淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)孔維元2024/6/2512024/6/252淺談物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

一、

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的產(chǎn)生背景二、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域以及前景三、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)關(guān)鍵性技術(shù)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(tǒng)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(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)生的背景愛迪生改進燈泡批量生產(chǎn)后，必然同時制作了一個開關(guān)來控制它；能否遠程控制呢？那需要把線拉長對吧；后來出現(xiàn)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(guān)，可以在很遠的距離人工遙控；電子計算機出現(xiàn)后，兩臺電腦直接通過數(shù)據(jù)線可以交換數(shù)據(jù)了；再后來，1969年美國建成了第一個互聯(lián)網(wǎng)，此時internet不=www（萬維網(wǎng)），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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。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(xiàn)在我們可以在北京控制武漢自家的凈化器開關(guān)，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(diào)，汽車，生產(chǎn)線上的設(shè)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(shè)備上（手機，手表）得到報警信息，這一切的實現(xiàn)，都依賴物聯(lián)網(wǎng)這門技術(shù)，其實有些現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了。2024/6/254給物聯(lián)網(wǎng)概念給物聯(lián)網(wǎng)一個定義：物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)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(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化3個重要特征。一句式理解物聯(lián)網(wǎng)：把所有物品通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換，即物物相息，以實現(xiàn)智能化識別和管理。通俗一點說：物聯(lián)網(wǎng)是物與物之間的聯(lián)網(wǎng)（物物相連）；互聯(lián)網(wǎng)是人與人之間的聯(lián)網(wǎng)（人人相連）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是電子、通信、計算機三大領(lǐng)域技術(shù)的融合，所以與其說物聯(lián)網(wǎng)是一種技術(shù)，不如說是一個時代（互聯(lián)網(wǎng)也是一個時代），它通過對相關(guān)技術(shù)進行整合，形成了一個時代的概念，是一個建立在技術(shù)基礎(chǔ)之上的時代。2024/6/255物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)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(shù)據(jù)，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(wù)等各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)系統(tǒng)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(shè)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(shù)。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(wǎng)為基礎(chǔ)(中國的智能電網(wǎng)是以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各電壓等級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎(chǔ))，將現(xiàn)代先進的傳感測量技術(shù)、通訊技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。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(yīng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟性、滿足環(huán)保約束、保證電能質(zhì)量、適應(yīng)電力市場化發(fā)展等為目的，實現(xiàn)對用戶可靠、經(jīng)濟、清潔、互動的電力供應(yīng)和增值服務(wù)。智能交通：以圖像識別技術(shù)為核心。綜合利用射頻技術(shù)、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(shù)據(jù)進行自動采集和實時傳送，相應(yīng)的系統(tǒng)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(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的形成，會給智能交通領(lǐng)域帶來極大的方便。2024/6/257智能農(nóng)業(yè)：地表溫度檢測、家禽的生活情形、農(nóng)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(nóng)民在減災(zāi)、抗災(zāi)、科學種植等方面提供很大的幫助，完善農(nóng)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(shù)的計算模式、移動通信等不斷融入到工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，將傳統(tǒng)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(shù)的主要內(nèi)涵是其相關(guān)內(nèi)容和服務(wù)的信息化、圖象的傳輸和存儲、數(shù)據(jù)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(tǒng)主要包括門禁、報警和監(jiān)控三大部分。軍事應(yīng)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(yīng)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(quán)。物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)，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(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)三項關(guān)鍵技術(shù)：傳感器技術(shù)、RFID標簽、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)1、傳感器技術(shù)：這也是計算機應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。大家都知道，到目前為止絕大部分計算機處理的都是數(shù)字信號。自從有計算機以來就需要傳感器把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號計算機才能處理。2、RFID標簽：也是一種傳感器技術(shù)，RFID技術(shù)是融合了無線射頻技術(shù)和嵌入式技術(shù)為一體的綜合技術(shù)，RFID在自動識別、物品物流管理有著廣闊的應(yīng)用前景。3、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)：是綜合了計算機軟硬件、傳感器技術(shù)、集成電路技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)為一體的復(fù)雜技術(shù)。經(jīng)過幾十年的演變，以嵌入式系統(tǒng)為特征的智能終端產(chǎn)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(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)正在改變著人們的生活，推動著工業(yè)生產(chǎn)以及國防工業(yè)的發(fā)展。如果把物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)就是神經(jīng)系統(tǒng)用來傳遞信息，嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的位置與作用。