物联网与交互式智能电子标签演讲稿201005

物联网与互动式智能电子标签分别在2010年5月IEEE有源电子标签国际标准工作组会议（16-19日）中国-欧盟物联网专家小组会议（20-21日）及ISO/WG4国际标准会议（26日）的发言2010.5前言•物联网正在进入我们的生活,它给我们带来的冲击将远远大于今天的互联网!•如果说互联网是以人操作的计算机之间的网络连接为其特征的话,物联网则是以人操作的计算机与连接“物”的简单微型计算机(单片机)之间的无线连接为特征.而且这种连接必须是低成本,低功耗,远距离和双向的!网络连接人与人间的信息交换互联网物网络数据库数据采集和控制指令无线连接身份信息位置信息状态信息单片机物联网低成本,超低功耗,高度集成&远距离,低数据率什么是物联网•物联网是互联网向世界每个细节的延伸。•它不是一个单一性质的网络，它是采集，传输和处理各种与“物”有关信息的手段的总和。物联网需要面对如下问题“你是谁”--身份识别和认证“你在哪里”--位置信息“你的状态如何”--状态信息“请执行XX指令动作”--指令信息物联网应该包括•识别信息需要：条码，RFID等•位置信息需要：识别+定位•状态信息需要：各种传感器•信息传输需要：局域网+公网•信息处理需要：计算机，超级计算机等•它是一个连接包括超级计算机，公网，局域网，手机，PC,传感器，条码标签，RFID标签等在内的一个“泛在网”。发展物联网存在的问题•物联网已经存在---各种超级计算机，各种公网，各种局域网，各种传感器，以及各种识别手段都已经存在，最多不过是升级和改进而已！遥控遥测等•没能快速发展的关键问题在哪里？---缺少一个低成本，低功耗，远距离无线局域网。Zigbee网络，WIFI,移动手机等都不行!•如何解决？---有源电子标签就是工程师们的希望所在！有源电子标签是解决问题的希望收发芯片+单片机有源电子标签物互联网数据库数据采集和控制指令无线连接身份信息位置信息状态信息单片机物联网工程师们寄希望于有源电子标签IEEE802.15.4f国际标准工作组根据市场需要认为:有源电子标签不应该仅仅是识别,还应该承担更多的工作,他们将这些想法写入在立项报告中,并要求大家提供能够满足这些要求的国际标准提案！IEEE802.15.4f有源电子标签国际标准制定组在立项报告申称:“全球范围内存在对除了识别以外,还能满足如下要求的有源电子标签国际标准的急迫需要:要求--超低功耗---低工作占空比--低发射功率--能实现单向和双向通信--海量标签读写能力---上千数量的标签--可实现读写器与特定标签的通信，以及标签与标签之间的通信--点对多点通信能力--精确定位功能要求(续)--连接传感器的功能--认证功能--100m读写距离--全球通用频段--带宽小于3MHz--能与频段内现存系统共存而互不干扰物联网和有源电子标签•除了需要有更远通信距离外,IEEE802.15.4f标准工作组前述来自市场的对有源电子标签的要求,与物联网中公网以下对局域网通信的要求基本一致!•IEEE提到的这个市场的需求实际上就是当今物联网的需求!•如何让有源电子标签能够满足这些要求是物联网得以真正建立和推广的关键!现有有源电子标签存在的问题IEEE802.15.4f国际标准制定组在立项报告中说:“当今绝大多数有源电子标签为了省电的目的,采用的都是单一向外发射信号工作的方式,其唯一的目的就是识别和定位,而没有考虑大数量标签存在时出现的信号拥堵问题。有源标签应该具在超低功耗的情况下,实现双向通信的能力,远距离通信能力,以及处理海量标签的能力。”“然而,现在还没有一家公司的国际标准提案能够满足这些要求!”这是一个挑战！互动式智能电子标签•为了满足物联网实际应用的需要，经过六年多的实践和努力,我们创造出了一种新的互动式智能电子标签技术---RFID。•RFID与现有有源电子标签在结构上完全相同,只是工作方法不一样而已，因而成本低。