物联网关键技术及应用

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1、LOGOKey Technologies and Applications of Internet of Things物联联网关键键技术术及应应 用2012-2-14LOGOContent：2012-2-141. 物联网概述2.物联网架构3.物联网关键技术4.物联网的应用5.发展趋势及面临的问题目录录LOGO一、物联联网的概念1、物联网（IOT）的定义 早在1995年，比尔盖茨在未来之路一书中就已经提 及物联网概念。但是，“物联网”概念的真正提出是在1999 年，由EPCglobal的Auto-ID中心提出，被定义为：把所有 物品通过射频识别 等信息传感设备与互联网连接起来， 实现智能化识别和

2、管理。 2005年，国际电信联盟（ITU）正式称“物联网”为“The Internet of things（IOT）”，并发表了年终报告ITU互联 网 报告2005：物联网。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；并描绘 出“物联网”时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自 动报警；2012-2-14LOGO物联联网(IOT)的概念公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机 对颜色和水温的要求等等。 现在较为普遍的理解是，物联网是将各种信息传感设备 ，如射频识别 （RFID）装置、红外感应器、全球定位

3、系 统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一 个巨大网络。通过装置在各类物体上的电子标签（RFID ）、传感器、二维码等经过接口与无线网络相连，从而 给物体赋予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，也 可以实现物体与物体互相间的沟通和对话。 2、广义的物联网含义广义的物联网就是利用条码、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2012-2-14LOGO物联联网（IOT）的概念 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、

4、跟踪、监 控和管理的庞大网络系统。如果说互联网实现了人与人 之间的交流，那么物联网可以实现人与物体的沟通和对 话，也可以实现物体与物体互相间的连接和交互。图1-1物联网的概念模型2012-2-14LOGO2012-2-143、物联网（IOT）的特征感知传输智能全面感知全面感知利用RFID、传感器、 二维码 等能够随时随地采 集物体的动态 信息。可靠传输可靠传输通过网络将感知的各 种信息进行实时传 送。智能处理智能处理利用计算机技术，及时对 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。LOGO2012-2-14 4、物联网（IOT）结构示意图LOGO5、物联网（IOT）提出

5、的背景 经济 危机下的推手:经济长 波理论：每一次的经济低谷 必定会催生出某些新的技术，而这种技术一定是可以为绝 大多数工业产业 提供一种全新的使用价值，从而带动新 一轮的消费增长和高额的产业投资，以触动新经济周期 的形成。过去的10年间，互联网技术取得巨大成功。目前的经济 危机让人们又不得不面临紧迫的选择，物联网技术成为 推动下一个经济增长的特别重要推手。 传感技术的成熟:随着微电子技术的发展，涉及人类生 活、生产、管理等方方面面的各种传感器已经比较成熟。 例如常见的无线传感器（WSN）、RFID、电子标签等。 网络接入和信息处理能力大幅提高:目前，随着网络接 入多样化、IP宽带化和计算机软

6、件技术的飞跃发 展，基 于海量信息收集和分类处理的能力大大提高。2012-2-14LOGO二、物联联网的体系架构1、应用层：应用层是构建在物联网技术架构之上的应用 系统，包括商业贸易、物流、农业、军事等等不同的应 用系统。 2、网络层 ：网络层，即进行信息交换的通信网络，包括 有Internet、WIFI网以及无线通信网络等网络。3、信息采集层：数据采集指通过包括条码、射频识别 、 无线传感器、蓝牙等在内的自动识别 与近场通信技术获 取物品编码信息的过程。 4、编码层 ：编码层 是物联网的基石，是物联网信息交换 内容的核心和关键字。编码是物品、设备、地点、属性等的数字化名称。2012-2-14

7、LOGO物联联网架构示意图图:2012-2-14LOGO物联联网体系构成根据国际电信联盟的建议，物联网自底向上可以为以下 的过程： 感知：该层的主要功能是通过各种类型的传感器对物质 属性、环境状态、行为态势 等静态动态的信息进行大 规模、分布式的信息获取与状态辨识，针对具体感知任 务，常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的 信息进行在线计算与控制，并通过接入设备将获取的信 息与网络中的其它单元进行资源共享与交互。 接入：该层的主要功能是通过现有的移动通信网(如GSM 网、T胁SCDMA网)、无线接入网(如WiMAX)、无线局域 网(WiFi)、卫将来自感知层的信息传送到互联网中。 互联

8、网：该层的主要功能是以IP、，6IPv4以及后伊星2012-2-14LOGO物联联网体系构成网等基础设施， (Post-IP)为核心建立的互联网平台，将 网络内的信息资源整合成一个可以互联互通的大型智能网 络，为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高 效、可靠、可信的基础设施平台。 服务管理：该层的主要功能是通过具有超级计算能力的 中心计算机群，对网络内的海量信息进行实时的管理和 控制，并为上层应用提供一个良好的用户接口。 应用：该层的主要功能是集成系统底层的功能，构建起 面向各类行业的实际应 用，如生态环境与自然灾害监 测、智能交通、文物保护与文化传播、运程医疗与健康监 护等。2012-2

