網(wǎng)絡(luò)控制理論與技術(shù)作業(yè)

* 網(wǎng)絡(luò)控制理論與技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用專業(yè)：控制理論與控制工程學(xué)號： S1308110* 姓名： * 2013年11月物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用摘要: 近幾年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。本文介紹了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究背景、概念、特征和體系構(gòu)架。指出了物聯(lián)網(wǎng)研究中的核心技術(shù)，包括RFID技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN以及RFID與WSN的融合技術(shù)。并分析了物聯(lián)網(wǎng)研究過程中面臨的幾個主要技術(shù)問題，最后介紹了幾種物聯(lián)網(wǎng)在生活中的典型應(yīng)用。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；RFID1 物聯(lián)網(wǎng)的概念及內(nèi)涵早在1995年，比爾蓋茨在未來之路一書中就已經(jīng)提及物聯(lián)網(wǎng)概念。但是，“物聯(lián)網(wǎng)”概念的真正提出是在1999年，由EPCglobal的Auto-ID中心提出，被定義為：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。1998年，美國麻省理工大學(xué)（MIT）的Sarma、Brock、Siu創(chuàng)造性地提出將信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與RFID技術(shù)有機地結(jié)合，即利用全球統(tǒng)一的物品編碼（EPC ，Electronic Product Code）作為物品標(biāo)識，利用RFID 實現(xiàn)自動化的“物品”與Internet的聯(lián)接，無需借助特定系統(tǒng)，即可在任何時間、任何地點、實現(xiàn)對任何物品的識別與管理。 1999年，由美國統(tǒng)一代碼委員會（UCC）吉列和寶潔等組織和企業(yè)共同出資，在美國麻省理工大學(xué)成立Auto-ID Center，在隨后的幾年中，英國、澳大利亞、日本、瑞士、中國、韓國等國的6所著名大學(xué)相繼加入Auto-ID Center，對“物聯(lián)網(wǎng)”相關(guān)研究實行分工合作，開展系統(tǒng)化研究，提出最初物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架： （1）射頻標(biāo)簽 （2）識讀器 （3）Savant軟件 （4）對象名稱解析服務(wù)（ONS） （5）實體標(biāo)記語言服務(wù)器（PML-Server） 2003年11月1日，國際物品編碼組織（GS1）出資正式接管EPC系統(tǒng)，并組成EPC Global進行全球推廣與維護。與此同時，原6所大學(xué)的AUTO-ID實驗室轉(zhuǎn)到EPC Global下的技術(shù)組，作為EPC實驗室，繼續(xù)對EPC系統(tǒng)的應(yīng)用提供技術(shù)支持，提出物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)： （1） EPC編碼 （2） EPC標(biāo)簽 （3） 讀寫器 （4） 中間件 （5） 對象名稱解析服務(wù)（ONS） （6） EPC信息服務(wù)（EPCIS） 2005年，國際電信聯(lián)盟（ITU）正式稱“物聯(lián)網(wǎng)”為“The Internet of things”，并發(fā)表了年終報告ITU互聯(lián)網(wǎng) 報告2005：物聯(lián)網(wǎng)。報告指出，無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網(wǎng)主動進行交換；并描繪出“物聯(lián)網(wǎng)”時代的圖景：當(dāng)司機出現(xiàn)操作失誤時汽車會自動報警；公文包會提醒主人忘帶了什么東西；衣服會“告訴”洗衣機對顏色和水溫的要求等等。 現(xiàn)在較為普遍的理解是，物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。通過裝置在各類物體上的電子標(biāo)簽（RFID）、傳感器、二維碼等經(jīng)過接口與無線網(wǎng)絡(luò)相連，從而給物體賦予智能，可以實現(xiàn)人與物體的溝通和對話，也可以實現(xiàn)物體與物體互相間的溝通和對話。2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀從國際上看，歐盟、美國、日本等國都十分重視物聯(lián)網(wǎng)的工作，并且已作了大量研究開發(fā)和應(yīng)用工作。它的核心是利用信息通信技術(shù)(ICT)來改變未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式和結(jié)構(gòu)(金融、制造、消費和服務(wù)等)，改變政府、企業(yè)和人們的交互方式以提高效率、靈活性和響應(yīng)速度。把ICT技術(shù)充分用到各行各業(yè)，把感應(yīng)器嵌入到全球每個角落，例如電網(wǎng)、交通(鐵路、公路、市內(nèi)交通)等相關(guān)的物體上。并利用網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備收集的大量數(shù)據(jù)通過云計算、數(shù)據(jù)倉庫和人工智能技術(shù)作出分析給出解決方案。把人類智慧賦予萬物，賦予地球。他們提出“智慧地球、物聯(lián)網(wǎng)和云計算”就是美國要作為新一輪IT技術(shù)革命的領(lǐng)頭羊的證明。在北京2009年11月全球物聯(lián)網(wǎng)會議上，他們介紹了歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動計劃(Internet of things -An action plan for Europe)其目的也是企圖在“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展上引領(lǐng)世界。