淺談物聯網技術

淺談物聯網技術孔維元2024/6/2512024/6/252淺談物聯網技術

一、

物聯網技術的產生背景二、物聯網技術的應用領域以及前景三、物聯網技術相關關鍵性技術四、電磁波頻率、功率、能量、傳輸距離五、RFID六、典型案例：ETC車載電子標簽識別系統七、典型案例：小米智能家居八、典型案例：共享單車2024/6/253物聯網技術產生的背景愛迪生改進燈泡批量生產后，必然同時制作了一個開關來控制它；能否遠程控制呢？那需要把線拉長對吧；后來出現了繼電器：我們上中學物理課都做過的實驗，小電流控制大電流回路上的開關，可以在很遠的距離人工遙控；電子計算機出現后，兩臺電腦直接通過數據線可以交換數據了；再后來，1969年美國建成了第一個互聯網，此時internet不=www（萬維網），僅僅是實驗室的一個成功項目；再后來……發(fā)展成為一個覆蓋五大洲150多個國家的開放型全球計算機網絡系統。我想說的是：我們一直在希望自己的控制能力更強，控制范圍更遠，從最開始控制眼前的電燈泡，到現在我們可以在北京控制武漢自家的凈化器開關，我們希望自己的控制能力強大，不但要控制電腦，還要控制飲水機，空調，汽車，生產線上的設備，還要隨時查看自己購買的快遞的物流信息，要隨時檢測自己的健康狀況，當家里的天然氣泄漏時，我們希望立刻在自己的終端設備上（手機，手表）得到報警信息，這一切的實現，都依賴物聯網這門技術，其實有些現在已經實現了。2024/6/254給物聯網概念給物聯網一個定義：物聯網(InternetofThings)是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。它具有普通對象設備化、自治終端互聯化和普適服務智能化3個重要特征。一句式理解物聯網：把所有物品通過信息傳感設備與互聯網連接起來，進行信息交換，即物物相息，以實現智能化識別和管理。通俗一點說：物聯網是物與物之間的聯網（物物相連）；互聯網是人與人之間的聯網（人人相連）物聯網技術，是電子、通信、計算機三大領域技術的融合，所以與其說物聯網是一種技術，不如說是一個時代（互聯網也是一個時代），它通過對相關技術進行整合，形成了一個時代的概念，是一個建立在技術基礎之上的時代。2024/6/255物聯網技術主要的應用領域以及前景2024/6/256智能倉儲：可以確保企業(yè)及時準確地掌握庫存的真實數據，合理保持和控制企業(yè)庫存；智慧物流:在物流的運輸、倉儲、包裝、裝卸搬運、流通加工、配送、信息服務等各個環(huán)節(jié)實現系統感知,全面分析，及時處理可以提高企業(yè)的利潤，節(jié)約成本；智能家庭：方方面面了解家庭情況，對家用電器進行遠程控制；智能醫(yī)療：通過傳感器與移動設備來對生物的生理狀態(tài)進行捕捉。如心跳頻率、體力消耗、葡萄糖攝取、血壓高低等生命指數。把它們記錄到電子健康文件里面。方便個人或醫(yī)生進行查閱，還能夠監(jiān)控人體的健康狀況；智能電力：以物理電網為基礎(中國的智能電網是以特高壓電網為骨干網架、各電壓等級電網協調發(fā)展的堅強電網為基礎)，將現代先進的傳感測量技術、通訊技術、信息技術、計算機技術和控制技術與物理電網高度集成而形成的新型電網。它以充分滿足用戶對電力的需求和優(yōu)化資源配置、確保電力供應的安全性、可靠性和經濟性、滿足環(huán)保約束、保證電能質量、適應電力市場化發(fā)展等為目的，實現對用戶可靠、經濟、清潔、互動的電力供應和增值服務。智能交通：以圖像識別技術為核心。綜合利用射頻技術、標簽等手段，對交通流量、駕駛違章、行駛路線、牌號信息、道路的占有率、駕駛速度等數據進行自動采集和實時傳送，相應的系統會對采集到的信息進行匯總分類，并利用識別能力與控制能力進行分析處理，對機動車牌號和其它高檔車進行識別、快速處置，為交通事件的檢測提供詳細數據。該系統的形成，會給智能交通領域帶來極大的方便。2024/6/257智能農業(yè)：地表溫度檢測、家禽的生活情形、農作物灌溉監(jiān)視情況、土壤酸堿度變化、降水量、空氣、風力、氮濃縮量、土壤的酸堿性和土地的濕度等，進行合理的科學估計，為農民在減災、抗災、科學種植等方面提供很大的幫助，完善農業(yè)綜合效益。