9、-14LOGO三、物联联网关键键技术术物联网的关键技术有射频识别 技术、传感技术、纳 米技术、智能嵌入技术、云计算、IPv6技术。当前各项技 术发展并不均衡，射频标签 、条码与二维码等技术已经 非常成熟，传感器网络相关技术尚有很大发展空间。在此 只介绍射频识别 技术(RFID)和传感技术(WSN)。 3.1 RFID 3.1.1 RFID的定义RFID（Radio Frequency Identification ）即射频识别 技术 ，俗称电子标签，通过射频信号自动识别 目标对象，并 对其信息进行标志、登记、储存和管理。 3.1.2 RFID系统组 成电子标签：由芯片和标签天线或线圈组成，通过

10、电感耦 合 2012-2-14LOGORFID介绍或电磁反射原理与读写器进行通信；读写器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备 ；天线：可以内置在读写器中，也可以通过同轴电缆 与读 写器天线接口相连。 RFID系统组 成图示：2012-2-14LOGO3.1.3 RFID的工作频率RFID的工作频率可划分为： 1、LF： 低频30300KHz，常用125KHz； 2、HF： 高频330MHz， 工作频率为13.56MHz; 3、UHF：特高频300MHz3GHz，工作频率：433MHz，866 960MHz 2.45GHz； 4、SHF：超高频330GHz，工作频率：5.8GHz、24G

11、Hz ；RFID工作频率图：2012-2-140f(Hz)30k 300k3M 30M 300M3G30G125k13.56M常用：433M866 960M5.8GLOGO图3-1 RFID系统工作原理2012-2-14读写器将要发送 的信息，经编码 后加载到高频载 波信号上再经天 线向外发送。进入读写器工作区域的电子标签接 收此信号，卡内芯片的有关电路对 此信号进行倍压整流、调制、解 码、解密，然后对命令请求、密 码、权限等进行判断。若为读命令，控制逻辑电 路则从存 储器中读取有关信息，经加密、编 码、调制后通过片上天线再发送给 阅读器，阅读器对接收到的信号进 行解调、解码、解密后送至信息系

12、 统进行处理。若为修改信息的写命令，有关控制 逻辑引起电子标签内部电荷泵提升 工作电压，提供电压擦写E2PROM 。若经判断其对应密码和权限不符 ，则返回出错信息。LOGO3.1.4 RFID的ISO IEC标准 ISO/IEC（国际标际标 准化组织组织 和国际电际电 工委员员会）制定 的RFID标标准概况 技术标术标 准 ：ISO/IEC 10536 、ISO/IEC 14443 、 ISO/IEC 18000系列标标准 等 数据结结构标标准 ：ISO/IEC 15424 、ISO/IEC 15418 、 ISO/IEC 15434 等 性能标标准 ：ISO/IEC 18046 、ISO/I

13、EC 18047 、 ISO/IEC 10373-6 等 应应用标标准 ：ISO/IEC 10374 、ISO/IEC 18185 、 ISO/IEC 11784 等2012-2-14LOGO3.2 无线传线传 感器网络络（WSN） 传感器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 。 无线传 感器网络（WSN）无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点通过 无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的 是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信 息，它能够实现 数据的采集量化、处理融合和传输应 用。 3.2.1 WSN的特征 与

14、现有无线网络的差别 1. WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节 点数目更为庞大（上千甚至上万），节点分布更为密集 ；2012-2-14LOGOWSN的特征2.由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；3.环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化； 4.通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的； 5.传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力 等十分有限； 6.传统无线网络的首要设计目标是提高服务质量和高效率 带宽利用，其次才考虑节约 能源；而WSN的首要设计目 标是能源的高效使用，这也是WSN和传统网络最重要的 区别之一。 传感器节点的限制电源能量有限、通信能力有限

15、、计算和存储能力有限。 WSN的特点2012-2-14LOGOWSN的体系结构 大规模网络、自组织网络、动态性网络、可靠的网络、 应用相关的网络、以数据为中心的网络 3.2.2 WSN体系结结构 图3-2平面拓扑结构 图3-3 逻辑 分层结 构2012-2-14LOGOWSN的体系结构2012-2-14图3-4 传感器节点体系结构图3-5 传感器网络协议栈LOGO3.2.3 传传感器与无线线通信传感网中使用的几种通信技术： 1、移动通信：2G、3G、B3G、LTE； 2、无线局域网： WiFi：无线局域网，802.11，校园网； WiMAX：无线城域网，802.16，已成为 3G标准 3、超宽

16、带UWB：特征是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输 数据。工作频率3.1G-10.6GMHz，低功耗，如射频标签 RFID（Radio Frequency Identification 也称电子标签、无 线电频 率识别）。 4、ZigBee：低功耗、近距离的无线组网通信技术； 802.15.4（s）; 5、NFC（近场通信），双向RFID，可实现设备 之间的近距 离通信（20cm，比兰牙短，但是不需要加密）； 6、兰牙（Bluetooth）、红外（IiRD）；2012-2-14LOGO3.2.4 WSN通信2012-2-14 图3-6 WSN在无线通信框架中的位置LOGO3.2.5 WSN融合 图3-7 WSN和其它无线通信技术的融合2012-2-14LOGO3.3 RFID和WSN融合2012-2-14图3-8物联网架构物联网架构下 RFID与WSN的融合 RFID侧重于识