【优质文档】物联网大作业.pdf
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1、物联网四班大作业 班级:02121427 姓名:董国庆 学号: 0121427 关于物联网技术在智能家居、 汽车制造业采购物流及无线环境检测的应用 一、物联网概述 1、物联网的定义: 物联网的概念最早是在1999 年被提出的 ,它的英文名是Internet of Things(IOT), 也称为 WebofThings 。2005 年,在突尼斯举行的信息社会世界峰会上,国际电信联盟在于突尼斯举行 的信息社会世界峰会上,发布了 ITU 互联网报告2005:物联网 ,正式提出了“物联网”的概 念。博欣将物联网定义为通过各种信息传感设备、装置和技术,实时采集所有需要监控、连 接、互动的物体和过程,采
2、集其光、声、热、电、力学、生物、化学、位置等各种人们需要 的信息 ,再结合互联网形成一个巨大的网络,以实现物体与物体,物体与人、 物品与网络之间的 连接 ,方便识别、管理和控制。 2、物联网网络结构 目前一般讲物联网网络架构分为三个层次,分别为感知层、网络层和应用层。其结构如 图所示。 物联网网络架构 感知层的主要作用是完成数据的釆集,包括传感器和短距离传输M 络两个部分。传感器 部分实现了对数据的采集,而短距离传输网络负责将传感器釆集到的数据传输到网关。 网络层的主要作用是传递信息,它是基于现有的通信网络和互联网建立的,包括接入单元 和接入网络两个组成部分。接入单元负责接收感知层发送过来的数
3、据,并将数据传输至接入 网络。接入网络即为现有的各种通信网络,包括有线电话网、移动通信网等。用户通过接入 网络将数据传入互联网。 应用层的主要作用是对数据进行管理和处理,并与物联网的各种应用相结合。物联网应 用层包括中间件和物联网应用两个部分。中间件是一个独立的软件或服务程序,用于将一些 公用能力统一封装以提高应用的发效率。 物联网应用即各种供用户使用的应用,如家庭安防 等。 3、物联网国内外发展现状: 自物联网的概念问世以来,物联网已经得到了很大的发展,被应用于交通、物流、电力、 工业等很多领域。 目前美欧及日韩等发达国家在物联网应用的广度和深度等方面处于领先地 位。 在国内 ,物联网的应用
4、总体还处于发展初期,虽然国内开展了一系列物联网有关的项目, 在电力、医疗卫生、公共服务等领域取得了一些进展,但总体来说 ,国内物联网技术跟发达国 家相比还有很大差距。 二、智能家居: 1、简介: 现代智能家居系统一般可以分为内网、外网和网关三部分。其中内网是负责连接各种家 电和其他设施的局域网,外网一般是小区局域网,Internet 等,功能是实现远距离传输,网关的作 用是连接内网和外网,实现外网对内网的控制。智能家居系统结构如图所示。 智能家居系统结构图 智能家居发展大致经历了4 代。第一代主要是基于同轴线、两芯线进行家庭组网,实现 灯光、窗帘控制和少量安防等功能。第二代主要基于RS-485
5、 线,部分基于IP 技术进行组网, 实现可视对讲、安防等功能。第三代实现了家庭智能控制的集中化,控制主机产生,业务包括 安防、控制、计量等业务。第四代基于全IP 技术 ,末端设备基于Zigbee 等技术 ,智能家居业 务采用“云”技术,并可根据用户需求实现定制化、个性化。这与物联网的兴起密不可分。 目前智能家居系统的功能主要由以下几个方面: 家电智能控制:对家电进行自动控制,如根据室内温度自动关空调或调解空调的工作状 态。 灯光智能控制:根据室内的光线强度自动调节照明设备的开关或照明强度。以保持室内 光线在合适的亮度。 家庭智能安防功能:目前家庭安防系统的主要功能是监控火警、煤气泄漏和非法闯入
6、等。 一旦出现以上情况,安防系统将有助于事件得到紧急处理以降低损失。 几种短距离通信技术的比较 在智能家居系统中,所有节点都在一所住宅之内,节点与节点之间的距离一般在十几米之 内,最多不会超过数十米,节点与节点之间通信的时候只需传递很少量的信息,所以对系统的 传输距离、资源大小和带宽没有太多的要求,但是对网络大小有一定的要求。此外,节点一般 以电池供电 ,节点的功耗以及电池的使用寿命是我们关注的对象。 通过对表中各种无线网络对比可知,ZigBee 工作时功耗低,电池的使用寿命长,适用于低 数据量的传输 ,且它的 1 米到 100 米左右的传输距离对于一般的智能家居系统来说已经足够, 是搭建智能
7、家居系统的理想网络。因此,本文选择基于ZigBee 来设计简单的智能家居系统。 2、ZigBee 技术简介 ZigBee 是一种基于IEEE802.15.4 标准的低功耗个域网协议,其目的是适用于低功耗,无线 连接的监测和控制系统14。它是由 ZigBee 联盟推出的。 ZigBee 协议的基础是IEEE 无线个 域网工作组所制定的IEEE802.15.4 技术标准。 IEEE802.15.4 是 ZigBee 协议的底层标准,它主 要规范了无线网络的物理层和MAC 层的协议 ,其标准是由国际电工学协会IEEE 组织制定并 推广的。ZigBee 和 IEEE802.15.4 标准都适用于低速率
