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文檔簡介
初識物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念與發(fā)展歷程1.2物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景與行業(yè)解決方案1.3物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)簡介1.4物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)概述目錄1.5總結(jié)與展望物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings,IoT)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體,是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)。在物聯(lián)網(wǎng)中,所有物品通過信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,相互間進(jìn)行信息交換,以實現(xiàn)平臺層的智能化識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)的概念起源于美國,當(dāng)時物聯(lián)網(wǎng)還被叫作“傳感網(wǎng)”。國際電信聯(lián)盟(InternationalTelecommunicationUnion,ITU)對物聯(lián)網(wǎng)的定義是:通過無線射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備,按約定的協(xié)議,把任何物品通過物聯(lián)網(wǎng)域名相連接,進(jìn)行信息交換和通信,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念。1.1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念1.1.1物聯(lián)網(wǎng)的概念(1)互聯(lián)網(wǎng)特征。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。(2)識別與通信特征。物聯(lián)網(wǎng)的用戶端延伸并擴(kuò)展到了任何物品與物品之間,納入物聯(lián)網(wǎng)的“物”需要具備自動識別與物物通信的功能,實現(xiàn)“物物相息”。(3)智能化特征。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)具有自動化、自我反饋與智能控制的特點。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)特征概括來說主要有以下3個方面。1.1.2物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展歷程1999年美國麻省理工學(xué)院(MIT)Auto-ID中心的阿什頓(Ashton)教授提出了物聯(lián)網(wǎng)的概念。同年,在美國召開的移動計算和網(wǎng)絡(luò)國際會議上,專家學(xué)者們提出“傳感網(wǎng)(物聯(lián)網(wǎng))是下個世紀(jì)人類面臨的又一個發(fā)展機(jī)遇”的理念。2003~2005年2009年2003年,美國《技術(shù)評論》雜志提出傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(物聯(lián)網(wǎng))將是未來改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首。2005年11月17日,在突尼斯舉行的信息社會世界峰會(WorldSummitontheInformationSociety,WSIS)上,再一次提出了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。第二屆中國移動政務(wù)研討會于2008年11月在北京大學(xué)舉辦,會議以“知識社會與創(chuàng)新2.0”為主題,提出移動技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展代表著新一代信息技術(shù)的形成,并帶動經(jīng)濟(jì)社會形態(tài)、創(chuàng)新形態(tài)的變革,推動面向知識社會的以用戶體驗為核心的下一代創(chuàng)新形態(tài)的形成。2009年2月24日,在IBM論壇上,IBM公司大中華區(qū)首席執(zhí)行官錢大群公布了名為“智慧的地球”的最新策略。2009年,物聯(lián)網(wǎng)被我國正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一,寫入《政府工作報告》。2008年如今,中國的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)超越了1999年阿什頓教授和2005年ITU報告所限定的范圍,與時俱進(jìn)的中國式物聯(lián)網(wǎng)已漸漸走向成熟。