物联网技术简介(科普)

• 物联网技术
  • 概念
  • 传感器技术
  • 射频识别技术(RFID)
  • 无线网络技术

物联网技术

概念

• 把所有物品通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描仪等信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。
• 基本特点：
  • 全面感知 随时随地采集各种动态对象
  • 可靠的传送 实时传送
  • 智能控制
    
  • 感知层：
    • 主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。如温度感应器、声音感应器、图像采集卡、震动感应器、压力感应器、RFID读写器、二维码识读器等，都是用于完成物联网应用的数据采集和设备控制。
  • 传输层：
    • 传输层主要功能是直接通过现有互联网（IPv4/IPv6 网络）、移动通信网（如：GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA、无线接入网、无线局域网等）、卫星通信网等基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输。网络层主要利用了现有的各种网络通信技术，实现对信息的传输功能。
  • 支撑层：
    • 支撑层主要是在高性能网络计算环境下，将网络内大量或海量信息资源通过计算整合成一个可互联互通的大型智能网络，为上层的服务管理和大规模行业应用建立一个高效、可靠和可信的网络计算超级平台。支撑层利用了各种智能处理技术、高性能分布式并行计算技术、海量存储与数据挖掘技术、数据管理与控制等多种现代计算机技术。
  • 应用层：
    • 应用层中包括各类用户界面显示设备以及其它管理设备等，这也是物联网系统结构的最高层。应用层根据用户的需求可以面向各类行业实际应用的管理平台和运行平台，并根据各种应用的特点集成相关的内容服务，如：智能交通系统、环境监测系统、远程医疗系统、智能工业系统、智能农业系统、智能校园等。
• 物联网技术的四个层次：感知技术、传输技术、支撑技术、应用技术
  • 感知技术
    • 能够用于物联网底层感知信息的技术。它包括射频识别（RFID）技术、传感器技术、GPS定位技术、多媒体信息采集技术及二维码技术等。
      • 射频识别技术：标签、阅读器、天线
      • 传感器技术：从自然信源获取信息
      • GPS技术：移动感知，采集移动物体信息
      • 多媒体信息采集技术：利用摄像头、麦克风等采集视频、音频、图像等信息，并对信息进行抽取、挖掘和处理，将非结构化信息从采集到的信息中抽取并保存到结构化数据库中。
      • 二维码技术：小面积表达大量信息
  • 传输技术
    • 能够汇聚感知数据，并实现物联网数据传输的技术， 它包括互联网、移动通信网、无线网络、卫星通信、短距离无线通信等。
  • 支撑技术
    • 用于物联网数据处理和利用的技术，它包括嵌入式系统、云计算技术、人工智能技术、大数据库与机器学习技术、分布式并行计算和多媒体与虚拟现实等
      • 嵌入式系统：嵌入到目标体系中的专用计算机系统，它以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统 ，与物联网关系密切，物联网的各种智能终端大部分表现为嵌入式系统
      • 云计算技术：物联网中的终端的计算和存储能力有限,云计算平台可以作为物联网的“大脑”,实现对海量数据的存储、计算。 是分布式计算技术的一种，透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多部服务器所组成的庞大系统经搜寻、计算分析之后将处理结果回传给用户。
      • 人工智能技术：研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为的技术，借鉴仿生学思想,用数学语言抽象描述知识,用以模仿生物体系和人类的智能机制,目前主要的方法有神经网络、进化计算和粒度计算三种
      • 大数据技术：大数据指在互联网和以大规模分布式计算为代表的平台支持下被采集、存储、分析和应用的具有产生更高决策价值的巨量、高增长率和多样化的信息资产 。大数据系统总是由数据采集、数据存储、数据分析（或数据处理与服务）和数据应用四个部分构成。在物联网中，大数据技术扮演海量数据存储与分析处理的重要角色
      • 分布式并行计算：时间上的并行就是指流水线技术，而空间上的并行则是指用多个处理器并发的执行计算。
  • 应用技术
    • 用于直接支持物联网应用系统运行的技术
    • 专家系统、系统集成技术、编解码技术