智能工業(yè)：是將具有環(huán)境感知能力的各類終端、基于泛在技術的計算模式、移動通信等不斷融入到工業(yè)生產的各個環(huán)節(jié)，大幅提高制造效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，將傳統工業(yè)提升到智能化的新階段。智能安防：相比以往的人防方式，智能化安防技術的主要內涵是其相關內容和服務的信息化、圖象的傳輸和存儲、數據的存儲和處理等等。就智能化安防來說，一個完整的智能化安防系統主要包括門禁、報警和監(jiān)控三大部分。軍事應用：當今時代，各國戰(zhàn)爭趨于信息化，對于作戰(zhàn)要求以“看得通透、反應敏捷、打得精準”為目標，只有在信息攝取、傳遞和處理上占優(yōu)勢的一方才能獲得戰(zhàn)爭的主動權。物聯網憑借著自身的優(yōu)勢，可以在各種情形下獲得有效軍事信息，微傳感器節(jié)點在戰(zhàn)場中自動組網，攝取、傳遞戰(zhàn)場信息，為取得勝利提供必不可少的情報支持。2024/6/258物聯網中的關鍵技術三項關鍵技術：傳感器技術、RFID標簽、嵌入式系統技術1、傳感器技術：這也是計算機應用中的關鍵技術。大家都知道，到目前為止絕大部分計算機處理的都是數字信號。自從有計算機以來就需要傳感器把模擬信號轉換成數字信號計算機才能處理。2、RFID標簽：也是一種傳感器技術，RFID技術是融合了無線射頻技術和嵌入式技術為一體的綜合技術，RFID在自動識別、物品物流管理有著廣闊的應用前景。3、嵌入式系統技術：是綜合了計算機軟硬件、傳感器技術、集成電路技術、電子應用技術為一體的復雜技術。經過幾十年的演變，以嵌入式系統為特征的智能終端產品隨處可見；小到人們身邊的MP3,大到航天航空的衛(wèi)星系統。嵌入式系統正在改變著人們的生活，推動著工業(yè)生產以及國防工業(yè)的發(fā)展。如果把物聯網用人體做一個簡單比喻，傳感器相當于人的眼睛、鼻子、皮膚等感官，網絡就是神經系統用來傳遞信息，嵌入式系統則是人的大腦，在接收到信息后要進行分類處理。這個例子很形象的描述了傳感器、嵌入式系統在物聯網中的位置與作用。2024/6/259物聯網可分為3層2024/6/2510LOREMIPSUMDOLOR感知層：由各種傳感器網關和傳感器構成、包括有溫度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、二維碼標簽、濕度傳感器、攝像頭、RFID標簽和讀寫器、GPS等感知終端。感知層的作用就像人的視覺、觸覺、味覺、聽覺一樣，它是物聯網獲取識別物體、采集信息的來源，主要功能是識別物體、采集信息。網絡層：由互聯網、私有網絡、無線和有線通信網、網絡管理系統和云計算平臺等組成的，網絡層就相當于人的大腦和神經中樞，主要負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層：是物聯網和用戶（包括個人、組織或者其他系統）的接口，它與行業(yè)發(fā)展應用需求相結合，實現物聯網的智能化服務應用。2024/6/2511物聯網網絡種類據GSMA預測,到2020年全球互聯設備將會到達270億,其中100億為移動連接設備2024/6/2512電磁波頻率、功率、能量、傳輸距離與有線傳輸相比,無線傳輸具有許多優(yōu)點，或許最重要的是,它更靈活，物聯網無線連接的方式在未來的比重會越來越大，那么就細說一下無線傳輸方式2024/6/2513長波通信長波通信(3kHz～30kHz)。長波主要沿地球表面進行傳播（又稱地波），也可在地面與電離層之間形成的波導中傳播，傳播距離可達幾千公里甚至上萬公里。長波能穿透海水和土壤，因此多用于海上、水下、地下的通信與導航業(yè)務。中波通信中波通信(30kHz～3MHz)。中波在白天主要依靠地面?zhèn)鞑?，夜間可由電離層反射傳播。中波通信主要用于廣播和導航業(yè)務。短波通信短波通信（3MHz～30MHz）。短波主要靠電離層發(fā)射的天波傳播，可經電離層一次或幾次反射，傳播距離可達幾千公里甚至上萬公里。短波通信適用于應急、抗災通信和遠距離越洋通信。超短波通信超短波通信（30MHz～300MHz）。超短波對電離層的穿透力強，主要以直線視距方式傳播，比短波天波傳播方式穩(wěn)定性高，受季節(jié)和晝夜變化的影響小。由于頻帶較寬，超短波通信被廣泛應用于傳送電視、調頻廣播、雷達、導航、移動通信等業(yè)務。微波通信微波通信（300MHz～300GHz）。微波主要是以直線視距傳播，但受地形、地物以及雨雪霧影響大。