智慧物流指的是以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)為支撐,在物流的倉儲、運輸、配送等各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)系統(tǒng)感知、全面分析及處理等功能。當(dāng)前,物聯(lián)網(wǎng)在智慧物流領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在倉儲與庫存監(jiān)控、配送管理、物流安全追溯等,形成跨部門、跨區(qū)域、跨行業(yè)的物流公共服務(wù)平臺,提高物流效率,保障其安全和可控。智慧物流概念圖如圖1-1所示。智慧物流通過在物流商品中植入傳感芯片,將感知信息與后臺的地理信息系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)(GIS/GPS)數(shù)據(jù)庫相結(jié)合,形成強(qiáng)大的物流信息網(wǎng)絡(luò)。1.2.1智慧物流圖1-1智慧物流概念圖智能交通是物聯(lián)網(wǎng)的一大重要應(yīng)用場景。它利用信息技術(shù)將人、車和路緊密地結(jié)合起來,改善交通運輸環(huán)境,保障交通安全并提高資源利用率。智能交通具體應(yīng)用領(lǐng)域包括智能公交、共享單車、車聯(lián)網(wǎng)、充電樁監(jiān)測、交通控制與管理及智慧停車等。近年來,車聯(lián)網(wǎng)成為各大整車廠和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的熱門研究領(lǐng)域。車聯(lián)網(wǎng)概念圖如圖1-2所示。1.2.2智能交通圖1-2車聯(lián)網(wǎng)概念圖1.2.2智能交通在智能公交方面:物聯(lián)網(wǎng)與衛(wèi)星定位技術(shù)、移動通信技術(shù)、地理信息系統(tǒng)相結(jié)合,綜合運用網(wǎng)絡(luò)通信及電子控制等手段,集智能運營調(diào)度、電子站牌發(fā)布、智能卡收費、快速公交系統(tǒng)(BRT)管理等于一體,詳細(xì)掌握每輛公交車的實時運行狀況。在交通控制與管理方面:通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與檢測設(shè)備,我們可以在相應(yīng)路段或特殊情況時根據(jù)車流量自動控制紅綠燈的時長,可以提前向車主預(yù)告擁堵路段、推薦最佳行駛路線,提升交通管控的效率,保障通行秩序,還可以自動檢測并報告公路、橋梁的“健康”狀況,避免超載車輛經(jīng)過橋梁。在智慧停車方面:智能化的停車場通過采用超聲波傳感器、攝像感應(yīng)、地感性傳感器、太陽能供電等技術(shù),對停入的車輛進(jìn)行感應(yīng)并傳遞信息,停車智能管理平臺接收到反饋后即顯示當(dāng)前的停車位數(shù)量。以片區(qū)為單位進(jìn)行整合的智能停車系統(tǒng)作為市民的停車向?qū)?,大大縮短了人們找尋車位的時間。1.2.3智能安防相比起傳統(tǒng)安防對人員的依賴性比較大,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能安防在人力資源方面耗費較低。智能安防通過智能設(shè)備對安全情況做出判斷,對社會治安、危險化學(xué)品運輸?shù)冗M(jìn)行監(jiān)控,形成重點區(qū)域和行業(yè)的監(jiān)管平臺,可以提升公共安全管理的信息化水平。智能安防概念示意如圖1-3所示。圖1-3智能安防概念示意智能安防最核心的部分在于智能安防系統(tǒng),一個完整的智能安防系統(tǒng)主要包括三大部分,門禁、報警和監(jiān)控。智能安防系統(tǒng)以視頻監(jiān)控為主,通過成千上萬個覆蓋地面、柵欄和低空探測的傳感節(jié)點,對拍攝的圖像進(jìn)行分析、處理、傳輸與存儲,通過對圖像的處理、識別及與終端間的數(shù)據(jù)傳輸,防止入侵者翻越、偷渡及恐怖襲擊等事件的發(fā)生。1.2.4智能醫(yī)療在智能醫(yī)療領(lǐng)域,新技術(shù)的應(yīng)用必須以人為中心,對人體各項數(shù)據(jù)進(jìn)行全面了解和分析,對病情變化進(jìn)行實時監(jiān)控,而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)則是數(shù)據(jù)獲取與監(jiān)控的一項有效途徑。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器可對人體的臟腑功能和生理狀態(tài)(如心跳頻率、體力消耗、血壓高低等)進(jìn)行監(jiān)測,一般采用可穿戴的醫(yī)療設(shè)備,將檢測到的人體數(shù)據(jù)傳輸、記錄到電子健康文件中,方便個人或醫(yī)生進(jìn)行查閱與監(jiān)控。智能醫(yī)療概念示意如圖1-4所示。圖1-4智能醫(yī)療概念示意以RFID技術(shù)為代表的自動識別技術(shù)在智能醫(yī)療行業(yè)也應(yīng)用廣泛,它可以幫助醫(yī)院實現(xiàn)對病人不間斷的監(jiān)控、會診并共享醫(yī)療記錄。