第3章物联网技术基础132

第3章物联网技术基础第3章物联网技术基础上一章分析了物联网的几个案例应用，从中我们可以看到物联网的主要支撑技术：•M2M技术•RFID技术•WSN技术•PLC技术等等.本章将从以下四个方面来介绍物联网的基础技术物联网三个层次八层构建四大支撑技术两个技术范畴第3章物联网技术基础3.1物联网的三个层次3应用层2网络层1感知层3.1物联网的三个层次相应的技术体系应用层技术感知层技术网络层技术与各层相应的技术3.2物联网的八层架构•IBM大中华区首席技术官、IBM中国研究院院长李实恭在接受51CTO.com记者专访时谈到，“物联网的重点在于这个“网”字，如果只有物没有网，那未来将是非常可怕的现象。IBM在多年的研究积累和时间中提炼出了八层的物联网参考架构。”3.2物联网的八层架构•第一层：传感器/执行器层物联网中任何一个物体都要通过感知设备获取相关信息以及传递感应到的信息给所有需要的设备或系统。传感器/执行器层是最直接与周围物体接触的域。3.2物联网的八层架构•第二层：传感网层这是传感器之间形成的网络。这些网络有可能基于公开协议，比如IP地址，也有可能基于一些私有协议。而目的就是为了使传感器之间可以互联互通以及传递感应信息。3.2物联网的八层架构•第三层：传感网关层物联网世界里的对象和信息量将会是巨大的，五花八门的，这些信息直接传递给所需要的系统，那么将会对网络造成巨大的压力和不必要的资源浪费。因此最好的方法是通过某种程度的网关将信息进行过滤，协议转换，信息压缩加密等等，使得信息更优化和安全的在公共网络上传递。3.2物联网的八层架构•第四层：广域网络层在这一层中主要是为了将感知层的信息传递到需要信息处理或者业务应用的系统中。可以采用IPv4或者IPv6的协议。3.2物联网的八层架构•第五层：应用网关层在传输过程中为了更好地利用网络资源以及优化信息处理过程，设置局部或者区域性的应用网关：好处：信息汇总与分发最大限度的利用IT与通讯资源，提高信息的传输和处理能力，提高可靠性和持续性。3.2物联网的八层架构•第六层：服务平台层服务平台层是为了使不同的服务提供模式得以实施，同时把物联网世界中的信息处理方面的共性功能进行集中优化，缓解传统应用系统或者应用系统整合平台的压力。3.2物联网的八层架构•第七层：应用层应用层包括了各种不同业务或者服务所需要的应用处理系统。这些系统利用传感的信息进行处理、分析、执行不同的业务，并把处理的信息再反馈给传感器进行更新，刷新服务以及对终端使用者提供服务，使得整个物联网的每个环节都更加连续和智能。3.2物联网的八层架构•第八层：分析与优化层在物联网世界中，从信息的业务价值和IT信息处理的角度看，它与互联网最大的不同就是信息和信息量。物联网的信息来源广阔，信息是海量的，在这种情况下如何利用信息更好地为我们服务，就是基于信息分析和优化的基础之上。射频识别（RFID）传感器技术无线传感网络（WSN/ZigBee）智能服务RFID是一种非接触式自动识别技术，可以快速读写、长期跟踪管理，有着非常好的发展前景WSN/ZigBee的特点是短距离、低功耗，这为搭建无处不在的物联网提供了可能以MEMS为代表的传感技术，拉近了人与自然世界的距离智能服务技术为发展物联网的应用提供了服务内容3.3物联网的四大支撑技术3.3物联网的四大支撑技术•3.3.1RFID技术无线射频识别技术(RFID)作为本世纪最有发展前途的信息技术之一，已得到全球业界的高度重视,未来的十年内，所有的东西都将会被植入RFID标签。3.3.1RFID技术（1）RFID介绍•RFID是射频识别技术的英文(RadioFrequencyIdentification)的缩写，射频识别技术是20世纪90年代开始兴起并逐渐走向成熟的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。3.3.1RFID技术RFID系统如图所示，由三部分组成:电子标签（Tag）天线(Antenna)阅读器(Reader)3.3.1RFID技术（2）RFID特征1.数据的读写(ReadWrite)机能2.容易小型化和多样化的形状3.耐环境性4.可重复使用5.穿透性6.数据的记忆容量大7.系统安全：8.数据安全3.3.1RFID技术（3）RFID的工作原理•通常情况下，RFID的应用系统主要由读写器和RFID卡两部分组成的,如图所示。3.3.1RFID技术模块名称作用组成读写器一般作为计算机终端实现对RFID卡的数据读写和存储控制单元、高频通讯模块和天线RFID卡一种无源的应答器一块集成电路(IC)芯片及其外接天线；RFID芯片通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路（3）RFID的工作原理3.3.1RFID技术（3）RFID应用系统的工作原理RFID卡进入读写器的射频场后,由其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源，同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检测得到数字信号，并将数字信号送入逻辑控制电路进行信息处理；所需回复的信息则从存储器中获取，经由逻辑控制电路送回射频前端电路，最后通过天线发回给读写器。3.3.1RFID技术低频30KHZ-300KHZ中频3MHZ-30MHZ高频300MHZ-3GHZRFID的工作频率读写功能有源/无源调制方式主动式(Activetag)被动式(Activetag)只读卡（RO）一次写入多次读出卡(WORM)可读写写卡(RW)有源RFID标签无源RFID标签（4）RFID技术的分类3.3.1RFID技术（5）RFID技术标准•目前国际制定RFID标准的组织比较著名的有三个，分别是ISO、以美国为首的EPCglobal以及日本的UbiquitousIDCenter•目前常用的RFID国际标准主要有以下几种：3.3.1RFID技术ISO11784和ISO11785ISO10536、ISO15693、ISO14443ISO10374用于对动物识别用于非接触智能卡用于集装箱识别3.3.1RFID技术（6）RFID系统的应用和发展趋势物流：物流过程中的货物追踪，信息自动采集，仓储应用，港口应用，邮政，快递。