8、数据传输,最大传输速率只有250KBpS, 与目前其他常用的无线技术相比,ZigBee 的缺点在于理论最大传输距离相对较近,但是对于 数据采集和控制信号来说,传输距离并非考虑重点,首要考虑的因素是成本、功耗等。所以目 前 ZigBee 技术的主要应用于要求低速率、低功耗和低成本的领域。 此外 ,使用ZigBee 技术还有一个好处,它的网络可以很大,可以实现数千个传感器节点间 的通信 ,可以通过接力传输的方式将数据通过一个传感器节点传输到下一个节点,这样能够提 高通信效率。 对于一般的无线网路来说,通信距离越大 ,相应电路就越复杂,发送功率也就越高, 成本也就越高。 而具有高效、 低成本等优点的
9、短距离接力传输方式为无线网络提供了一种理 想的解决方案 ,相对于其他现有的无线通信技术,ZigBee 技术的低功耗、 低成本等特性使得它 成为适合传感器网络的标准, 3、ZigBee 协议框架 ZigBee 协议是专门为低速率传输网络制定的无线网络协议,它在物理层、 MAC 层和数据 链路层上都采用了IEEE802.15.4 协议标准 ,并对他进行了完善和扩展。ZigBee 各层规范均由 ZigBee 联盟制 ,协议的整体框架结构如图所示。 Zigbee 协议框架图 ZigBee 协议栈由一组子层构成,每个子层为其上层提供服务:数据服务有数据实体提供, 而其他服务则由管理实体提供。每个服务实体
10、通过一个服务接入点(SAP)为其上层提供服务 接口 ,并且为每个SAP 提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。ZigBee 的通信频率 是由物理层来规范的。ZigBee 为不同的国家和地区规定了不同的工作频率,分别为2.4GHz 和 868/915MHz 。因此 ,ZigBee 定义了两个物理层标准:2.4GHz 和 868/915MHz 物理层。其中 2.4GHz 为全球统一的免费的无线网络频段,速度传输速率为250kb/s,传输速率较大,通信延时 较小。 而 868MHz 和 915MHz 频段分别针对美国和欧洲市场,868MHz 上的传输速率为20kb/s, 916Mhz 上的传输
11、速度为40kb/s,他们的传输速率相对较小,但是避开了其它设备在2.4GHz 频 段的干扰 ,因此对接收设备的灵敏度要求较低,且有较大的通信距离。 介质接入控制子层(MAC) 通过 CSMA 机制对各个信道进行调配与切换,它的主要功能是 对数据包进行分段和重组,以及确保数据包按正确顺序传输。 网络层的主要作用是为MAC层能够正常工作提供必要的函数,以及位应用层提供合适 的服务接口。网络层通过网络层数据实体提供数据传输服务,通过网络层管理服务实体提供 网络管理服务。柯络管理服务主要包括初始化一个网络、连接网络、路由发现等,数据传输 服务包括指定拓扑传输路由等。 ZigBee 应用层包括应用支持层
12、(APS),ZigBee设备对象 (ZDO) 和设备绑定表(AF)。其中 APS 层有维持绑定表和给提供数据传输途径给相互绑定的设备等功能。设备绑定表的作用 是根据各个设备职能和需求自动配置设备,并存储它们的配置信息。ZDO 完成定义各个设备 在整个网络中的角色(比如 ZigBee 协调器 ),发起和响应绑定请求等功能,以及在设备之间建立 安全机制等。此外ZDO 还有发现网络中的设备己经决定向这些设备提供哪些服务的功能。 4、总体设计方案 目前常用的智能家居系统采用的网络架构多为基于互联网的采集控制系统。典型的基于 物联网的采控系统结构如图所示,网络分为局域网和互联网两部分,连接方式有有线连接
13、和无 线连接方式两种。 在如图所示的智能家居系统中,带有传感器的末端节点负责监测和采集相应的数据,并通 过 ZigBee 网络将采集到的数据传送到家庭网关,网关通过短信将信息转发到用户手机或者通 过 Internet 将数据发送至用户PC 机。反之 ,用户可以通过同样的方法将命令发送至家庭网关, 由网关转发至相应的末端节点。 本文主要介绍该系统的局域网部分,局域网部分主要包括家庭网关和一些末端节点,末端 节点为带有功能各异传感器的监控节点或者控制相应智能家电操作的控制节点,这些节点被 安放在住宅内重要的位置,监控节点主要有室内舒适度监控节点和家庭安防系统监控节点。 物联网采集控制系统 室内舒适
14、度监控包括主要温度传感器模块和湿度传感器模块等,而家庭安防系统监控包 括或火警监测模块。空气煤气含量检测模块和红外幕帘传感器模块等。如图展示了智能家居 系统的各个监控模块。 智能家居系统中的监控模块 5、展望: 一个简单的基于物联网的智能家居系统,能够实现一些简单的监控、自动调节、报警、 控制功能 ,但是系统还有很多需要改进的地方,需要日后进行更深一步的研究。 (1)在节点的使用寿命问题上,选用更加耐用的传感器,改进节点的硬件和软件设计,以延长 节点的使用寿命。 (2)在节点的供电问题上,可以利用大自然中的光、热等进行能量转化后给节电供电,以使 节点持续工作 ,这方面需要设计合适的电路,同时又