RFID技術(shù)與醫(yī)院信息系統(tǒng)(HIS)及藥品物流系統(tǒng)的融合,是醫(yī)療信息化的必然趨勢,基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能醫(yī)療能有效地幫助醫(yī)院實現(xiàn)對人及物品的智能化管理。1.2.5智慧城市物聯(lián)網(wǎng)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用越來越多,如圖1-5所示,主要體現(xiàn)在智慧建筑,古跡、古樹實時監(jiān)測,數(shù)字圖書館和數(shù)字檔案館,智慧能源等方面。圖1-5物聯(lián)網(wǎng)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用1.2.5智慧城市智慧建筑01OPTION智慧建筑主要體現(xiàn)在用電照明、消防監(jiān)測、智慧電梯、樓宇監(jiān)測及運用于古建筑領(lǐng)域的白蟻監(jiān)測等方面。通過物聯(lián)網(wǎng)和感應(yīng)技術(shù),建筑物內(nèi)照明燈能自動調(diào)節(jié)亮度,實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。設(shè)備對建筑物內(nèi)情況進(jìn)行感知、傳輸并實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,將建筑物的運作狀況通過物聯(lián)網(wǎng)實時傳送至管理者,節(jié)約能源的同時也減少了樓宇的運維成本。古跡、古樹實時監(jiān)測02OPTION在許多城市,通過物聯(lián)網(wǎng)采集古跡、古樹的年代、損毀狀態(tài)及氣候等信息已十分常見。通過對古建筑與自然風(fēng)貌現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控,相關(guān)機(jī)構(gòu)能及時做出分析判斷,采取保護(hù)措施。在旅游文化傳播方面,對古跡的實時監(jiān)測還能建立景區(qū)內(nèi)部的電子導(dǎo)游系統(tǒng),或是將有代表性的景點圖像傳遞到互聯(lián)網(wǎng),在帶給游客們更好的旅游體驗的同時,也可以利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)宣傳地區(qū)的旅游特色,促進(jìn)旅游經(jīng)濟(jì)和文化的發(fā)展。1.2.5智慧城市數(shù)字圖書館和數(shù)字檔案館03OPTION圖書館和檔案館是城市的智慧庫,運營和管理這樣大的數(shù)據(jù)庫是一件煩瑣且極其耗費人力和時間的事情?;谖锫?lián)網(wǎng)的數(shù)字圖書館和檔案館使用RFID設(shè)備,從文獻(xiàn)的分編、加工、流通和典藏到讀者證卡的申辦和管理,原有的條碼、磁條等傳統(tǒng)圖書管理方式已被RFID標(biāo)簽和閱讀器完全取代。將RFID技術(shù)與圖書館數(shù)字化系統(tǒng)相結(jié)合,通過掃描裝置,工作人員能迅速獲取書的類別和位置信息并進(jìn)行分揀,從而實現(xiàn)架位標(biāo)識、文獻(xiàn)定位導(dǎo)航與智能分揀。智慧能源04OPTION物聯(lián)網(wǎng)在智慧能源方面的應(yīng)用主要集中在水能、電能、燃?xì)饽茉吹目刂疲窡?、井蓋、垃圾桶等設(shè)備的控制,以及環(huán)境保護(hù)方面。這些智慧能源方面的應(yīng)用將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與傳統(tǒng)的水、電、光能設(shè)備相連接,通過數(shù)據(jù)的監(jiān)測與傳遞,提升能源利用效率,減少能源的損耗。1.2.6智能家居有別于傳統(tǒng)的家居交互,智能家居并非只是將家庭電子產(chǎn)品簡單連接,而是通過物聯(lián)網(wǎng)將家居與外部服務(wù)連接起來,實現(xiàn)設(shè)備與服務(wù)的交互,旨在使用不同的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和感應(yīng)設(shè)備,提高家居使用的便捷度和效率,提升人們家庭生活的舒適度和安全度。圖1-6物聯(lián)網(wǎng)在智能家居中的應(yīng)用體應(yīng)用場景里,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得業(yè)主能夠?qū)揖宇惍a(chǎn)品的位置、狀態(tài)、變化進(jìn)行監(jiān)測。物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取數(shù)據(jù)后,分析其變化特征并進(jìn)行反饋,根據(jù)人們的需求,對家居進(jìn)行一定程度的管理和控制。智能家居行業(yè)的發(fā)展主要分為3個階段,單品連接、物物聯(lián)動和平臺集成。1.2.7智能零售行業(yè)內(nèi)將零售按照距離分為了3種形式,分別是遠(yuǎn)場零售——以電商為代表;中場零售——以商場、超市為代表;近場零售——以便利店、自動售貨機(jī)為代表。智能零售通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳統(tǒng)的便利店和售貨機(jī)進(jìn)行數(shù)字化改造、升級,打造成無人零售模式?;谖锫?lián)網(wǎng)的智能零售行業(yè)也可以對食品安全進(jìn)行把控。