物联网技术与应用--第2章83

物联网技术架构物联网概念发展和融合RFID早期物联网RFID+互联网把所有物品通过射频识别（RFID）和条码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。物联网ITU和欧盟对概念扩展提出任何时刻，任何地点，任意物体之间的互联，无所不在的网络和无所不在计算的发展愿景，除RFID技术外，传感器技术，纳米技术，智能终端等技术将得到更加广泛的应用。早期传感网自组织网络分布式节点自组织组成的网络，用于战场侦察。泛在传感器网络ITU研究报告可以以“任何地点、任何时间、任何人、任何物”的形式被部署，由智能传感节点组成的网络。泛在网络江泽民主席文章由智能网络、最先进的计算技术以及其他领先的数字技术基础设施武装而成的技术社会形态，将以“无所不在”、“无所不包”、“无所不能”为基本特征，帮助人类实现“4A”化通信。泛在传感器网络体系架构物联网产业与电信产业的差别电信网和互联网－面向人与人互联，网络本身非智能；物联网－物联网面向物物互联，物非智能，要求网络智能、自治；（信息技术的前沿和交叉领域）核心：“自治组网、协同感知”差别项目电信产业物联网产业用户需求来源主要需求推动力来源于公众用户传统电信产业与传统行业的交叉与融合，根本推动力是传统行业改进生产和管理效率的紧迫需求目标客户和应用需求目标客户单一、应用需求集中、系统特征明确，是电信产业能够在短时间内迅速成熟的根本原因。应用领域众多，不同应用差异大，每个细分市场的产业规模小。面临用户需求不清晰、行业前景不明朗、产业化力量投入目标模糊等根本问题；商业模式公众客户服务和集团客户服务行业用户基于行业信息及流程的保密性、安全性等考虑，将在物联网的产业价值链中扮演着完全不同的角色。大规模产业化必须打破原有的电信产业价值链形式及思维模式，实现商业模式创新标准化基于主流标准的产品占据了全球的绝大多数市场份额，标准的市场集中度较高物联网标准与行业内标准仍旧存在标准化空白，这些因素的存在也阻碍了物联网的快速规模产业化新业务模式新发展机遇物联网技术架构概述物联网作为一个系统网络，与其他网络一样，也有其内部特有的架构。你知道物联网的架构分为几层么？物联网系统有三个层次。一是感知层，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是网络层，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是应用层，把感知层的得到的信息进行处理，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等实际应用。物联网系统架构图概述如果把物联网系统和人体做比较，感知层好比人体的四肢，传输层好比人的身体和内脏，那么应用层就好比人的大脑，软件和中间件是物联网系统的灵魂和中枢神经。感知层包括信息采集和组网与协同信息处理，通过传感器、一维/二维条码、RFID、以及其他多媒体信息自动识别并采集信息，采集到的信息如何计入到网络层呢？需要将采集到的信息向上位端传输，这时就需要利用组网技术和协同信息处理技术，包括远距离与近距离数据传输技术、自组织组网技术、协同信息处理技术、以及信息采集中间件技术。网络层主要指的是由移动通信网、广电网、互联网、以及其他专网组成的网络体系，实现数据的传输。应用层包括物联网应用的支撑技术和物联网的实际应用。在物联网系统架构中，我们还可以看到物联网涉及到需到公共技术，例如：编码、标识、解析、信息服务、安全、以及中间件技术物联网接入技术架构网络感知层感知层顾名思义就是感知系统的一个层面，这里的感知主要就是指系统信息的采集。感知层包括就是把所有物品通过一维/二维条码、射频识别（RFID）、传感器、红外感应器、全球定位系统等信息传感装置自动采集到与物品相关的信息，并传送到上位端，完成传输到互联网前的准备工作。比如在供应链管理、工业控制、智能交通、智能家居中都得到很好地应用。例如：粘贴在设备上的RFID标签和用来识别采集RFID信息的读写器就属于物联网的感知层。人们采集到的信息是RFID标签里面存储的内容，需要在采集装置的本地进行处理，然后将有用的数据传输到系统控制管理中心，例如：高速公路不停车收费系统、超市仓储管理系统等，都是基于此类结构的物联网应用。网络感知层感知层作为物联网架构的基础层面，主要是达到信息采集并将采集到的数据上传的目的，感知层的主要包括：自动识别技术产品和传感器（条码、RFID、传感器、等），无线传输技术（WLAN、Bluetooth、ZigBee、UWB），自组织组网技术和中间件技术。网络感知层2、自动识别自动识别技术系统是指将物品有关代码采用条码、射频等自动识别与数据采集技术载体进行承载，以及通过条码、射频等自动识别设备获取条码、射频标签上承载的物品编码信息的技术体系，自动识别过程实现了某一个条码、射频标签与唯一标识某一物品的物品编码的一一对应关系，该系统完成国家物品识别网络体系的信息采集功能，该系统获取物品编码系统中的信息，并上传到上层中间件系统中进行加工处理。网络感知层（1）目前常用的自动识别技术主要有以下几种：①条码识别技术条码技术是目前应用最为广泛的自动识别技术，其识别原理是光学识别，条码识读器将采集到的条码反射光通过光电转化变为电信号，经整形、模数转换以及译码，转换成相应的数字、字符信息，通过与计算机相连的识读器将信息送入信息系统进行数据处理与管理。条码按照不同的分类方法、不同的编码规则可以分成许多种，现在已知的世界上正在使用的条码有250多种。条码的分类主要依据条码的编码结构和条码的性质来决定。例如，按条码的长度来分，可分为定长和非定长条码；按排列方式分，可分为连续型和非连续型条码；从校验方式分，又可分为自校验和非自校验型条码等。网络感知层一般的，人们按照结构将条码分为一维条码和二维条码。一维条码是通常我们所说的传统条码，按照应用又可将其分为商品条码和物流条码。其中，商品条码包括EAN条码和UPC条码等，物流条码包括128条码、ITF条码、39条码、库德巴条码等。二维条码根据构成原理、结构形状的差异，一般可分为两大类型：一类是行排式或层排式二维条码（2DStackedorTieredBarcode），如PDF417、Code49、Code16K等；另一类是棋盘式或矩阵式二维条码（2DCheckerboardorDotMatrixBarcode），如汉信码、QRCode、DataMatrix、CodeOne、MaxiCode等。