•现有有源电子标签采用的工作方式是：“TagTalkFirst”（标签先发起通信),而RFID采用的是：“ReaderTalkFirst”(读写器先发起通信)的方式。如果物联网中与各种“物”相连接的成千上万的标签都不断地向外发射信号，这显然是不能容忍的！RFID主要工作指标•频率范围：2.4G～2.4835GHzISM•带宽:1MHz，•调制方式:GFSK，•收发转换时间:30µs•速率:1Mbps•扩频DSSS码片数可调(最大扩频通信速率250kbps)•发射功率:-20dBm–10dBm(upto20dBm)•非对称双向通信•多通道协同工作方式•非固定时隙突发方式•支持现场空中加载RFID系统示意图电子标签阅读器协调器控制计算机对话信道协调信道空中接口设备接口应用程序应用接口协调器可以独立工作电子标签阅读器阅读器设备接口对话信道指令集电子标签协调器阅读器对话信道协调信道协调信道2.4GDSSS信号控制计算机中间件应用程序应用接口系统广播指令系统点播指令RFID是如何工作的根据不同具体应用的需要,RFID中的单片机预先写入了不同的简单程序,例如实时定位程序,传感器数据采集程序,识别和认证程序,甚至Zigbee协议程序等。所有程序都以编号代表,相应的工作参数也以数字编号表示。这样一个简单的指令信号就可以使RFID按照预先设计的要求来执行动作。RFID系统工作示意图RFID有两种基本状态*周期性睡眠苏醒后监听信号瞬间状态(PSL)*短暂的工作状态(TW)PSL状态:只有内部看门狗时钟在工作内部时钟周期性的启动收发机醒来一瞬间(一般为100us左右)监听是否有可能需要接收的信号,(根据RSSI信号强度值是否超过预先设定的值来判断)TW状态：是一个高耗能的临时状态。它可以是发射状态或接收状态，也可以是与读写器对话的状态，甚至是短时间内运行Zigbee程序的状态。这样RFID就变得非常灵活，因而可以满足许多不同应用的需要。时间轴图4PSL状态延时接收f1延时接收完信号连续不间断重复发射工作指令信号包指令信号指令信号指令信号指令信号协调器RFID硬件判断延时接收软件判断延时接收f1硬件过滤终止接收常规监听时间如何进入TW假如在PSL期间,RFID监听到的RSSI信号大于预先设定的限值,RFID将继续接收更多的信息，以作进一步判断，如果判断是无效信号包则将立即丢弃并回到PSL状态，否则RFID将继续接收完整个数据包，并根据数据信号包的指令启动TW程序。如果RSSI小于预先设定的限值，RFID将立即停止监听回到PSL的状态。超低功耗•假如RFID每隔2秒钟醒来监听RSSI信号100us,而RFID真正处于工作状态的时间非常有限，例如每天工作十次，每次工作100毫秒，其所消耗的电流可以略去不及。•加上其它消耗，对大多数应用来讲RFID的工作占空比将小于1/10000高度的安全性由于RFID只在需要它工作的地方和工作的时刻工作，且仅只工作非常短的一段时间（一般不到0.1秒），而在任何其他地方和其他时间都不发射任何信号，同时，唤醒信号还可以使用密码来加以保护，这样通信信号将得到很好的保护，因而保密性非常好。可迅速启动RFID的程序动作由于PSL状态功耗非常低，因而可以将睡眠苏醒周期缩短，例如0.5秒或更短，这样，一当需要，RFID可以迅速启动并进入需要的工作状态，而同时维持非常低的工作电流。按需工作在需要RFID工作时，RFID系统可通过地感线圈或红外来进行触发，使协调器在一段短的时间，例如2秒钟，连续不间断地向RFID发射唤醒工作指令。这样就可以保证RFID标签在苏醒后的瞬间，可以接收到指令信号并启动相应的动作程序，并在结束动作后迅速回到PSL休眠状态。读写器f2TRFIDf1f1f1PSL状态回到PSLf1预先写入的程序f1协调器按需工作地感线圈等激发协调器通信距离距离可自动调整•不同于现有的有源电子标签，采用固定发射功率来发射信号，RFID可以随时根据指令信号，采用不同的发射功率和接收灵敏度来工作。