人們用RFID電子標(biāo)簽取代零售業(yè)的傳統(tǒng)條碼(Barcode),使物品識別的穿透性(主要指穿透金屬和液體)、距離限制及商品防盜、跟蹤系統(tǒng)得到極大的改進(jìn)。1.2.8智慧農(nóng)業(yè)智慧農(nóng)業(yè)指的是利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)的深度融合,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精細(xì)化管理,主要表現(xiàn)在農(nóng)業(yè)種植和畜牧養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全管理與產(chǎn)品溯源等方面,尤其是在農(nóng)業(yè)種植和畜牧養(yǎng)殖方面。物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用如圖1-7所示。圖1-7物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用農(nóng)業(yè)種植人員通過傳感器、攝像頭和衛(wèi)星等收集數(shù)據(jù),實現(xiàn)農(nóng)作物數(shù)字化和機(jī)械裝備數(shù)字化(主要指的是農(nóng)機(jī)車聯(lián)網(wǎng))發(fā)展。畜牧養(yǎng)殖人員利用傳統(tǒng)的耳標(biāo)、可穿戴設(shè)備及攝像頭等收集畜禽的數(shù)據(jù),通過對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,運用算法判斷畜禽健康狀況、喂養(yǎng)情況,進(jìn)行產(chǎn)值預(yù)測,對養(yǎng)殖過程進(jìn)行精準(zhǔn)化管理。1.3.1有線通信技術(shù)以太網(wǎng)(Ethernet,ETH)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),包括標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)和萬兆以太網(wǎng)。以太網(wǎng)絡(luò)使用CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問及沖突檢測)技術(shù),用于支持以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的智能終端的連接使用。以太網(wǎng)(Ethernet)01OPTION以太網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE(電氣電子工程師學(xué)會)的IEEE802.3規(guī)定,包括物理層的連線、電子信號和介質(zhì)訪問層協(xié)議的內(nèi)容。以太網(wǎng)使用雙絞線作為傳輸媒介,沒有中繼,最遠(yuǎn)可以覆蓋200米的范圍。最普及的以太網(wǎng)類型數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbit/s,更新的標(biāo)準(zhǔn)則支持1Gbit/s和10Gbit/s的傳輸速率。以太網(wǎng)技術(shù)是目前應(yīng)用最普遍的局域網(wǎng)技術(shù),已經(jīng)逐步取代了其他局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),如令牌環(huán)、FDDI(光纖分布式數(shù)據(jù)接口)和ARCNET令牌總線等。1.3.1有線通信技術(shù)戶用儀表總線(MeterBus,M-Bus)由德國帕德博恩(Paderborn)大學(xué)的霍斯特·齊格勒(HorstZiegler)博士與TI(德州儀器)公司共同提出,是一種用于非電力戶用儀表傳輸?shù)臍W洲總線標(biāo)準(zhǔn),是現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)常用的規(guī)模通信方式。戶用儀表總線(M-Bus)02OPTION概念組成M-Bus總線的概念基于OSI(開放式系統(tǒng)互聯(lián))參考模型,但是M-Bus又不是真正意義上的一種網(wǎng)絡(luò)。M-Bus是一個層次化的系統(tǒng),由一個主設(shè)備、若干從設(shè)備和一對連接線纜組成,所有從設(shè)備并行連接在總線上,由主設(shè)備控制總線上的所有串行通信進(jìn)程。優(yōu)點M-Bus串行通信方式的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其具有良好的抗外部干擾性,且組網(wǎng)成本較低,支持長距離傳輸。應(yīng)用用于遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、建筑物和工業(yè)能源消耗數(shù)據(jù)采集以及家庭電子系統(tǒng)中。1.3.1有線通信技術(shù)電力線通信(PowerLineCommunication,PLC)全稱是電力線載波(PowerLineCarrier)通信,它是指利用高壓電力線(電壓等級在35kV及以上)、中壓電力線(電壓等級10kV)或低壓配電線(380/220V用戶線)作為信息傳輸媒介進(jìn)行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。