其傳播性能穩(wěn)定，傳輸帶寬更寬，地面?zhèn)鞑ゾ嚯x一般在幾十公里。能穿透電離層，對空傳播可達數萬公里。微波通信主要用于干線或支線無線通信、移動通信和衛(wèi)星通信。2024/6/2514物聯網幾種通訊技術藍牙（Bluetooth）是一種近距離無線技術的標準，它可實現移動設備、固定設備和樓宇個人域網之間的短距離數據進行交換，藍牙在智慧醫(yī)療電子領域和智能家居領域和許多消費市場中已經變得非常重要，同時也是可穿戴產品的關鍵，特別是藍牙智能或藍牙低能耗（BLE）是物聯網應用中的重要協議。WIFI是一種允許電子產品連接到無線局域網（WLAN）的技術，WIFI通常使用2.4GUH射頻頻段。連接到局域網中通常有密碼保護也有開放性的，只要在WIFI信號覆蓋范圍之內的區(qū)域都可以搜索到WIFI信號，這樣就被允許在任何WLAN范圍內的設備可以連接上。目前WIFI在家庭、商場和企業(yè)中使用最常見的WIFI標準是802.11n，其提供了在數百兆比特每秒的嚴格吞吐量，這對文件傳輸是具有一定優(yōu)勢的，但對許多物聯網應用中WIFI是比較耗電的。Zigbee跟藍牙一樣具有大量的操作基礎和應用領域，Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，根據國際規(guī)定標準，Zigbee技術是一種低功耗、近距離的無線通信技術。原來（又稱紫蜂協議）來源于蜜蜂的八字舞，其優(yōu)點是低功耗、自組織、低復雜度、短距離、低數據速率。ZigBee有點類似于CDMA和GSM網絡，Zigbee數傳模塊類似于移動網絡基站，通訊距離采用組網的形式可以從標準的幾米到幾百米甚至幾公里遠、而且還可以支持無線擴展。2024/6/2515射頻其實就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱，又稱小無線?？梢暂椛涞娇臻g的電磁頻率，其頻率范圍從300KHZ`300GHZ之間，電流變化每秒小于1000次就是低頻電流，每秒變化大于10000次的就是高頻電流，而射頻就是電流變化每秒大于10000次的高頻電流。射頻系統是由標簽（Tag,即射頻卡）、天線和閱讀器三個部分組成。GPRS是通用分組無線服務技術的簡稱，同時它也是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業(yè)務，GPRS屬于第二代移動通信中的數據傳輸技術。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸的方式不一樣，它是以封包式的方式進行傳輸的，在使用中用戶所負擔的費用是以傳輸資料的單位進行計算的。并不是使用其整個頻道，GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps，GPRS具有充分利用現有的網絡、傳輸速率高、資費較合理、資源利用率高、始終在線等特點。2024/6/2516不同通信方式的功耗不一樣2024/6/25172024/6/2518RFIDradiofrequencyidentification

射頻識別，RFID（RadioFrequencyIdentification）技術，又稱無線射頻識別，是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID組成部分應答器：由天線，耦合元件及芯片組成，一般來說都是用標簽作為應答器，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。閱讀器：由天線，耦合元件，芯片組成，讀?。ㄓ袝r還可以寫入）標簽信息的設備，可設計為手持式rfid讀寫器或固定式讀寫器。應用軟件系統：是應用層軟件，主要是把收集的數據進一步處理，并為人們所使用。RFID技術的基本工作原理并不復雜：標簽進入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產品信息（無源標簽或被動標簽），或者由標簽主動發(fā)送某一頻率的信號（ActiveTag，有源標簽或主動標簽），解讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統進行有關數據處理。