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1、嵌入式与物联网技术应用及发展 嵌入式教研室 王杰 1 目录 2 物联网 IOT 的起源 3 物联网 IOT 的定义 4 广义的物联网涵义 利用条码 射频识别 RFID 传感器 全球定位系统 激光扫描器等信息传感设备 按约定的协议 实现人与人 人与物 物与物的在任何时间 任何地点的连接 anything anytime anywhere 从而进行信息交换和通讯 以实现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的庞大网络系统 5 各国物联网战略或计划 6 物联网 IOT 提出的背景 7 十五年周期定律 IBM前首席执行官郭士纳提出一个重要的观点 计算模式每隔15年发生一次变革 每一次这样的技术变革都引起企
2、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 8 物联网 IOT 的特征 全面感知 可靠传输 智能处理 利用RFID 传感器 二维码等能够随时随地采集物体的动态信息 通过网络将感知的各种信息进行实时传送 利用计算机技术 及时地对海量的数据进行信息控制 真正达到了人与物的沟通 物与物的沟通 9 物联网 IOT 的特征 全面感知 可靠传输 智能处理 利用RFID 传感器 二维码等能够随时随地采集物体的动态信息 通过网络将感知的各种信息进行实时传送 利用计算机技术 及时地对海量的数据进行信息控制 真正达到了人与物的沟通 物与物的沟通 10
3、IOT基本理论模型 近距离通信 因特网 跟踪定位 高速数据网络 11 物联网的体系架构 12 智慧星球 13 感知中国 中国物联网发展 14 面临五个主要技术问题 1 技术标准问题世界各国存在不同的标准 中国信息技术标准化技术委员会于2006年成立了无线传感器网络标准项目组 2009年9月 传感器网络标准工作组正式成立了PG1 国际标准化 PG2 标准体系与系统架构 PG3 通信与信息交互 PG4 协同信息处理 PG5 标识 PG6 安全 PG7 接口 和PG8 电力行业应用调研 等8个专项组 开展具体的国家标准的制定工作 2 安全问题信息采集频繁 其数据安全也必须重点考虑 3 协议问题物联网
4、是互联网的延伸 在物联网核心层面是基于TCP IP 但在接入层面 协议类别五花八门 GPRS CDMA 短信 传感器 有线等多种通道 物联网需要一个统一的协议栈 4 IP地址问题每个物品都需要在物联网中被寻址 就需要一个地址 物联网需要更多的IP地址 IPv4资源即将耗尽 那就需要IPv6来支撑 IPv4向IPv6过渡是一个漫长的过程 因此物联网一旦使用IPv6地址 就必然会存在与IPv4的兼容性问题 5 终端问题 物联网终端除具有本身功能外还拥有传感器和网络接入等功能 且不同行业需求千差万别 如何满足终端产品的多样化需求 对运营商来说是一大挑战 15 16 物联网核心技术 RFID 中国RF
5、ID发展思路 16 物联网核心技术 WSN 17 物联网核心技术 WSN体系结构 WSN体系结构 平面拓扑结构 WSN体系结构 逻辑分层结构 18 物联网核心技术 WSN体系结构 传感器节点体系结构传感器网络协议栈 19 物联网核心技术 WSN的特征 20 物联网核心技术 WSN通信 WSN在无线通信框架中的位置 21 物联网核心技术 WSN融合 WSN和其它无线通信技术的融合 22 物联网核心技术 应用前景 23 物联网核心技术 RFID侧重于识别 能够实现对目标的标识和管理 同时RFID系统具有读写距离有限 抗干扰性差 实现成本较高的不足 WSN侧重于组网 实现数据的传递 具有部署简单 实
6、现成本低廉等优点 但一般WSN并不具有节点标识功能 RFID与WSN的结合存在很大的契机 RFID与WSN可以在两个不同的层面进行融合 物联网架构下RFID与WSN的融合 传感器网络架构下RFID与WSN的融合 物联网架构下RFID与WSN的融合 RFID和WSN融合 24 物联网核心技术 传感器网络架构下RFID与WSN的融合 智能基站 RFID和WSN融合 25 物联网核心技术 传感器网络架构下RFID与WSN的融合 智能节点 RFID和WSN融合 26 物联网核心技术 传感器网络架构下RFID与WSN的融合 智能传感标签 RFID和WSN融合 27 物联网应用示意图 28 29 物联网应