電力線通信(PLC)03OPTION該技術(shù)是把載有信息的高頻信號加載于電流,然后用電線傳輸,接收信息的適配器再把高頻信號從電流中分離出來并傳送到計算機(jī)或電話以實現(xiàn)信息傳遞。PLC正在向大容量、高速率方向發(fā)展,同時轉(zhuǎn)向采用低壓配電網(wǎng)進(jìn)行載波通信,實現(xiàn)家庭用戶利用電力線打電話、上網(wǎng)等多種業(yè)務(wù)。從占用頻率帶寬的角度,PLC可分為窄帶PLC和寬帶PLC。窄帶PLC的載波頻率范圍,在不同國家、不同地區(qū)是不一樣的,美國為50~450kHz,中國為40~500kHz。寬帶PLC的載波頻率范圍,美國為4~500kHz,主要用于戶內(nèi);歐洲為1.6~10MHz和10~30MHz。PLC在新式信息家電中應(yīng)用廣泛,應(yīng)用形式多種多樣。PLC不僅可以將電表的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)網(wǎng)關(guān)上,同時還可以作為家庭網(wǎng)絡(luò)來使用。PLC非常便于在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理設(shè)備(如個人計算機(jī)等)與計算機(jī)外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)。此外,PLC也可用于信息家電與計算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。1.3.1有線通信技術(shù)通用串行總線(UniversalSerialBus,USB)是一個外部總線標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用在個人計算機(jī)(PC)領(lǐng)域的接口技術(shù)中,用于規(guī)范計算機(jī)與外部設(shè)備的連接和通信。USB采用四線電纜,其中兩根是用來傳送數(shù)據(jù)的串行通道,另外兩根為下游設(shè)備提供電源,對于任何已經(jīng)成功連接且相互識別的外設(shè),將以雙方設(shè)備均能夠支持的最高速率傳輸數(shù)據(jù)。USB總線會根據(jù)外設(shè)情況在所兼容的傳輸模式中自動地由高速向低速動態(tài)轉(zhuǎn)換并匹配鎖定在合適的速率。USB接口理論上最多可支持127個裝置。此外,USB的另一個顯著優(yōu)點是支持熱插拔(帶電插拔),實現(xiàn)真正的安全的即插即用。現(xiàn)今最新的USB規(guī)范是由英特爾等公司發(fā)起的USB3.0——也被認(rèn)為是超高速USB。從鍵盤到高吞吐量磁盤驅(qū)動器,各種器件都能夠采用這種低成本接口進(jìn)行平穩(wěn)運行的即插即用連接。新的USB3.0在保持與USB2.0的兼容性的同時,能夠使主機(jī)更快地識別器件,極大提高了傳輸帶寬——理論最高達(dá)5Gbit/s全雙工,實現(xiàn)了更好的電源管理和更高的數(shù)據(jù)處理效率。通用串行總線(USB)04OPTION1.3.1有線通信技術(shù)RS-232是個人計算機(jī)上的通信接口之一,是由電子工業(yè)協(xié)會(ElectronicIndustriesAssociation,EIA)制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。RS-232接口是目前最常用的一種串行通信接口。一般個人計算機(jī)上會有兩組RS-232接口,分別以DB-9(9個引腳)和DB-25(25個引腳)的形態(tài)出現(xiàn),分別稱為COM1和COM2。RS-232與RS-485的區(qū)別主要在于以下幾個方面。RS-232和RS-48505OPTION(1)在傳輸方式上:RS-232采用不平衡傳輸,即所謂的單端通信;而RS-485則采用平衡傳輸,即差分傳輸方式。(2)在傳輸距離上:RS-232適合本地設(shè)備間的通信,傳輸距離一般小于20米;而RS-485的傳輸距離可高達(dá)上千米。(3)在通信對象上:RS-232只允許一對一通信,而RS-485在總線上允許連接多達(dá)128個收發(fā)器。1.3.2無線通信技術(shù)傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)主要有蜂窩移動通信技術(shù)(包括第二、三、四代移動通信技術(shù)等)和短距無線通信技術(shù)(包括Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙、紫蜂網(wǎng)絡(luò)、Z-Wave無線網(wǎng)絡(luò)等)。主流無線通信技術(shù)的簡要對比見表。