0712401-10周鑫浅析物联网

1浅析物联网周鑫(通信工程专业0712401-10)摘要：介绍物联网目前的初步应用与未来发展前景，并浅析物联网所涉及的RFID，WSN等相关技术。关键词：物联网；RDIF；WSN引言物联网(TheInternetofthings)的概念是在1999年提出的，它的定义很简单：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，实现智能化识别和管理。国际电信联盟2005年一份报告曾描绘“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；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。物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。1.物联网的概念与结构物联网，英文简称为IOT（InternetofThings），是指将各种信息传感设备与互联网相结合所形成的网络，其目的是让所有的物品都能够远程感知和控制，并与互联网结合成一个更加智慧的生产生活体系。物联网作为新一代信息技术，必将带来继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。它的结构可分为射频识别系统和信息网络系统两部分[1]:射频识别系统主要由标签和读写器组成，两者通过RFID空中接口通信。读写器获取产品标识后，通过internet或其他通讯方式将产品标识上传至信息网络系统的中间件，然后通过ONS解析获取产品的对象名称，继而通过EPC信息服务的各种接口获得产品信息的各种相关服务。整个信息系统的运行都会借助Internet的网络系统，利用在Internet基础上的发展出的通信协议和描述语言。因此我们可以说物联网是架构在Internet基础上的关于各种物理产品信息服务的总和。2．物联网的核心技术物联网涉及的技术有很多，其中包括括射频识别(RFID)装置、WSN网络、红外感应器、全球定位系统、Internet与移动网络，网络服务，行业应用软件等。但其中最核心的技术就是RFID（射频识别）技术和WSN（无线传感网络）技术。2.1RFID技术RFID技术的基本工作原理[2]：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应2电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（ActiveTag，有源标签或主动标签）；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。一套完整的RFID系统,是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成,其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder,用以驱动Transponder电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据,送给应用程序做相应的处理。以RFID卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成,感应偶合(InductiveCoupling)及反向散射偶合(BackscatterCoupling)两种,一般低频的RFID大都采用第一种式,而较高频大多采用第二种方式。阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和应答器之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源应答器提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。应答器是RFID系统的信息载体，目前应答器大多是由耦合原件（线圈、微带天线等）和微芯片组成无源单元[3]图1RDIF工作原理当前，RFID技术研究主要集中在工作频率选择、天线设计、防冲突技术等方面[4]2.1.1工作频率选择工作频率选择是RFID技术中的一个关键问题。工作频率的选择既要适应各种不同应用需求，还需要考虑各国对无线电频段使用和发射功率的规定。当前RFID工作频率跨越多个频段，不同频段具有各自优缺点，它既影响标签的性能和尺寸大小，还影响标签与读写器的价格。此外，无线电发射功率的差别影响读写器作用距离。2.1.2RFID天线研究天线是一种以电磁波形式把无线电收发机的射频信号功率接收或辐射出去的装置。天线按工作频段可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性可分为全向天线、3定向天线等；按外形可分为线状天线、面状天线等。受应用场合的限制，RFID标签通常需要贴在不同类型、不同形状的物体表面，甚至需要嵌入到物体内部。RFID标签在要求低成本的同时，还要求有高的可靠性。此外，标签天线和读写器天线还分别承担接收能量和发射能量的作用，这些因素对天线的设计提出了严格要求。当前对RFID天线的研究主要集中在研究天线结构和环境因素对天线性能的影响上。