2024/6/259物聯(lián)網(wǎng)可分為3層2024/6/2510LOREMIPSUMDOLOR感知層：由各種傳感器網(wǎng)關(guān)和傳感器構(gòu)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(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)層：由互聯(lián)網(wǎng)、私有網(wǎng)絡(luò)、無線和有線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成的，網(wǎng)絡(luò)層就相當于人的大腦和神經(jīng)中樞，主要負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層：是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括個人、組織或者其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)發(fā)展應(yīng)用需求相結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能化服務(wù)應(yīng)用。2024/6/2511物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)種類據(jù)GSMA預(yù)測,到2020年全球互聯(lián)設(shè)備將會到達270億,其中100億為移動連接設(shè)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(lián)網(wǎng)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(dǎo)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(dǎo)航業(yè)務(wù)。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(dǎo)航業(yè)務(wù)。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(jīng)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(yīng)急、抗災(zāi)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(yīng)用于傳送電視、調(diào)頻廣播、雷達、導(dǎo)航、移動通信等業(yè)務(wù)。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(shù)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(lián)網(wǎng)幾種通訊技術(shù)藍牙（Bluetooth）是一種近距離無線技術(shù)的標準，它可實現(xiàn)移動設(shè)備、固定設(shè)備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)進行交換，藍牙在智慧醫(yī)療電子領(lǐng)域和智能家居領(lǐng)域和許多消費市場中已經(jīng)變得非常重要，同時也是可穿戴產(chǎn)品的關(guān)鍵，特別是藍牙智能或藍牙低能耗（BLE）是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的重要協(xié)議。WIFI是一種允許電子產(chǎn)品連接到無線局域網(wǎng)（WLAN）的技術(shù)，WIFI通常使用2.4GUH射頻頻段。連接到局域網(wǎng)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(nèi)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(nèi)的設(shè)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(shù)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(lián)網(wǎng)應(yīng)用中WIFI是比較耗電的。Zigbee跟藍牙一樣具有大量的操作基礎(chǔ)和應(yīng)用領(lǐng)域，Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，根據(jù)國際規(guī)定標準，Zigbee技術(shù)是一種低功耗、近距離的無線通信技術(shù)。原來（又稱紫蜂協(xié)議）來源于蜜蜂的八字舞，其優(yōu)點是低功耗、自組織、低復(fù)雜度、短距離、低數(shù)據(jù)速率。ZigBee有點類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)，Zigbee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站，通訊距離采用組網(wǎng)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(tǒng)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(wù)技術(shù)的簡稱，同時它也是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，GPRS屬于第二代移動通信中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲灰粯?，它是以封包式的方式進行傳輸?shù)模谑褂弥杏脩羲摀馁M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(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)、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(shù)，又稱無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID組成部分應(yīng)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(yīng)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(shè)備，可設(shè)計為手持式rfid讀寫器或固定式讀寫器。應(yīng)用軟件系統(tǒng)：是應(yīng)用層軟件，主要是把收集的數(shù)據(jù)進一步處理，并為人們所使用。RFID技術(shù)的基本工作原理并不復(fù)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(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)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(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)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(yīng)用技術(shù)?？勺杂晒ぷ髟诟鞣N惡劣環(huán)境下：短距離射頻產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)主要有以下幾個方面系統(tǒng)優(yōu)勢：讀取方便快捷：數(shù)據(jù)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(xiàn)批量識別；數(shù)據(jù)容量大：數(shù)據(jù)容量最大的二維條形碼（PDF417），最多也只能存儲2725個數(shù)字；若包含字母，存儲量則會更少；RFID標簽則可以根據(jù)用戶的需要擴充到數(shù)10K；使用壽命長，應(yīng)用范圍廣：其無線電通信方式，使其可以應(yīng)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(shù)據(jù)可動態(tài)更改：利用編程器可以向標簽寫入數(shù)據(jù)，從而賦予RFID標簽交互式便攜數(shù)據(jù)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(chǎn)品上，而且可以為標簽數(shù)據(jù)的讀寫設(shè)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(xiàn)在解讀器的有效識別范圍內(nèi)，就可以對其位置進行動態(tài)的追蹤和監(jiān)控。2024/6/2520RFID技術(shù)不是條形碼：RFID在工作過程中，依賴射頻傳輸?shù)氖请姶判盘枺K端識別的是經(jīng)射頻轉(zhuǎn)換到基帶的數(shù)字式電信號；傳統(tǒng)條形碼，傳輸過程主要依賴圖像相關(guān)的光學信號，終端則是通過光電轉(zhuǎn)換設(shè)備獲取數(shù)字式電信號。目前RFID典型的應(yīng)用領(lǐng)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(zhuǎn)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(nèi)、國外均有大應(yīng)用。(6)生產(chǎn)線產(chǎn)品加工過程自動控制。主要應(yīng)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(tǒng)設(shè)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)等待下一輛車進入。2024/6/2522ETC電子收費系統(tǒng)2024/6/2523物聯(lián)網(wǎng)在智能家居應(yīng)用的例子例如小米智能家居：終端（手機app或電腦）登錄相關(guān)帳號后可遠程控制家中連接路由器的智能設(shè)備，空調(diào)，飲水機，臺燈，電燈，插座，空氣凈化器等等，也可設(shè)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(lián)網(wǎng)應(yīng)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(wù)器，服務(wù)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(wù)器，服務(wù)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(yù)防基站太遠信號太差的時候，云端服務(wù)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(lián)網(wǎng)兩大流派NB-IoTLoRaNB是運營商建網(wǎng)LoRa是企