技術(shù)名稱頻段傳輸速率典型距離發(fā)射功率典型應(yīng)用藍(lán)牙2.4GHz1~24Mbit/s1~100m1~100mW鼠標(biāo)、無線耳機(jī)、手機(jī)、電腦等鄰近點數(shù)據(jù)交換Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)2.4GHz5GHz11b:11Mbit/s11g:54Mbit/s11n:600Mbit/s11ac:1Gbit/s50~100m終端36mW,AP320mW無線局域網(wǎng)、家庭、室內(nèi)場所高速上網(wǎng)紫蜂網(wǎng)絡(luò)868MHz/915MHz,2.4GHz868MHz:20Kbit/s915MHz:40Kbit/s2.4GHz:250Kbit/s2.4GHz頻段:10~100m1~100mW家庭自動化、樓宇自動化、遠(yuǎn)程控制Z-Ware無線網(wǎng)絡(luò)868.42MHZz(歐洲)908.42MHz(美國)9.6Kbit/s或40Kbit/s30m(室內(nèi))~100m(室外)1mW智能家居、監(jiān)控和控制SigFox網(wǎng)絡(luò)Sub-G免授權(quán)頻段100bit/s1~50km<100mW智慧家庭、智能電表、移動醫(yī)療、遠(yuǎn)程監(jiān)控、零售遠(yuǎn)距離無線電Sub-G免授權(quán)頻段0.3~50Kbit/s1~20km<100mW智慧農(nóng)業(yè)、智能建筑、物流追蹤窄帶物聯(lián)網(wǎng)Sub-G授權(quán)頻段<100Kbit/s1~20km<100mW水表、停車、寵物追蹤、垃圾桶、煙霧報警、零售終端1.3.2無線通信技術(shù)蜂窩移動通信(CellularMobileCommunication)采用蜂窩無線組網(wǎng)方式,將終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過無線通道連接起來,進(jìn)而實現(xiàn)用戶在活動中的相互通信。由于構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)覆蓋的各通信基地臺的信號覆蓋呈六邊形,整個網(wǎng)絡(luò)像一個蜂窩,蜂窩移動通信因而得名,如圖1-8所示。其主要特征是終端的移動性,以及越區(qū)切換和跨本地網(wǎng)自動漫游功能。蜂窩網(wǎng)絡(luò)的組成主要有3部分:移動站、基站子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。生活中常見的2G、3G、4G中的G是Genneration,2G、3G、4G分別指第二、三、四代移動通信技術(shù)。蜂窩移動通信技術(shù)01OPTION圖1-8蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1.3.2無線通信技術(shù)Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)是一個創(chuàng)建于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù),通常使用2.4G特高頻(UHF)或5G超高頻(SHF)ISM射頻頻段(國際電信聯(lián)盟定義的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療頻段),是當(dāng)今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)02OPTION圖1-9Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)無線局域網(wǎng)通常是有密碼保護(hù)的,但也可是開放的。Wi-Fi最主要的優(yōu)勢在于不需要布線,因此覆蓋范圍廣,非常適合移動辦公用戶的需要。無線通信質(zhì)量不是很好,傳輸安全性和穩(wěn)定性較差,但傳輸速率非常高,符合社會和人們信息化的需求。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1-9所示,Wi-Fi由主集中器通過中繼和熱點(AP)將信號發(fā)送到終端設(shè)備上。1.3.2無線通信技術(shù)藍(lán)牙(Bluetooth)是一種大容量、近距離的無線數(shù)字通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),使用2.4~2.485GHz的ISM頻段的UHF無線電波,實現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙(Bluetooth)03OPTION藍(lán)牙的最高數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s、傳輸距離為10cm~10m,通過增加發(fā)射功率,傳輸距離可達(dá)到100m。藍(lán)牙支持設(shè)備短距離(一般在10m內(nèi))通信,能在包括手機(jī)、平板電腦、無線耳機(jī)、筆記本電腦及相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。藍(lán)牙技術(shù)能夠有效地簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信,也能夠成功地簡化設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信,從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效,為無線通信拓寬道路。藍(lán)牙的優(yōu)點是速率快、功耗低、安全性高;缺點是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點少,不適合多點布控。