7、用 给放养的牲畜中的每一只羊都贴上一个二维码 这个二维码会一直保持到超市出售的肉品上 消费者可通过手机阅读二维码 知道牲畜的成长历史 确保食品安全 我国已有10亿存栏动物贴上了这种二维码 畜牧溯源 29 30 物联网应用 无线葡萄园 2002年 英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园 传感器节点被分布在葡萄园的每个角落 每隔一分钟检测一次土壤温度 湿度或该区域有害物的数量 以确保葡萄可以健康生长 研究人员发现 葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量 通过长年的数据记录以及相关分析 便能精确的掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照 温度 湿度的确切关系 这是一个典型的精准农业
8、智能耕种的实例 葡萄园环境监测系统示意图 30 31 物联网应用 31 32 物联网应用 大鸭岛生态环境监测系统 2002年 由英特尔的研究小组和加州大学伯克利分校以及巴港大西洋大学的科学家把无线传感器网络技术应用于监视大鸭岛海鸟的栖息情况 位于缅因州海岸大鸭岛上的海燕由于环境恶劣 海燕又十分机警 研究人员无法采用通常方法进行跟踪观察 为此他们使用了包括光 湿度 气压计 红外传感器 摄像头在内的近10种传感器类型数百个节点 系统通过自组织无线网络 将数据传输到300英尺外的基站计算机内 再由此经卫星传输至加州的服务器 在那之后 全球的研究人员都可以通过互联网察看该地区各个节点的数据 掌握第一手
9、的环境资料 为生态环境研究者提供了一个极为有效便利的平台 大鸭岛生态环境监测系统 32 33 物联网应用 水下无线传感器网络技术 根据目前欧美各国在研项目的文献资料 可以大致将水下传感器网络的组成结构可分为以下几类 1 基于水面浮标的 射频 水声通信 可任意升降的三维立体水下传感器网络系统 优点 布放比较容易 可利用太阳能 GPS以及水面上的无线通信 回避 降低了水下通信的困难 缺点 阻碍航道 易被发现破坏 容易随波逐流 位置不能固定 2 由固定在海底基站的节点构成的 可任意升降的三维立体网络系统 通过光缆或声通信与水面网关 节点联结 将数据传输至基站 优点 不会影响航行 缺点 维护不容易 3
10、 基于水面浮标节点 射频 水声通信 水中自主航行器 水声通信 和水底固定节点 水声通信 的三维立体系统 优点 覆盖全面 配置灵活 功能强大 缺点 系统复杂 成本高 与地面无线传感器网络相比 水下传感器网络仍然存在着诸多困难 如有效带宽非常有限 水下信道非常恶劣等等 在这个领域还有许多的困难需要解决 33 34 物联网应用 人身上可以安装不同的传感器 对人的健康参数进行监控 并且实时传送到相关的医疗保健中心 如果有异常 保健中心通过手机 提醒您去医院检查身体 个人保健 34 35 物联网应用 利用部署在大街小巷的全球眼监控探头 实现图像敏感性智能分析并与110 119 112等交互 实现探头与探
11、头之间 探头与人 探头与报警系统之间的联动 从而构建和谐安全的城市生活环境 平安城市建设 35 36 物联网应用 对珍贵的古老建筑进行保护 是文物保护单位长期以来的一个工作重点 将具有温度 湿度 压力 加速度 光照等传感器的节点布放在重点保护对象当中 无需拉线钻孔 便可有效地对建筑物进行长期的监测 此外 对于珍贵文物而言 在保存地点的墙角 天花板等位置 监测环境的温度 湿度是否超过安全值 可以更妥善地保护展览品的品质 文物保护 36 37 物联网应用 探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想 借助于航天器布撒的传感器节点实现对星球表面大范围 长时期 近距离的监测和探索 是一种经济可行的方案 NAS
