差。但是在经纬度方面经改进误差很小。卫星定位仪在高楼林立的地区扑捉卫星信号要花较长时间。全球四大卫星定位系统美国GPS:由美国国防部于 20世纪 70年代初开始设计、 研制, 于 1993年全部建成。1994年,美国宣布在 10年内向全世界免费提供GPS使用权,但美国只向外国提供低精度的卫星信号。据信该系统有美国设置的“后门”,一旦发生战争,美国可以关闭对某地区的信息服务。欧盟“伽利略”:1999年,欧洲提出计划,准备发射 30颗卫星,组成“伽利略”卫星定位系统。今年该计划正式启动。俄罗斯“格洛纳斯”:尚未部署完毕。始于上世纪 70年代,需要至少 18颗卫星才能确保覆盖俄罗斯全境;如要提供全

51、球定位服务,则需要 24颗卫星。中国“北斗”:2003年我国北斗一号建成并开通运行,不同于 GPS , “北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流。去年 5月 12日四川大地震发生后,北京武警指挥中心和四川武警部队运用 “北斗” 进行了上百次交流。 北斗二号系列卫星今年起将进入组网高峰期, 预计在 2015年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的系统。简单地来说, GIS 是以测绘测量为基础,以数据库作为数据储存和使用的数据源,以 地理信息系统 GIS计算机编程为平台的全球空间分析即时技术。这是 GIS 的本质,也是核心。物质世界中的任何事物都被牢牢地打上了时空的烙印。 人们的生产和生活中百分之八十以

52、上的信息和地理空间位置有关。地理信息系统( Geographic Information System, 简称GIS 作为获取、存储、分析和管理地理空间数据的重要工具、技术和学科,近年来得到了广泛关注和迅猛发展。由于信息技术的发展,数字时代的来临,理论上来说, GIS 可以运用于现阶段任何行业。 从技术和应用的角度, GIS 是解决空间问题的工具、方法和技术;从学科的角度, GIS 是在地理学、地图学、测量学和计算机科学等学科基础上发展起来的一门学科,具有独立的学科体系;从功能上, GIS 具有空间数据的获取、存储、显示、编辑、处理、分析、输出和应用等功能;从系统学的角度, GIS 具有一定结

53、构和功能,是一个完整的系统。简而言之, GIS 是一个基于数据库管理系统( DBMS 的分析和管理空间对象的信息系统,以地理空间数据为操作对象是地理信息系统与其它信息系统的根本区别。GIS即地理信息系统(Geographic Information System,经过了 40年的发展,到今天已经逐渐成为一门相当成熟的技术,并且得到了极广泛的应用。尤其是近些年, GIS 更以其强大的地理信息空间分析功能,在 GPS 及路径优化中发挥着越来越重要的作用。 GIS 地理信息系统是以地理空间数据库为基础, 在计算机软硬件的支持下, 运用系统工程和信息科学的理论, 科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数

54、据, 以提供管理、 决策等所需信息的技术系统。简单的说,地理信息系统就是综合处理和分析地理空间数据的一种技术系统。第三代移动通信技术(3rd-generation , 3G ,是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。 3G 服务能够同时传送声音及数据信息,速率一般在几百 kbps 以上。目前 3G 存在四种标准:通信技术一、 3GCDMA2000, WCDMA , TD-SCDMA , WiMAX 。3G 是第三代通信网络,目前国内支持国际电联确定三个无线接口标准,分别是中国电信的 CDMA2000,中国联通的 WCDMA ,中国移动的 TD-SCDMA , GSM 设备采用的是时分多址 ,而

55、 CDMA 使用码分扩频技术, 先进功率和话音激活至少可提供大于 3倍 GSM 网络容量,业界将 CDMA 技术作为 3G 的主流技术,国际电联确定三个无线接口标准,分别是美国CDMA2000,欧洲 WCDMA ,中国 TD-SCDMA 。原中国联通的 CDMA 现在卖给中国电信,中国电信已经将 CDMA 升级到 3G 网络, 3G 主要特征是可提供移动宽带多媒体业务。 W-CDMA也称为 WCDMA ,全称为 Wideband CDMA,也称为 CDMA Direct Spread,意为宽频分码多重存取, 这是基于 GSM 网发展出来的 3G 技术规范, 是欧洲提出的宽带 CDMA 技术,

56、它与日本提出的宽带 CDMA 技术基本相同,目前正在进一步融合。 W-CDMA 的支持者主要是以 GSM 系统为主的欧洲厂商,日本公司也或多或少参与其中,包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电,以及日本的 NTT 、富士通、夏普等厂商。 该标准提出了GSM(2G-GPRS-EDGE-WCDMA(3G的演进策略。这套系统能够架设在现有的 GSM 网络上,对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。 预计在 GSM 系统相当普及的亚洲, 对这套新技术的接受度会相当高。因此 W-CDMA 具有先天的市场优势。CDMA2000CDMA2000是由窄带 CDMA(CDMA IS95技术发展而来的宽带 CDMA 技术,也称为 CDMA