1.3.2無線通信技術(shù)紫蜂網(wǎng)絡(luò)(ZigBee)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250Kbit/s、20Kbit/s和40Kbit/s的傳輸速率。其名稱來源于蜂群的通信方式——蜜蜂之間通過跳Z字形的舞蹈來交流共享花粉源的方向、位置和距離等信息。紫蜂網(wǎng)絡(luò)(ZigBee)04OPTION如右圖所示,ZigBee網(wǎng)絡(luò)由服務(wù)器通過主集中器向各類設(shè)備發(fā)送信號。ZigBee是一種高可靠、短距離、自組織、低功耗、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)傳輸速率的雙向無線通信技術(shù),在功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但當(dāng)有物體阻擋時,ZigBee信號衰減嚴(yán)重,且不同ZigBee芯片間兼容性較差,不易維護(hù)。ZigBee廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域。1.3.2無線通信技術(shù)Z-Wave無線網(wǎng)絡(luò)是一種新興的基于射頻的、低成本、低功耗、短距離、高可靠、結(jié)構(gòu)簡單的無線通信技術(shù)。其工作頻段為908.42MHz(美國)和868.42MHz(歐洲),數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6Kbit/s,信號的有效覆蓋范圍為室內(nèi)30m,室外可超過100m,適合于窄寬帶應(yīng)用場合。但是Z-Wave傳輸速率較低,芯片只能通過西格瑪設(shè)計公司這唯一來源獲取。Z-Wave無線網(wǎng)絡(luò)05OPTIONZ-Wave網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)構(gòu)如右圖所示,Z-Wave同樣由服務(wù)器通過主集中器向各類設(shè)備發(fā)送信號。相對于其他無線通信技術(shù),Z-Wave針對窄帶應(yīng)用并采用創(chuàng)新的軟件解決方案使其擁有較遠(yuǎn)的傳輸距離、較低的傳輸頻率和較小的功耗成本。目前該技術(shù)主要用于住宅、商業(yè)控制及狀態(tài)讀取,如遠(yuǎn)程抄表、照明及家電控制、接入控制、防盜及火災(zāi)檢測等。1.3.2無線通信技術(shù)SigFox網(wǎng)絡(luò)利用了超窄帶(UNB)技術(shù),傳輸功耗水平非常低,且仍能維持穩(wěn)定的數(shù)據(jù)連接。這一協(xié)議最早由法國企業(yè)家盧多維克·勒莫昂(LudovicLeMoan)提出,旨在打造低功耗、低成本的無線物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)。SigFox網(wǎng)絡(luò)06OPTIONSigFox網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂锌蓴U(kuò)展、高容量的特點,具有非常低的能源消耗,同時保持簡單和易于部署的基于星形單元的基礎(chǔ)設(shè)施。SigFox網(wǎng)絡(luò)性能特征保持在每天每臺設(shè)備140條消息,每條消息消耗12字節(jié)(96bit),無線吞吐量達(dá)100bit/s。SigFox無線鏈路使用免授權(quán)Sub-G的ISM射頻頻段,頻率根據(jù)國家法規(guī)有所不同,在歐洲是868MHz,在美國是915MHz。SigFox也是商用化較快的一個網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。目前,SigFox的網(wǎng)絡(luò)覆蓋法國、西班牙、荷蘭和英國的10多個大城市。1.3.2無線通信技術(shù)遠(yuǎn)距離無線電(LongRangeRadio,LoRa)是一個基于開源的MAC層協(xié)議的低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)通信技術(shù)中的一種,是美國升特(Semtech)公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。目前,LoRa主要在全球免費頻段運行。LoRa技術(shù)主要有以下幾個特點:長距離(1~20km),萬級乃至百萬級的節(jié)點數(shù),近十年的電池壽命,0.3~50Kbit/s數(shù)據(jù)速率,工作頻率為ISM頻段(包括433MHz、868MHz、915MHz等),AES128安全加密。目前已有美國、法國、德國、澳大利亞等17個國家公開宣布LoRa建網(wǎng)計劃,120多個城市和地區(qū)有正在運行的LoRa網(wǎng)絡(luò),荷蘭、瑞士、韓國等國家更是計劃部署覆蓋全國的LoRa網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)距離無線電(LoRa)07OPTION1.3.2無線通信技術(shù)窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NarrowBandInternetofThings,NB-IoT)是目前LPWAN領(lǐng)域最受關(guān)注的一項技術(shù)。