关于条码的简单分类如图4-3所示网络感知层条码技术具有简单易操作，灵活实用，可靠性高，成本低廉等特点，在商业零售领域，仓储管理与物流跟踪，数据自动录入，图书管理等众多领域有着广泛的应用。网络感知层②射频识别技术射频识别技术是20世纪90年代引起全球关注的一种非接触的自动识别技术，射频标签与射频识读器之间通过感应、无线电波反射的工作方式进行非接触双向通信，识读器可以对标签进行读写操作。最基本的RFID系统由三部分组成：i标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。ii识读器/读写器：读取(对可读写标签时可以写入)标签信息的设备。iii天线：在标签和读取器间传递射频信号。网络感知层系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频标签进入发射天线工作区域时，射频标签获得能量被激活，并将自身编码等信息通过标签内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到识读器，识读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理。网络感知层按照不同得方式，射频识别系统有以下几种分类：按供电方式分为有源和无源射频识别系统。有源是指标签内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源标签内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离相对有源卡较短，但寿命长且对工作环境要求不高。按载波频率分为低频、高频射频和超高频射频。低频射频标签主要有125kHz和134.2kHz两种，高频射频标签频率主要为13.56MHz，超高频射频标签主要为433MHz、800MHz~900MHz、2.45GHz、5.8GHz等。有时，人们也称2.45GHZ以上的射频识别系统为微波系统。在应用方面，低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。高频系统用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统；超高频系统应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合，其天线波束方向较窄且价格较高，在火车监控、高速公路收费等系统中应用。网络感知层我国物品识别网络的射频技术建议采用800MHz~900MHz频段，因为该频段相对于其他频段具有以下优势：●穿透性好。30CM左右的波长，对于物流过程识别，对物品的一些阻挡有较好的绕射。●识读距离长。此频段的识别，采用雷达模型，可以有较长的识别距离。●识读速率高。本频段频率高，识读速率高，适合物流中对移动物品的识别。●良好的产业基础。最先实现被动标签识别的频段，有相关产业基础网络感知层按调制方式的不同可分为主动式和被动式。主动式射频标签用自身的射频能量主动地发送数据给读写器；被动式射频标签使用调制散射方式发射数据，它必须利用读写器的载波来调制自己的信号，该类技术适合用在门禁或交通应用中，因为读写器可以确保只激活一定范围之内的射频标签。在有障碍物的情况下，用调制散射方式，读写器的能量必须来去穿过障碍物两次。而主动方式的射频标签发射的信号仅穿过障碍物一次，因此主动方式工作的射频标签主要用于有障碍物的应用中，距离更远(可达30米)。射频识别技术具有非接触，无须人工干预，抗恶劣环境，标签数据存储量大，可识别多对象等特点，目前在车辆自动识别，高速公路收费及智能交通系统，货物的跟踪及物品监视，生产线自动化及过程控制，动物的跟踪管理等方面都得到越来越广泛的应用。网络感知层③其他识别技术图像识别技术和光学符识别技术也在物品自动识别领域有一定的应用前景。（2）自动识别过程自动识别过程由数据承载、数据采集与数据传输3个过程组成，该3个过程相互配合，共同完成编码数据的自动采集。根据不同的载体特性或应用需求的不同，部分过程或过程的功能可以省略。①数据承载数据承载过程是指按照确定的自动识别数据载体的技术规定，将物品编码转换为数据载体承载格式，以及提供数据采集过程必须的附加信息的过程。②数据采集数据采集技术过程是指采集获取数据承载过程装载的物品编码以及附加数据传输所需的附加信息的过程。③数据传输数据传输是将数据采集过程中获得的物品编码，按照一定的规则，添加相应的标识符后，上传到信息系统的过程网络感知层3、无线传输技术信息在通过设备采集之后就要传输到网络节点上，在传输过程中分为近距离传输和远距离传输，这里提到的近距离传输和远距离传输主要是指采集设备到传输节点的距离的长短。通过传输距离远近和传输环境的不同，可以采用不同的传输技术。一般情况下，如果在应用场所已经接通了互联网，即可实现数据的传输，下面特指的是在没有物联网接入联线的情况下，可以采用的几种技术：网络感知层（1）WLAN与Wi—Fi。WLAN即无线局域网，其历史起源可以追溯到五十年前，当时美军首先开始采用无线信号传输资料，并且采用相当高强度的加密技术。这项技术让许多学者得到了一些灵感。[3]WLAN是利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信号。作为传统布线网络的一种替代方案或延伸，无线局域网使人们可以随时随地获取信息，提高了办公效率。此外，它能够方便地实施联网技术，因为WLAN可以便捷、迅速地接纳新加入的雇员，而不必对网络的用户管理配置进行过多的变动。在物联网中WLAN可以利用在有线网络布线困难的地方，使用WLAN方案，则不必再实施打孔敷线作业，因而不会对建筑设施造成任何损害。Wi—Fi是无线保真(WirelessFidelity)的缩写，是属于无线局域网(WLAN)的一种，是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。Wi—Fi的主要特点是传输速率高、可靠性高、建网快速、便捷、可移动性好、网络