在歐盟較為活躍的是各大運營商和設(shè)備制造商，他們推動了M2M(機器與機器)的技術(shù)和服務(wù)的發(fā)展。我國在“物聯(lián)網(wǎng)”的啟動和發(fā)展上與國際相比并不落后，我國中長期規(guī)劃新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)中有重點專項研究開發(fā)“傳感器及其網(wǎng)絡(luò)”，國內(nèi)不少城市和省份已大量采用傳感網(wǎng)解決電力、交通、公安、農(nóng)漁業(yè)中的“M2M”等信息通信技術(shù)的服務(wù)。作為國家層面成立了傳感器的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組。而中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會也啟動了基于互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)和基于電信網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研究課題的申報工作。中國的幾大電信運營商積極投入“物聯(lián)網(wǎng)”的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用的工作：物流信息化、公交視頻化、校訊通、農(nóng)村信息化、漁牧業(yè)監(jiān)控、水文水質(zhì)等。在溫總理關(guān)于“感知中國”的講話后我國“物聯(lián)網(wǎng)”的研究、開發(fā)和應(yīng)用工作進入了高潮，江蘇省無錫市一馬當(dāng)先率先提出建立“感知中國”研究中心，中國科學(xué)院、運營商、知名大學(xué)云集無錫共同協(xié)力發(fā)展我國的物聯(lián)網(wǎng)。3 物聯(lián)網(wǎng)原理物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的特征：（1）全面感知 利用RFID、傳感器、二維碼等能夠隨時隨地采集物體的動態(tài)信息。 （2）可靠傳輸 通過網(wǎng)絡(luò)將感知的各種信息進行實時傳送。 （3）智能處理 利用計算機技術(shù)，及時地對海量的數(shù)據(jù)進行信息控制，真正達(dá)到了人與物的溝通、物與物的溝通。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)：（1）應(yīng)用層 應(yīng)用層是構(gòu)建在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)之上的應(yīng)用系統(tǒng)，包括商業(yè)貿(mào)易、物流、農(nóng)業(yè)、軍事等等不同的應(yīng)用系統(tǒng)。 （2）網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層，即進行信息交換的通信網(wǎng)絡(luò)，包括有Internet、WIFI網(wǎng)以及無線通信網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)。 （3）信息采集層 數(shù)據(jù)采集指通過包括條碼、射頻識別、無線傳感器、藍(lán)牙等在內(nèi)的自動識別與近場通信技術(shù)獲取物品編碼信息的過程。 （4）編碼層 編碼層是物聯(lián)網(wǎng)的基石，是物聯(lián)網(wǎng)信息交換內(nèi)容的核心和關(guān)鍵字。 編碼是物品、設(shè)備、地點、屬性等的數(shù)字化名稱。 物聯(lián)網(wǎng)（IOT）結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1 物聯(lián)網(wǎng)結(jié)果示意圖物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)1.RFIDRFID（Radio Frequency Identification ）即射頻識別技術(shù)，俗稱電子標(biāo)簽，通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象，并對其信息進行標(biāo)志、登記、儲存和管理。 RFID系統(tǒng)由以下三部分組成：電子標(biāo)簽：由芯片和標(biāo)簽天線或線圈組成，通過電感耦合或電磁反射原理與讀寫器進行通信； 讀寫器：讀取(在讀寫卡中還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備 ； 天線：可以內(nèi)置在讀寫器中，也可以通過同軸電纜與讀寫器天線接口相連。 RFID系統(tǒng)工作原理： （1）讀寫器將要發(fā)送的信息，經(jīng)編碼后加載到高頻載波信號上再經(jīng)天線向外發(fā)送。 （2）進入讀寫器工作區(qū)域的電子標(biāo)簽接收此信號，卡內(nèi)芯片的有關(guān)電路對此信號進行倍壓整流、調(diào)制、解碼、解密，然后對命令請求、密碼、權(quán)限等進行判斷。 （3）若為讀命令，控制邏輯電路則從存儲器中讀取有關(guān)信息，經(jīng)加密、編碼、調(diào)制后通過片上天線再發(fā)送給閱讀器，閱讀器對接收到的信號進行解調(diào)、解碼、解密后送至信息系統(tǒng)進行處理。 （4）若為修改信息的寫命令，有關(guān)控制邏輯引起電子標(biāo)簽內(nèi)部電荷泵提升工作電壓，提供電壓擦寫E2PROM。若經(jīng)判斷其對應(yīng)密碼和權(quán)限不符，則返回出錯信息。 2.WSN傳感器 能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成 。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN） 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用。 