NB-IoT基于蜂窩網(wǎng)絡(luò),可直接部署于GSM(全球移動通信系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)、UMTS(通用移動通信系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)或LTE(長期演進(jìn))網(wǎng)絡(luò),以降低部署成本,實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT只消耗大約180kHz的帶寬,使用授權(quán)頻段的部署方式,可與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存。其特點如下:窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)08OPTION(1)廣覆蓋。(2)具備支撐連接的能力。(4)更低的模塊成本。(3)更低功耗。1.4物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)概述圖1-12物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)1.4.1感知層感知層簡介01OPTION感知層也叫“感知識別層”,主要負(fù)責(zé)信息采集和信號處理。通過感知識別技術(shù),讓物品“開口說話、發(fā)布信息”,這是物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于其他網(wǎng)絡(luò)的最獨特部分。感知層位于物聯(lián)網(wǎng)三層模型的底端,是所有上層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),是聯(lián)系物理世界與信息世界的重要紐帶,是物聯(lián)網(wǎng)的核心。由于感知層需要感知的地理范圍和空間范圍比較大,包含的信息也比較多,該層中的設(shè)備需要通過自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以協(xié)同工作的方式組成一個自組織的多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。因此,感知層是由大量的具有感知、通信、識別能力的智能物體與感知網(wǎng)絡(luò)組成的。1.4.1感知層感知層關(guān)鍵技術(shù)02OPTION無線射頻識別技術(shù):又稱電子標(biāo)簽,是利用無線射頻信號空間耦合方式,實現(xiàn)無接觸的標(biāo)簽信息自動傳輸與識別的技術(shù),可快速地進(jìn)行物品追蹤和數(shù)據(jù)交換。RFID是一種簡單的無線系統(tǒng),包括兩個核心部分:讀寫器(Reader)和電子標(biāo)簽(TAG,也稱射頻卡、應(yīng)答器)。RFID電子標(biāo)簽是系統(tǒng)主要部件,由耦合元件和芯片組成,用于存儲數(shù)據(jù)信息。二維碼技術(shù):二維碼技術(shù)作為一種信息交換、傳遞的介質(zhì),不但在質(zhì)的方面使物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用水平得以提升,在量的方面也拓寬了信息傳遞的領(lǐng)域。二維碼具有高密度、高容量、糾錯強(qiáng)和成本低等特點,不依賴網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫,因此也頗受廠商的關(guān)注。ZigBee技術(shù):是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。ZigBee價格相對昂貴,其協(xié)議占帶寬的開銷量,因此對信道帶寬要求較高。在技術(shù)實現(xiàn)方面,ZigBee協(xié)議開發(fā)難度很大,大多數(shù)ZigBee協(xié)議還沒開源,各家廠商通信協(xié)議互不兼容,極大地阻礙了設(shè)備的統(tǒng)一1.4.1感知層傳感器技術(shù)03OPTION傳感器是指能感受規(guī)定的被測量,并按照一定的規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或者裝置。國內(nèi)主流傳感器包括汽車傳感器、儀器儀表傳感器、壓力傳感器等。這些傳感器被廣泛應(yīng)用于航天、航空、國防科技、醫(yī)療設(shè)備及工農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域。較常見的是按被測量分類,如壓力、溫度、光電、濕度等。隨著市場對智能設(shè)備的需求不斷上升,傳感器技術(shù)已成21世紀(jì)最具有影響力的高新技術(shù)之一。但我國在傳感器發(fā)展方面也暴露出許多的問題,比如我國傳感器行業(yè)整體缺乏創(chuàng)新的基礎(chǔ),目前全球主流傳感器技術(shù)仍掌握在國外企業(yè)手中。1.4.2網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)
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