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物联网概述


🍓物联网

物联网概述

2010年是中国物联网元年,在2010年提出了“感知中国”这个理念。

物联网 (Internet of Things)是通过装置在各类物体上的各种信息传感设备,如射频识别 (RFID )装置二维码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或无 线网络相连而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起 , 方便智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

物联网应该具备三个特征, 一是全面感知 , 二是可靠传递, 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的数据和信息进行分析和处理,对物体实施智能化的控制。

另外,实现物联网的无线通信网络现在己经覆盖了城乡,而云计算技术的运用也使得数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能。

物联网的本质感知与服务

互联网的本质:基于手机和PC的线上信息和内容推送和共享

物联网是一种建立在互联网上的泛在网络

物联网技术的重要基础和核心仍是互联网

物联网的体系结构

物联网系统更像是一个事件驱动的体系结构。

物联网是一个三层体系结构,顶层是由应用驱动形成的。物联网应用空间很大。底层是各种类型的传感设备,有RFID标签、ZigBee或者其他类型的传感器,以及GPS道路映射导航仪。传感设备借助RFID网络、传感器网络和GPS的本地或者全局网络实现互联。这些传感设备收集到的信号和信息通过中间云计算平台提交给应用。

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对于信号处理的云构建于移动网络、骨干互联网和各种信息网络之上,处在体系结构的中间层。在物联网中,感知事件的含义并不符合一种确定模型或语法模型,而是使用了SOA模型。大量的传感器和过滤器用于原始数据的收集,各种计算和存储云、网格用于处理数据,并把数据转化为信息和知识格式。感应获得的信息综合形成一个智能应用的决策系统。中间层也可以看作是语义网和语义网络。

射频标识(RFID)

RFID对带有电子标签或者RFID的物体进行检测和跟踪。标签可以应用在任意物体上,如商品、工具、智能电话、计算机、动物或者人,目的是通过射频波或者感知信号识别和跟踪物体。某些标签可以从数十或者数百米被无线读取器所读取。RFID标识至少包含两个主要部分:一是集成电路,用来存储和处理信息,调制和解调射频信号等;另一部分是接受和传输无线信号的天线。

RFID标签分类

  1. 主动RFID标签:带有电池来供电,并自动传输信号
  2. 被动RFID标签:不带电池,需要外部源来激发信号传输
  3. 电池辅助的被动RFID标签:需要外部源来唤醒电池,但具有更高的传输能力

根据所使用的无线电频率,被动RFID标签可分为低频、高频、超高频和微波几种类型

RFID硬件有三个主要组件

  • RFID标签:附着于小型天线的微型芯片。
  • 读取天线:用来发出信号并捕获从标签返回的信号,可以集成在手持读取设备,或者用线与读取器连接。
  • 读取器:和标签交互的设备,可能支持一个或者多个天线。借助电子条形码,读取器可以在没有视线的情况下检测到信号

RFID如何工作:

  • RFID标签分为主动、半主动和被动RFID标签。这些标签可以最大存储2KB的数据,由微芯片、天线及用于主动和半被动标签的电池组成。标签组件封装在塑料、硅片或者玻璃内。存储在微芯片上的数据等待被阅读,标签的天线接受来自RFID读取器天线的电子能量。标签借助其内部电池的电源或者从读取器电子域获得的电源,向读取器返回射频信号。读取器收集标签的射频信号,并把信号解析为有意义的数据。
  • 在RFID标签中有两种耦合机制:电耦合和电容耦合。

传感器网络和ZigBee技术

目前传感器网络大部分是无线的,也称为***无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)***。典型的WSN由空间上分布的自动传感器协同监测物理或者环境条件,如温度、声音、振动、压力、动作和污染物。无线传感器网络的发展最早是由军事应用驱动的,如战场监视等,但它目前已经应用到很多工业和民用应用领域,包括进度监测和控制、机器健康状态监测、环境和栖息地监测、卫生保健、家庭自动化,以及智能交通控制。

无线传感器网络

WSN是一组带有通信基础设施的特定变频器,旨在实现各个位置监测和记录条件。通常监测的参数有温度、湿度、压力、风向和风速、光照强度、振动强度、声音强度、电线电压、化学浓度、污染水平和身体功能等。传感器网络包含多个监测站点,称为传感器节点。物联网概述

传感器网络是自组织的。由于传感器网络包含大量节点,而且它们放置在恶劣位置,网络的自组织是至关重要的,手动配置在这种环境下是不现实的。

在传感器网络中,协同信号处理是必须的。为了提高检测/估计的性能,通常需要从多个传感节点融合数据,这就要求数据和控制消息的传输。对于区域内收集的信息,用户可能想要查询一个节点或一组节点。依赖于数据融合的体量,在网络之间传输大量的数据可能并不现实。为了解决这个问题,可以让一些汇聚节点从本地区域收集数据并创建消息摘要,而把查询请求转发给距离所关注区域较近的汇聚节点。

传感器网络以客户端/服务器(C/S)或者P2P模式来组织。

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ZigBee网络

ZigBee网络是一种高级通信协议,由IEEE 802.15.4标准描述。ZigBee设备体积较小,是低能耗和基于无线电的传感器节点。

例如在无线家庭网络中 ,ZigBee设备用在无线开关和受短距离无线电控制的家用电子设备中。ZigBee技术比蓝牙或者WiFi技术易用而且便宜。

ZigBee具有低数据传输率、长电池寿命和安全网络等特点。

低成本使得该技术可以广泛应用于无线控制和检测应用中,而低耗电特征使得小电池就可以达到长寿命。

全球定位系统(GPS)