WSN的特征:與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的差別 WSN是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目更為龐大（上千甚至上萬），節(jié)點分布更為密集； 由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點更容易出現(xiàn)故障； 環(huán)境干擾和節(jié)點故障容易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化； 通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點是固定不動的； 傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等十分有限； 傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計目標(biāo)是提高服務(wù)質(zhì)量和高效率帶寬利用，其次才考慮節(jié)約能源；而WSN的首要設(shè)計目標(biāo)是能源的高效使用，這也是WSN和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。 傳感器節(jié)點的限制 電源能量有限、通信能力有限、計算和存儲能力有限。 WSN的特點 大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)、可靠的網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)。 3. RFID和WSN融合 RFID側(cè)重于識別，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的標(biāo)識和管理，同時RFID系統(tǒng)具有讀寫距離有限、抗干擾性差、實現(xiàn)成本較高的不足；WSN側(cè)重于組網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，具有部署簡單，實現(xiàn)成本低廉等優(yōu)點，但一般WSN并不具有節(jié)點標(biāo)識功能。RFID與WSN的結(jié)合存在很大的契機。 RFID與WSN可以在兩個不同的層面進行融合：物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下RFID與WSN的融合，傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下RFID與WSN的融合。4 主要問題物聯(lián)網(wǎng)研究面臨五個主要技術(shù)問題：（1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題世界各國存在不同的標(biāo)準(zhǔn)。中國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會于2006年成立了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)項目組。2009年9月，傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組正式成立了PG1(國際標(biāo)準(zhǔn)化)、PG2(標(biāo)準(zhǔn)體系與系統(tǒng)架構(gòu))、PG3(通信與信息交互)、PG4(協(xié)同信息處理)、PG5(標(biāo)識)、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(電力行業(yè)應(yīng)用調(diào)研)等8個專項組，開展具體的國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。 （2）安全問題信息采集頻繁，其數(shù)據(jù)安全也必須重點考慮。（3）協(xié)議問題物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，在物聯(lián)網(wǎng)核心層面是基于TCP/IP，但在接入層面，協(xié)議類別五花八門，GPRS/CDMA、短信、傳感器、有線等多種通道，物聯(lián)網(wǎng)需要一個統(tǒng)一的協(xié)議棧。 （4）IP地址問題每個物品都需要在物聯(lián)網(wǎng)中被尋址，就需要一個地址。物聯(lián)網(wǎng)需要更多的IP地址，IPv4資源即將耗盡，那就需要IPv6來支撐。IPv4向IPv6過渡是一個漫長的過程，因此物聯(lián)網(wǎng)一旦使用IPv6地址，就必然會存在與IPv4的兼容性問題。（5）終端問題。物聯(lián)網(wǎng)終端除具有本身功能外還擁有傳感器和網(wǎng)絡(luò)接入等功能，且不同行業(yè)需求千差萬別，如何滿足終端產(chǎn)品的多樣化需求，對運營商來說是一大挑戰(zhàn)。5 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用1. 個人保健人身上可以安裝不同的傳感器，對人的體溫、血壓、心電圖和血氧等健康參數(shù)進行監(jiān)控，并且實時傳送到相關(guān)的醫(yī)療保健中心，如果有異常，保健中心通過手機，提醒您去醫(yī)院檢查身體。2. 平安城市建設(shè)利用部署在大街小巷的全球監(jiān)控探頭，實現(xiàn)圖像敏感性智能分析并與110、119、112等交互，實現(xiàn)探頭與探頭之間、探頭與人、探頭與報警系統(tǒng)之間的聯(lián)動，從而構(gòu)建和諧安全的城市生活環(huán)境。3. 未來數(shù)字家庭數(shù)字家庭是以計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，包括各類消費電子產(chǎn)品、通信產(chǎn)品、信息家電及智能家居等，通過不同的互連方式進行通信及數(shù)據(jù)交換,實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)中各類電子產(chǎn)品之間的“互聯(lián)互通”的一種服務(wù)。 數(shù)字家庭的四大功能：信息、通信、娛樂和生活。 4. 文物保護對珍貴的古老建筑進行保護，是文物保護單位長期以來的一個工作重點。將具有溫度、濕度、壓力、加速度、光照等傳感器的節(jié)點布放在重點保護對象當(dāng)中，無需拉線鉆孔，便可有效地對建筑物進行長期的監(jiān)測。此外，對于珍貴文物而言，在保存地點的墻角、天花板等位置，監(jiān)測環(huán)境的溫度、濕度是否超過安全值，可以更妥善地保護展覽品的品質(zhì)。5. 空間、海洋探索探索外部星球一直是人類夢寐以求的理想，借助于航天器布撒的傳感器節(jié)點實現(xiàn)對星球表面大范圍、長時期、近距離的監(jiān)測和探索，是一種經(jīng)濟可行的方案。NASA的JPL實驗室研制的Sensor Webs就是為將來的火星探測、選定著陸場地等需求進行技術(shù)準(zhǔn)備的?，F(xiàn)在該項目已