15、要考虑到降低电路成本的问题。 (3)在降低能耗方面,可以选择更耗能更好的芯片,或者设计更优化的算法,减少网络中数据 的传输 ,以降低能耗。 (4)系统的功能可扩展性方面,可以新增一些其它的功能,由于各种终端节点原理相似,所以 加入一些新功能相对简单。 (5)在数据传输准确性和安全性方面有待于进一步研究。 三、在汽车制造业采购物流方面应用: 1、技术基础: 物联网是一次技术革命,代表未来计算机和通信的走向,其发展依赖于在诸多领域内活跃 的技术创新。物联网的支撑技术则融合了传感器技术、射频识别、ZigBee 技术、智能服务 等多种技术 ;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
16、理、在智能识 别领域有着非常看好的发展前景;以短距、低功耗为特点的传输网络的出现使得搭建无处不 在的网络变为可能;以微机电系统(MEMS) 为代表的传感器技术拉近了人与自然世界的距离; 智能服务技术则为发展物联网的应用提供了服务内容。 (1) RFID 技术 RFID技术作为本世纪最有发展前途的信息技术之一,己得到全球业界的高度重视;中国 拥有产品门类最为齐全的装备制造业,又是全球IT 产品最重要的生产加工基地和消费市场, 同时还是世界第三大贸易国。这些都为中国电子标签产业与应用的发展提供了巨大的市场空 间,带来了难得的发展机遇,RFID技术的应用必将成为中国信息产业发展和信息化建设的一 个新
17、机遇、成为国民经济新的增长点。 未来的十年内,所有的东西都将会被植入RFID 标签。 虽然这项技术的有效范围一般都很 短,但是其应用的方面却是相当广泛,比如说征收车辆过路费、无线触式安全通道、汽车定位 (利用内置感应标签的钥匙),以及医院病人或者家畜的身份识别等。下面将对RFID 进行全面 介绍。 RFID 简介 RFID (Radio Frequency Identification)无线射频识别技术,是开始兴起于20世纪 90年代的 一种非接触式自动识别技术,其基本原理是利用射频信号通过空间親合(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。它是一种利用射频方式进行
18、非接触 式双向通信的自动识别技术,具有非接触操作、多识别目标、物体高速识别、抗干扰能力、 具备耐久性等相关特征,展示了其巨大的发展潜力,成为21 世纪最有发展前途的信息技术之 一。电子标签是RF1D 的通俗叫法。 与目前广泛使用的自动识别技术例如摄像、条码、 磁卡、 IC 卡等相比 ,RFID 技术具有很 多突出的优点 : a. 非接触操作 ,长距离识别(几厘米指几十米),因此完成识别工作时无须人工干预,应用便 利。 b. 无机器磨损 ,寿命长 ,并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境。 c. 可识别高速运动物体,并可同时识别多个电子标签。 d. 读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口,保
19、证其自身的安全性。 e. 数据安全方面除了电子标签的密码保护外,数据部分可用一些算法实现安全管理。 f. 读写器与标签之间存在相互认证的过程,实现安全通信和存储。 目前 RFID 技术在工业自动化、物体跟踪、物流管理等方面有着广泛的应用。 RFID 系统由以下三个部分组成,如图所示。 RFID 系统 a. 电子标签 :由親合元件及芯片组成,且每个电子标签具有全球惟一的的识别号(ID), 无法 修改、无法仿造,这样提供了安全性。电子标签附着在物体上标识目标对象。电子标签 中一般保存有约定格式的电子数据,在实际应用中,电子标签附着在待识别物体的表面。 b. 天线 :在电子标签和读写器间传递射频信号
20、,即电子标签的数据信息。 C. 读写器 :读取 (或写入 )电子标签信息的设备,可设计为手持式或固定式。读写器可无接触 地读取并识别电子标签中所保存的电子数据,从而达到自动识别物体的目的。通常读写 器与计算机相连,所读取的电子标签信息被传送到计算机上,进行下一步处理。 RFID 的特征 a. 数据的读写 (Read Write)机能 :只要通过 RFID 阅读器即可不需接触,直接读取信息至数据 库内 ,且可一次处理多个标签,并可以将物流处理的状态写入标签,供下一阶段物流处理 使用。 b. 容易小型化和多样化的形状:RFID 在读取上并不受尺寸大小与形状的限制,不需为了读 取精确度而配合纸张的固
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