***基于位置的服务(Location-Based Service,LBS)***帮助人们和机器定位物体的位置。传感器在航位推测中有一定的作用,但是该方法并不能满足地理定位的实际需求,因此就有了全球定位和导航系统的出现。

物联网技术架构(三层体系)

从技术架构上来看,物联网可分为三层: 感知层、网络层和应用层,如下图:

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感知层(数据采集子层,短距离通信技术,协同信息处理子层)

  • 由各种传感器以及传感器网关构成,包括温度传感器、 湿度传感器、 二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、 GPS 、二氧化碳浓度传感器等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢,它是物联网获识别物体采集信息的来源。
  • 识别系统

网络层

  • 由各种私有网络、互联网 、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成,相当于人的神经中枢和大脑,负责传递和处理感知层获取的信息。网络层也叫传输层,即通过现有的互联网络、广电网络、通信网络或未来的 NGN(下一代网络(Next Generation Network)) 网络,实现数据传输。
  • 传输系统

应用层

  • 是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口 ,它与行业需求结合, 实现 物联网的智能应用。应用层包括应用基础设施/中间件和各种物联网应用。
  • 应用基础设施/中间件为物联网应用提供信息处理、计算等通用基础服务设施、 能力及资源调用接口,以此为基础实现物联网在众多领域的各种应用。这些应用可以基于现有的手机、 PC 等终端进行。
  • 智能处理系统
  • 三网融合:互联网、广电网络、通信网络
  • 云计算、数据挖掘、通信网络

物联网技术架构(四层体系)

按其功能抽象,物联网还可以细分为四个层次:基础层(传感器集合〉、网络层(通信 网络〉、云平台层(也叫中间件层,即数据处理和管理层)以及应用开发层。

  • 基础层(传感和识别技术)
    • 是物联网感知物理世界获取信息和实现物体控制的首要环节。 传感器将物理世界中的物理量、化学量、生物量转化成可供处理的数字信号。 识别技术 实现对物联网中物体标识和位置信息的获取。因此, 基础层以研究新型传感器和传感系统为 核心,包括应用新的传感原理、使用新的材料以及采用新的结构设计等,以降低能耗、提高 敏感性、选择性、响应速度、动态范围、准确度、稳定性以及在恶劣环境条件下工作的能 力。传感网通过节点中内置的不同传感器,检出被测环境中的温度、湿度、噪声、光强度、 压力、土壤成分、移动物体的速度和方向等信息,并通过内置的数据处理及通信单元, 完成 相关处理与通信任务。传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化、网络化,正经历着一个从传统传感器到智能传感器到嵌入式 Web 传感器的不断发展过程。
  • 网络层
    • 主要实现物联网数据信息和控制信息的双向传递、路由和控制, 重点包括低速近 距离无线通信技术、低功耗路由、自组织通信、无线接入 M2M 通信增强、 IP承载技术、网络传送技术、异构网络融合接入技术以及认知无线电技术。
  • 云平台层
    • 完成海量信息智能处理,它综合运用高性能计算、人工智能、数据库和模糊计 算等技术,对收集的感知数据进行通用处理, 重点涉及海量数据存储、 并行计算、数据挖掘、平台服务、信息呈现等。
  • 应用层
    • 是同行业相关的各类应用。应用层采用面向服务的体系架构( Service-oriented Architecture , SOA),它是一种松耦合的软件组件技术,它将应用程序的不同功能模块化, 并通过标准化的接口和调用方式联系起来,实现快速可重用的系统开发和部署。 SOA 可提高物联网架构的扩展性,提升应用开发效率,充分整合和复用信息资源。

🍉物联网与互联网的不同之处

物联网和互联网有很多不同之处。首先,物联网是各种感知技术的广泛应用。 物联网上部署了海量的多种类型传感器,每个传感器都是一个信息源,不同类别的传感器所捕获的信 息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性,按一定的频率周期性地采集信息,不断更新数据。

其次,它是一种建立在互联网上的泛在网络。 物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网,通过各种有线和无线网络与互联网融合,将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输,由于其数量极其庞大,形成了海量信息,在传输过程中,为了保障数据的正确性和及时性,必须适应各种异构网络和协议

还有,物联网不仅提供了传感器的连接,其本身也具有智能处理的能力,能够对物体实施智能控制。 物联网将传感器和智能处理相结合,利用云计算、模式识别等各种智能技术, 扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据,以适应不同用户的不同需求。

物联网和互联网发展有一个最本质的不同点是两者发展的驱动力不同。互联网发展的驱动力是个人, 互联网改变了人与人之间的交流方式,极大地激发了以个人为核心的创造力。 而物联网概念下的服务平台的驱动力是来自政府和企业。物联网的实现首先需要改变的是企 业的生产管理模式、 物流管理模式、 产品追溯机制和整体工作效率。实现物联网的过程, 其 实是一个企业真正利用现代科学技术进行自我突破与创新的过程,这一阶段的主要工作是最大限度地把需要感知的事物连接到管理平台,实际上是一个采集终端规模推广的过程。

🍎物联网关键技术

(1)感知技术:底层感知信息技术
射频技术(RFID)、传感器技术、GPS定位技术、多媒体信息采集与处理技术、二维码技术

(2)传输技术:汇聚感知数据,实现数据传输
移动通信网、互联网、无线网络、卫星通信、短距离无线通信

(3)支撑技术:数据处理和利用的技术
嵌入式技术、云计算技术、分布式并行计算、网格计算、人工智能技术、数据库与数据挖掘技术、多媒体与虚拟现实技术