天线结构决定了天线方向图、极化方向、阻抗特性、驻波比、天线增益和工作频段等特性。方向性天线由于具有较少回波损耗，比较适合电子标签应用；由于RFID标签放置方向不可控，读写器天线必须采取圆极化方式（其天线增益较大）；天线增益和阻抗特性会对RFID系统的作用距离产生较大影响；天线的工作频段对天线尺寸以及辐射损耗有较大影响。2.1.3防冲突技术研究鉴于多个电子标签工作在同一频率，当它们处于同一个读写器作用范围内时，在没有采取多址访问控制机制情况下，信息传输过程将产生冲突，导致信息读取失败。同时多个阅读器之间工作范围重叠也将造成冲突。根据电子标签工作频段之不同，人们提出了不同的防冲突算法。2.2WSN技术WSN是wirelesssensornetwork的简称，即无线传感器网络无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络[5]。传感器网络将能扩展人们与现实世界进行远程交互的能力。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。2.2.1WSN网络结构WSN网络通常分为物理层、MAC层、网络层、传输层，应用层[6]。物理层定义WSN中的Sink,Node间的通信物理参数，使用哪个频段，使用何种信号调制解调方式等。MAC层定义各节点的初始化，通过收发beacon,request,associate等消息完成自身网络定义，同时定义的MAC帧的调试策略，避免多个收发节点间的通信冲突。在网络层，完成逻辑路由信息采集，使收发网络包裹能够按照不同策略到使用最优化路径到达目标节点。传输层提供包裹传输的可靠性，为应用层提供入口。应用层最终将收集后的节点信息整合处理，满足不同应用程序计算需要。2.2.2WSN体系机构WSN的体系主要由传感器的各个要素决定，包括传感器网络结构，传感器节点结构，传感器网络协议栈等。以下是其原理图图2.1传感器网络结构4图2.2传感器节点结构2.2.3WSN的特征传感器网络集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目庞大（上千甚至上万），分布密集，因环境和能量的耗尽，容易出现故障，节点通常固定不动。能量、处理能力、存储能力、通信能力有限。不同于传统无线网络的高服务质量和高效的带宽的利用，节能是其设计的首要考虑因素。其节点也有限制，因为节点电池能量，通信能力以及计算和储存能力有限。而它的网络具有大规模，自组织，动态性，可靠以及以数据为中心的特点[7]。3.物联网的应用与发展前景物联网以被纳入“十二五”规划，成为了首要发展目标。今年1月23日上午，在青岛举行的海尔集团科技大会上，海尔发布了世界上首台物联网冰箱。海尔物联网冰箱是世界冰箱史上一款里程碑式的革命性产品。其不仅可以储存食物，而且可以通过与网络连接，实现了冰箱与冰箱里的食品进行对话的功能。海尔物联网冰箱还能与超市相连，让消费者足不出户就知道超市货架上的商品信息，其次还能够根据主人放入及取出冰箱内食物的习惯，制定合理的膳食方案，给消费者提供健康、营养的生活方案。在“2009年中国国际信息通信展览会”上，中国移动展出了手机支付，这就是典型的物联网概念应用。手机支付实际上主要是手机SIM卡的更换，由普通SIM卡更换为RFID-SIM卡，而不需要对手机进行更换。用户在消费时，只需要将手机从接收器上轻轻一扫，就可以方便进行各种购物，以及获得详细的费用清单虽然物联网还在开始阶段，也有许多技术问题有待解决，但我们的生活已经开始与物联网有了交集，我相信随着科学技术的发展，物联网的普及不会太远，而它将带给我们的是方便，环保，智慧科技的美好生活方式。4．总结物联网具有广阔的行业应用需求，但各行业发展并不均衡，整体来看，中国物联网产业发展仍处于初级阶段，技术、标准、产品以及市场并不成熟。细分市场方面，交通、安防、物流、零售、电力、金融、环保、医疗等将成为物联网行业应用的重点领域，但由于不同行业在物联网政策倾向、技术与市场成熟度、市场需求等方面差别较大，物联网的细分市场发展差距很大。行业应用将成为未来几年物联网产业发展的主要驱动力。研究发现：智能交通、城市安防、智能电网等行业市场成熟度较高，这些行业传感技术成熟，政府扶持力度大，在许多城市已经开始规模化应用，市场前景广阔，将成为未来几年物联网产业发展的重点领域；医疗卫生、家庭、个人等领域的智能传感应用则需要较长的时间，技术、标准均有待于进一步完善，大多产品还处于试验阶段，短时间内不会大规模应用。5参考文献[1]周洪波，物联网：技术、应用、标准与商业模式[M]北京：电子工业出版社，2010.[2]王志良，物联网：现在与未来[M]北京：机械工业出版社，2010.[3]慈心心，王朔，王苏滨，无线射频识别系统技术与应用[M]北京：人民邮电出版社，2007.[4]NTTCOMWARE株式会社研究开发部著；郑维强译,RFID的现状和发展趋势[M]人民邮电出版社，2007.[5]孙利民等,无线传感器网络[M]北京：清华大学出版社，2005.[6](德)HolgerKarl,(德)AndreasWillig著；邱天爽译,无线传感器网络协议与体系结构[M]北京：电子工业出版社，2007.[7]谢希仁，计算机网络[M]北京：电子工业出版社，2009.