2024/6/2519RFID的優(yōu)勢RFID是一項易于操控，簡單實用且特別適合用于自動化控制的靈活性應用技術?？勺杂晒ぷ髟诟鞣N惡劣環(huán)境下：短距離射頻產品不怕油漬、灰塵污染等惡劣的環(huán)境，可以替代條碼，例如用在工廠的流水線上跟蹤物體；長距射頻產品多用于交通上，識別距離可達幾十米，如自動收費或識別車輛身份等。射頻識別系統主要有以下幾個方面系統優(yōu)勢：讀取方便快捷：數據的讀取無需光源，甚至可以透過外包裝來進行。有效識別距離更大，采用自帶電池的主動標簽時，有效識別距離可達到30米以上；識別速度快：標簽一進入磁場，解讀器就可以即時讀取其中的信息，而且能夠同時處理多個標簽，實現批量識別；數據容量大：數據容量最大的二維條形碼（PDF417），最多也只能存儲2725個數字；若包含字母，存儲量則會更少；RFID標簽則可以根據用戶的需要擴充到數10K；使用壽命長，應用范圍廣：其無線電通信方式，使其可以應用于粉塵、油污等高污染環(huán)境和放射性環(huán)境，而且其封閉式包裝使得其壽命大大超過印刷的條形碼；標簽數據可動態(tài)更改：利用編程器可以向標簽寫入數據，從而賦予RFID標簽交互式便攜數據文件的功能，而且寫入時間相比打印條形碼更少；更好的安全性：不僅可以嵌入或附著在不同形狀、類型的產品上，而且可以為標簽數據的讀寫設置密碼保護，從而具有更高的安全性；動態(tài)實時通信：標簽以與每秒50～100次的頻率與解讀器進行通信，所以只要RFID標簽所附著的物體出現在解讀器的有效識別范圍內，就可以對其位置進行動態(tài)的追蹤和監(jiān)控。2024/6/2520RFID技術不是條形碼：RFID在工作過程中，依賴射頻傳輸的是電磁信號，終端識別的是經射頻轉換到基帶的數字式電信號；傳統條形碼，傳輸過程主要依賴圖像相關的光學信號，終端則是通過光電轉換設備獲取數字式電信號。目前RFID典型的應用領域包括:(1)鐵路車號自動識別管理。(2)車輛道路交通自動收費管理。(3)旅客航空行包的自動識別、分揀、轉運管理。如:北美部分機場。(4)車輛出入控制。如:停車場、垃圾場、水泥場車輛出入、稱重管理等。(5)校園卡、飯卡、乘車卡、會員卡、駕照卡、健康卡(醫(yī)療卡)等國內、國外均有大應用。(6)生產線產品加工過程自動控制。主要應用在大型工廠的自動化流水作業(yè)線上。(7)動物識別(養(yǎng)牛、養(yǎng)羊、賽鴿等)。大型養(yǎng)殖廠、家庭牧場、賽鴿比賽。(8)物流、倉儲自動管理。大型物流、倉儲企業(yè)。(9)貯氣容器的自動識別管理。(10)汽車遙控門鎖、電子門鎖等。2024/6/2521RFID典型例子：ETC電子收費系統設備組成如下：車輛檢測器（抓拍線圈以及落桿線圈）、抓拍攝象機、費額顯示器/通行信號燈/聲光報警器、自動欄桿、字符疊加器、工業(yè)控制計算機（工控機）、車道控制器、電子標簽讀寫天線。ETC系統的運行過程是：在進入通訊范圍后；車輛讀寫天線與電子標簽和CPU卡進行通訊，來判斷車輛是否有效，如果無效的話就封閉車道并且報警，有效的話就進行交易，同時在車輛離開檢測點的時候，如果交易完成，系統控制欄桿抬升，通行信號燈變綠，費額顯示牌上顯示交易金額；車輛通過自動欄桿下的落桿線圈后，欄桿自動回落，通行信號燈變紅，系統等待下一輛車進入。2024/6/2522ETC電子收費系統2024/6/2523物聯網在智能家居應用的例子例如小米智能家居：終端（手機app或電腦）登錄相關帳號后可遠程控制家中連接路由器的智能設備，空調，飲水機，臺燈，電燈，插座，空氣凈化器等等，也可設置門禁的報警方式，可以遠程通過智能攝像頭查看家中的情況，也可通過攝像頭與家人直接對話。2024/6/2524物聯網應用典型例子共享單車解鎖以摩拜單車為例：每輛摩拜單車里面都有一個手機SIM卡，可以和基站通訊，當你手機掃碼的時候，手機會把車子編號發(fā)到服務器，服務器拿到車子編號，會直接給車子發(fā)送開鎖信號，開鎖后車子智能模塊再把信息傳給服務器，服務器把消息傳給手機，手機提示開鎖成功。摩拜單車還有另外一種開鎖方法：大家使用摩拜單車的時候，會提醒請打開藍牙提高開鎖成功率，這就是預防基站太遠信號太差的時候，云端服務器會將開鎖密碼發(fā)送給手機，手機通過藍牙近場通信與自行車連接。然后手機給自行車發(fā)送信號解鎖單車2024/6/2525當今物聯網兩大流派NB-IoTLoRaNB是運營商建網LoRa是企