零售：商品的销售数据实时统计，补货，防盗。制造业：生产数据的实时监控，质量追踪，自动化生产。服装业：自动化生产，仓储管理，品牌管理，单品管理，渠道管理。3.3.1RFID技术（6）RFID系统的应用和发展趋势交通：高速不停车收费，出租车管理，公交车枢纽管理，铁路机车识别等。食品：水果，蔬菜，生鲜，食品等保鲜度管理。动物识别：训养动物，畜牧牲口，宠物等识别管理。图书馆：书店，图书馆，出版社等应用。3.3.2WSN/ZigBee技术（1）什么是ZigBee•WSN是wirelesssensornetwork的简称，即无线传感网络•传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素•无线传感网络内的各个要素通过一个统一的协议进行信息的传输，这个协议就是Zigbee。ZigBee协议传感器观察者感知对象3.3.2WSN/ZigBee技术3.3.2WSN/ZigBee技术（1）什么是ZigBeeZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，也就是说蜜蜂依靠这样的方式传递信息，并构成了群体中的通信网络。3.3.2WSN/ZigBee技术目前超过150多家家成员公司正积极进行ZigBee规格的制定工作。当中包括7位推广委员，半导体生产商、无线技术供应商及代工生产商。7位推广委员分别为：Honeywell，Invensys，Mitsubishi，Freescale，Philips，Samsung，Chipcom，ember。（如下图）3.3.2WSN/ZigBee技术3.3.2WSN/ZigBee技术ZigBeeZigBee数传模块ZigBeeZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信。（2）WSN/ZigBee无线数据传输网络描述3.3.2WSN/ZigBee技术ZigBee是采用数据帧的概念，每个无线帧包括了大量无线包装，包含了大量时间、地址、命令、同步等信息，真正的数据信息只占很少部分，且这正是ZigBee可以实现网络组织管理、实现高可靠传输的关键。同时，ZigBee采用了MAC技术和DSSS（直扩序列调制）技术，能够实现高可靠、大规模网络传输。3.3.2WSN/ZigBee技术（2）WSN/ZigBee无线数据传输网络描述ZigBee定义了两种物理设备类型：全功能设备FFD(FullFunctionDevice)精简功能设备RFD(ReducedFunctionDevice)。3.3.2WSN/ZigBee技术（2）WSN/ZigBee无线数据传输网络描述在交换数据的网络中，有三种典型的设备类型:（i）协调器（ii）路由器（iii）终端设备。一个ZigBee由一个协调器节点、若干个路由器和一些终端设备节点构成。设备类型并不会限制运行在特定设备上的应用类型。3.3.2WSN/ZigBee技术（2）WSN/ZigBee无线数据传输网络描述协调器用于初始化一个ZigBee网络。它是网络中的第一个设备。协调器节点选择一个信道和一个网络标识符（也叫PANID），然后启动一个网络。3.3.2WSN/ZigBee技术（2）WSN/ZigBee无线数据传输网络描述图所示展示了一个示例网络，它具有ZigBee协调器（菱形），路由器（矩形）和终端节点（圆形）。3.3.2WSN/ZigBee技术（2）WSN/ZigBee无线数据传输网络描述与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。3.3.2WSN/ZigBee技术（2）WSN/ZigBee无线数据传输网络描述每个ZigBee网络节点本身可以作为监控对象可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不成单网络的孤立子节点（RFD）无线连接。如图所示为Zigbee模块：3.3.2WSN/ZigBee技术（2）WSN/ZigBee无线数据传输网络描述•下面就是Zigbee模块3.3.2WSN/ZigBee技术（3）ZigBee自身的技术优势低功耗•低功耗•低成本。•低速率。•近距离。•短时延•高容量。•高安全•免执照频段。3.3.2WSN/ZigBee技术（4）ZigBee的应用领域Zigbee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。ZigBee的应用领域下图表示：ZigBee的典型应用3.3.3常见组网技术WIFI技术蓝牙技术GPS技术PLC(电力线通信)技术常见的组网技术现场总线技术3.3.3（1）现场总线技术•现场总线控制系统技术是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术。现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统的可编程逻辑控制器（PLC）和分布式控制系统（DCS）基本结构的革命性变化。•现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。3.3.3（1）现场总线技术基本概念工业现场+一根导线==现场总线传统的接线方式现场总线接线方式3.3.3（1）现场总线技术现场总线的特点现场总线技术实际上是采用