物联网关键技术及应用

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3.2 无线传感器网络（WSN）
▪ 传感器
能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信 号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 。
▪ 无线传感器网络（WSN）
无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点通过无 线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是 协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息， 它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。
▪ 2、广义的物联网含义
广义的物联网就是利用条码、射频识别（RFID）、传感器、 全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协
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物联网（IOT）的概念
▪ 议，实现人与人、人与物、物与物的在任何时间、任何地 点的连接（anything、anytime、anywhere），从而进行 信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控 和管理的庞大网络系统。如果说互联网实现了人与人之间 的交流，那么物联网可以实现人与物体的沟通和对话，也 可以实现物体与物体互相间的连接和交互。
3.1 RFID
3.1.1 RFID的定义
RFID（Radio Frequency Identification ）即射频识别技术， 俗称电子标签，通过射频信号自动识别目标对象，并对其 信息进行标志、登记、储存和管理。
3.1.2 RFID系统组成
电子标签：由芯片和标签天线或线圈组成，通过电感LO耦G合O
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物联网(IOT)的概念
公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机 对颜色和水温的要求等等。 ▪ 现在较为普遍的理解是，物联网是将各种信息传感设备， 如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、 激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨 大网络。通过装置在各类物体上的电子标签（RFID）、传 感器、二维码等经过接口与无线网络相连，从而给物体赋 予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物 体与物体互相间的沟通和对话。
5.传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力 等十分有限；
6.传统无线网络的首要设计目标是提高服务质量和高效率带 宽利用，其次才考虑节约能源；而WSN的首要设计目标是 能源的高效使用，这也是WSN和传统网络最重要的区别之 一。
▪ 传感器节点的限制
电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限。
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3.2.5 WSN融合
▪ 图3-7 WSN和其它无线通信技术的融合
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3.3 RFID和WSN融合
▪ RFID侧重于识别，能够实 现对目标的标识和管理， 同时RFID系统具有读写距 离有限、抗干扰性差、实 现成本较高的不足；WSN 侧重于组网，实现数据的 传递，具有部署简单，实 现成本低廉等优点，但一 般WSN并不具有节点标识 功能。RFID与WSN的结
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RFID介绍
或电磁反射原理与读写器进行通信； 读写器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备 ； 天线：可以内置在读写器中，也可以通过同轴电缆与读写 器天线接口相连。
▪ RFID系统组成图示：
天线
标签
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阅读器
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3.1.3 RFID的工作频率
RFID的工作频率可划分为： 1、LF： 低频30－300KHz，常用125KHz； 2、HF： 高频3－30MHz， 工作频率为13.56MHz; 3、UHF：特高频300MHz－3GHz，工作频率：433MHz，
读写器将要发送的信息，经 编码后加载到高频载波信号 上再经天线向外发送。
进入读写器工作区域的电子标签接收此信号， 卡内芯片的有关电路对此信号进行倍压整流、 调制、解码、解密，然后对命令请求、密码、 权限等进行判断。
若为读命令，控制逻辑电路则从存储器中读取 有关信息，经加密、编码、调制后通过片上天 线再发送给阅读器，阅读器对接收到的信号进 行解调、解码、解密后送至信息系统进行处理。
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三、物联网关键技术
物联网的关键技术有射频识别技术、传感技术、纳米 技术、智能嵌入技术、云计算、IPv6技术。当前各项技术 发展并不均衡，射频标签、条码与二维码等技术已经非常 成熟，传感器网络相关技术尚有很大发展空间。在此只介 绍射频识别技术(RFID)和传感技术(WSN)。
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▪ 4、物联网（IOT）结构示意图
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5、物联网（IOT）提出的背景
▪ 经济危机下的推手:经济长波理论：每一次的经济低谷必
定会催生出某些新的技术，而这种技术一定是可以为绝大 多数工业产业提供一种全新的使用价值，从而带动新一轮 的消费增长和高额的产业投资，以触动新经济周期的形成。
▪ 接入：该层的主要功能是通过现有的移动通信网(如GSM
网、T胁SCDMA网)、无线接入网(如WiMAX)、无线局域 网(WiFi)、卫将来自感知层的信息传送到互联网中。
▪ 互联网：该层的主要功能是以IP、，6／IPv4以及后伊星
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物联网体系构成
网等基础设施， (Post-IP)为核心建立的互联网平台，将网 络内的信息资源整合成一个可以互联互通的大型智能网络， 为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高效、可靠、 可信的基础设施平台。
入多样化、IP宽带化和计算机软件技术的飞跃发展，基于
海量信息收集和分类处理的能力大大提高。
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二、物联网的体系架构
1、应用层：应用层是构建在物联网技术架构之上的应用系
统，包括商业贸易、物流、农业、军事等等不同的应用系 统。
2、网络层：网络层，即进行信息交换的通信网络，包括有
▪ 数据结构标准 ：ISO/IEC 15424 、ISO/IEC 15418 、 ISO/IEC 15434 等
▪ 性能标准 ：ISO/IEC 18046 、ISO/IEC 18047 、 ISO/IEC 10373-6 等
▪ 应用标准 ：ISO/IEC 10374 、ISO/IEC 18185 、 ISO/IEC 11784 等