•因而可以根据实际工作需要，来对标签信号覆盖范围加以控制,自动调整通信距离范围（1cm---1000m)，从而满足各种应用的不同需要。非常简短的唤醒指令信号除了使用数字编号来代表不同程序和对应的工作参数赋值外，唤醒指令信号还可以是非常简单某种信号，其代表一个预先定义的动作指令。例如RSSIorACK都可以.一当RFID接收到一个指令信号，它将迅速跳转到另外一个频道上发射信号或与读写器进行对话等，这就避免了信道冲突。RFID完成任务后，便立即转回到PSL的监听频道上。远距离通信并不影响RFID功耗通过增加LNA&PA(20dBm),RFID的通信距离可以增加到1500米以上（0dB增益天线）由于非常有限的发射时间所消耗的电能，基本上对电池的寿命没有多大的影响，（除开占空比较大的应用）因而，远距离RFID与近距离RFID在电池的使用寿命上并没有多大差别！RFID如何实现精确定位预先在RFID写入了精确定位程序，当特定的RFID标签接收到定位指令信号后，它将在大小不同的发射功率档上分别发射一定数量的数据包，例如每档功率10个包，利用消除误差的多种方法，分析位于不同位置的读写器接收到的临界发射功率和误码率的情况，RFID的准确位置就可以确定了。在单个读写器的情况下，可以使用定向天线和极坐标的方式来定位。这种方法还可以自动适应大小不同的定位环境。通过结合Ceel-ID的定位方法，RFID在有效地满足实际应用定位要求的同时，仍然能够维持非常低的功耗。“TagTalkFirst”状态•一个简单的动作指令就可以让RFID在需要的时间段内执行一般RFID周期性连续发射信号的要求，以满足某些传感器信息采集的需要。•然而，即使标签处于这种周期性向外发射信号的状态，系统仍然可以通过安排在每次发射后，或多次发射后的一段非常短的监听时间，接收指令更改RFID的工作状态，例如发射周期，发射持续时间等。RFID如何处理海量标签•面对大数量的标签的读写，一个简单的指令就可以让标签自动按照自身ID号末尾一位数字的差别，跳转到不同的频道上，与工作在对应频道上的一个或多个读写器进行通信。具体使用读写器的多少完全根据实际需要来确定。•同样一个简单的指令，就可以让已经发生碰撞的标签根据自身ID号末尾几位数字的差异,采用不同的延时来发射信号以避开再次碰撞协调器连续重复发射短信息收到信息号使用频道2返还信息双号RFIDf1f3读写器2f2时间轴f3RFID的频分读写的方式重复短信息f1f2f1收到信息号后使用频道3立即返还信息单号RFID读写器1协调器连续重复发射短信息收到信息号后延时△t1返还信息RFIDbf1f1读写器f2时间轴f2RFID时分发射方式重复短信息f1f2△t1f2收到信息号后立即返还信息RFIDa测试结果我们初步测试结果表明，一个读写器可以在2秒钟内完成对100个具有完全随机ID编号，且发射信号包长度为20个字节的RFID标签的读取，而不会漏掉一个标签。我们相信这个时间还可以更短一些！使用RFID技术的案例•六年的应用实践经验•上海成山路亚洲最大公交车停车场的智能化管理，包括定位导航和加油管理•北京城市供暖温度采集系统•XX市无线单灯控制系统•银行金库人员进出及定位管理•哈尔滨车辆站场车辆自动调度系统•枪支自动管理系统•河南高速公路车辆路径跟踪识别系统•………RFID的优越性及更多的应用•超远距离通信能力•灵活的工作适应性•低成本•高度集成的简单结构•超低功耗•在低功耗下的前提下同时兼顾识别和定位的两种功能•传感器数据的采集和控制指令下达的功能•高度的安全性•快速响应能力•非常简单的无线信号工作指令•标签占用信道的时间非常短，是唯一能满足物联网大规模应用需要的无线通信方式应用领域•智能交通•智能城市•工业自动化和家庭智能化•无限远距离抄表•传感器数据采集和传输•物流•遥控遥测•………智能交通应用1.中心城区拥堵费自动记录收取2．城市特殊车辆的跟踪监控（公交车，出租车，救护车，运渣车等）3．自动导航4．跟踪丢失车辆5．交通流量统计6．利用自动记录的车辆行驶数据，用于事故及