12、A的JPL实验室研制的SensorWebs就是为将来的火星探测 选定着陆场地等需求进行技术准备的 现在该项目已在佛罗里达宇航中心的环境监测项目中进行测试和完善 空间 海洋探索 美国宇航局的空间探索计划中无线传感器网络的应用模式示意图 37 38 总结 粮食仓储物联网建设思路 多功能传感系统 38 39 物联网管理平台 移动POS 金融 供应链 智能运输 工业自动化 智能建筑 消防 公共安全 环境保护 气象 数字化医疗 遥感勘测 军事 农业 林业 水务 电力 煤炭 石化 物流 零售 自动服务 设备 安全 节能 生产 安全 防灾 水电油气 防火 勘察 报警 污染检测 报警 水质 水量 污染 安全
13、大棚 土壤 灌溉 环境 跟踪 抄表 监控 节能 设备 临床 辅助诊断 病程 险情 油井 运输 管线 联动 消防栓 定位 调度 照明 信号 应急 灾害 识别 大地勘测 森林 地震 海洋 侦查 监控 定位 评估 降水 防洪 远程设备 交易 订单 跟踪 识别 通风 瓦斯 救灾定位 库存 车队 监控 导航 识别 货物 电子支付 实时信息 总结 物联网应用频谱 39 嵌入式定义以应用为中心 以计算机技术为基础 软硬件可裁剪 适应应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗等严格要求的专用计算机系统 什么是嵌入式 40 什么是嵌入式 嵌入式产品在生活中处处都能看到 上到太空的人造卫星 火箭导弹 下到机顶盒 空
14、调 手表等等都是嵌入式产品 其实 所有带有数字接口的设备 都可以划入嵌入式的范围 41 嵌入式系统的应用领域 办公市场电话系统 传真系统 复印机 计时系统 照相机和摄象机运输市场航空 铁路 公路运输系统 燃料服务 航空管理 信令系统 雷达系统 交通指挥系统 停车系统 售票系统 乘客信息系统 检票系统 行李处理系统 应急设备等建筑市场电力供应 备用电源和发电机 火警控制系统 供热和通风系统 电梯和升降系统 车库管理 安保系统 电子门锁系统 楼宇管理系统 闭路电视系统 电子保险柜 警铃等医疗市场心脏除颤器 心脏起搏器 患者信息和监视系统 MN光设备 理疗控制系统 电磁成像系统等军事武器控制 42
15、物联网与嵌入式应用领域 电力电网 减少停电现象通过在智慧的电力中安装先进分析和优化引擎 电力提供商可以突破 传统 网络的瓶颈 而直接转向能够主动管理电力故障的 智能 电网 对电力故障的管理计划不仅考虑到了电网中复杂的拓扑结构和资源限制 还能够识别同类型发电设备 这样 电力提供商就可以有效地安排停电检测维修任务的优先顺序 如此一来 停电时间和频率可减少约30 停电导致的收入损失也相应减少 而电网的可靠性以及客户的满意度都得到了提升 43 减少停电现象 44 物联网与嵌入式应用领域 电力电网 智能电表在智慧的电力设施的支持下 智能电表可以重新定义电力提供商和客户的关系 通过安装内容丰富且读取方便的
16、设备 用户可了解在任何时刻的电力费用 并且用户还可以随时获取一天中任意时刻的用电价格 查看前后的记录 这样电力提供商就为用户提供了很大的灵活性 用户可以根据了解到的信息改变其用电模式 智能电表不仅可以测量用电量 它还是电网上的传感器 可以协助检测波动和停电 它还能储存和关联信息 支持电力提供商完成远程开启或关闭服务 也能远程支持使用后支付或提前支付等付费方式的转换 总而言之 智能电表可大幅度减小系统的峰值负荷 转换电力操作模式 也能重新定义客户体验 45 智能电表 46 物联网与嵌入式应用领域 医疗系统 整合的医疗平台整合的医疗保健平台根据需要通过医院的各系统收集并存储患者信息 并将相关信息添加到患者的电子医疗档案 所有授权和整合的医院都可以访问 这样资源和患者能够有效地在各个医院之间流动 通过各医院之间适当的管理系统 政策 转诊系统等 这个平台满足一个有效的多层次医疗网络对信息分享的需要 47 整合的医疗平台 48 物联网与嵌入式应用领域 医疗系统 电子健康档案系统电子健康档案系统通过可靠的门户网站集中进行病历整合和共享 这样各种治疗活动就可以不受医院行政界限而形成一种整合的视角 有