过去的10年间，互联网技术取得巨大成功。目前的经济危 机让人们又不得不面临紧迫的选择，物联网技术成为推动 下一个经济增长的特别重要推手。
▪ 传感技术的成熟:随着微电子技术的发展，涉及人类生活、
生产、管理等方方面面的各种传感器已经比较成熟。例如 常见的无线传感器（WSN）、RFID、电子标签等。
▪ 网络接入和信息处理能力大幅提高:目前，随着网络接
一、物联网的概念
1、物联网（IOT）的定义
▪ 早在1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中就已经提 及物联网概念。但是，“物联网”概念的真正提出是在1999 年，由EPCglobal的Auto-ID中心提出，被定义为：把所有 物品通过射频识别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。
▪ 服务管理：该层的主要功能是通过具有超级计算能力的中
心计算机群，对网络内的海量信息进行实时的管理和控制， 并为上层应用提供一个良好的用户接口。
▪ 应用：该层的主要功能是集成系统底层的功能，构建起面
向各类行业的实际应用，如生态环境与自然灾害监测、智 能交通、文物保护与文化传播、运程医疗与健康监护等。
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物联网关键技术及应用
Key Technologies and Applications of Internet of Things
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Content：
1. 物联网概述 2.物联网架构
目
3.物联网关键技术
录
4.物联网的应用 5.发展趋势及面临的问题
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若为修改信息的写命令，有关控制逻辑引起电 子标签内部电荷泵提升工作电压，提供电压擦 写E2PROM。若经判断其对应密码和权限不 符，则返回出错信息。
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3.1.4 RFID的ISO IEC标准
▪ ISO/IEC（国际标准化组织和国际电工委员会）制定 的RFID标准概况
▪ 技术标准 ：ISO/IEC 10536 、ISO/IEC 14443 、 ISO/IEC 18000系列标准 等
合存在很大的契机。
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图3-8物联网架构物联网架构下
RFID与WSN的融合 LOGO
RFID和WSN的融合
▪ RFID与WSN可以在两个不同的层面进行融合：物联网架
图1-1物联网的概念模型
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3、物联网（IOT）的特征
来自百度文库
感知
传输
智能
全面感知
利用RFID、传感器、 二维码等能够随时随地采
集物体的动态信息。
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可靠传输
通过网络将感知的各 种信息进行实时传送。
智能处理
利用计算机技术，及时对海量的 数据进行信息控制，真正达到了 人与物的沟通、物与物的沟通。
3.2.1 WSN的特征
▪ 与现有无线网络的差别 1. WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节
点数目更为庞大（上千甚至上万），节点分布更为L密O集G；O
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WSN的特征
2.由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；
3.环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化；
4.通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的；
▪ 2005年，国际电信联盟（ITU）正式称“物联网”为“The Internet of things（IOT）”，并发表了年终报告《ITU互联 网 报告2005：物联网》。报告指出，无所不在的“物联网” 通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从 房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换；并描绘出“物 联网”时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；
Internet、WIFI网以及无线通信网络等网络。
3、信息采集层：数据采集指通过包括条码、射频识别、无
线传感器、蓝牙等在内的自动识别与近场通信技术获取物 品编码信息的过程。
4、编码层：编码层是物联网的基石，是物联网信息交换内
容的核心和关键字。 编码是物品、设备、地点、属性等的数字化名称。
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4、ZigBee：低功耗、近距离的无线组网通信技术；
802.15.4（s）;
5、NFC（近场通信），双向RFID，可实现设备之间的近距
离通信（20cm，比兰牙短，但是不需要加密）；
6、兰牙（Bluetooth）、红外（IiRD）；
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3.2.4 WSN通信
▪ 图3-6 WSN在无线通信框架中的位置
物联网架构示意图:
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物联网体系构成
根据国际电信联盟的建议，物联网自底向上可以为以下的 过程：
▪ 感知：该层的主要功能是通过各种类型的传感器对物质属
性、环境状态、行为态势等静态／动态的信息进行大规模、 分布式的信息获取与状态辨识，针对具体感知任务，常采 用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行 在线计算与控制，并通过接入设备将获取的信息与网络中 的其它单元进行资源共享与交互。
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3.2.3 传感器与无线通信
传感网中使用的几种通信技术：
1、移动通信：2G、3G、B3G、LTE；
2、无线局域网：
WiFi：无线局域网，802.11，校园网；
WiMAX：无线城域网，802.16，已成为 3G标准
3、超宽带UWB：特征是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输 数据。工作频率3.1G-10.6GMHz，低功耗，如射频标签 RFID（Radio Frequency Identification 也称电子标签、无 线电频率识别）。
866 －960MHz 2.45GHz； 4、SHF：超高频3－30GHz，工作频率：5.8GHz、24GHz；
RFID工作频率图：
常用： 125k
866～ 13.56M433M960M 5.8G
30k 300k
3M 30M 300M
3G
30G
0
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f(Hz)
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图3-1 RFID系统工作原理
▪ WSN的特点
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WSN的体系结构
▪ 大规模网络、自组织网络、动态性网络、可靠的网络、应 用相关的网络、以数据为中心的网络
3.2.2 WSN体系结构
图3-2平面拓扑结构
图3-3 逻辑分层结构
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WSN的体系结构
图3-4 传感器节点体系结构
图3-5 传感器网络协议栈