传感器技术

• 组成：
  • 敏感元件
  • 转换元件
  • 基本转换电路
• 分类：
  • 按照工作原理：物理传感器和化学传感器
    • 物理传感器：压电、磁致伸缩位移、光电、热点等，要求非常敏感，被测信号量的微小变化都能转换为电信号
    • 化学传感器：以化学吸附、电化学反应等
  • 按照用途：力敏、位移、速度、加速度、震动、热敏、湿敏、磁敏、气敏、生物、霍尔、核辐射、光纤、纳米(MEMS)等14种
  • 按照输出信号：
    • 模拟传感器：将被测量的非电学量转换成模拟电信号
    • 数字传感器：将被测量的非电学量转换成数字信号
    • 开关传感器：当被测量的信号达到某个特定阈值，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号
• 应用
• 改善传感器性能的技术途径
  1. 差动技术：减少温度变化、电源波动等的影响
  2. 平均技术：采用多个传感单元同时测试，输出平均值，减小误差
  3. 补偿与修正技术
  4. 屏蔽、隔离与干扰抑制：消除或削弱外界因素的影响，一是减小传感器对影响因素的灵敏度，二是降低外界因素对传感器实际作用的烈度
  5. 稳定性处理：提高稳定性，防止材料老化
• 发展方向：

1. 运用新原理 1）采用新原理的 2）填补传感器空白的 3）仿生传感器
2. 开发新材料 1）单晶体到多晶体、非晶体 2）复合材料
3. 新工艺
4. 集成化和智能化

射频识别技术(RFID)

• 系统组成：
  • 狭义：电子标签、阅读器
  • 广义：电子标签、阅读器、RFID中间件、应用程序
• 耦合方式：
  • 电磁耦合：以电磁波形式进行耦合，距离远
    -
    • 下行传输：阅读器→电子标签
      • 阅读器发射电磁波，电子标签接收电磁波
    • 上行传输：电子标签→阅读器
      • 电子标签发射电磁波，阅读器接收电磁波
      • 阅读器发射电磁波，电子标签反射电磁波
    • 应用：应用在433M、900M、2.4G等较高频率的RFID系统
  • 电感耦合：以电磁感应的方式进行耦合，距离近
    • 
    • 下行传输：阅读器→电子标签
      • 阅读器产生变化磁场，电子标签感生电动势
    • 上行传输：电子标签→阅读器
      • 阅读器产生变化磁场，电子标签反向耦合
    • 应用：应用在40M、13.56M、135K或更低频率RFID系统
• 频率分布：根据IEEE频谱划分，常用的RFID频率包括“
  • 低频(LF)：门禁卡
  • 高频(HF)：身份证，公家卡
  • 特高频(UHF)：高速公路ETC
• 信息编码：
  • 不归零码(NRZ)：用高低电平分别代表1和0，高电平代表“1”，低电平代表“0”
    • 优点：编码简单
    • 缺点：位同步困难，能量供给不连续（低电平不提供能量）
  • 曼彻斯特码：半个比特周期内，下降沿代表“1”，上升沿代表“0”
    • 优点：位同步简单
    • 缺点：能量供给不充分（低电平时不提供能量）
  • 差分双向码：半个比特周期中，任意边沿代表"0"，无边沿代表"1"，每比特开始时，电平跳变
    • 优点：位同步简单
    • 缺点：能量供给不充分
  • 密勒码：“1”码要求码元起点电平不变，间隙电平跳变。单个“0”码要求电平不变，连续“0”码要求码元边界处电平跳变
    • 优点：位同步比较简单
    • 缺点：能量供给不充分
  • 变形密勒码：将密勒码中每个电平跳变都用负脉冲取代
    • 优点：位同步简单，能量供给充分，因为低电平的时间很短
  • 脉冲-间隙码：下一脉冲前暂停时间t表示“1”，下一脉冲前暂停时间2t表示“0”
    • 优点：位同步简单，能量供给连续
• 调制与解调：
  • 按照信号的变化规律去改变载波的某些参数的过程
  • 分类：
    • 线性调控：幅移键控
      • 幅移键控：使用基带信号改变载波信号的幅度
      • 
    • 非线性调控：频移键控、相移键控
      • 频移键控：使用基带信号改变载波信号的频率
      • 
      • 相移键控：使用基带信号改变载波信号的相位
      • 
• 电子标签
  • 组成：天线、芯片、电源（可能有，分为无源标签和有源标签）
  • 供电：
    • 有源标签：距离远，寿命有限
    • 无源标签：距离近，寿命长
  • 根据作用距离分类：
    • 密耦合 小于1cm
    • 近耦合 小于15cm
    • 疏耦合 小于1m
    • 远耦合 大于1m
  • 根据抗金属性
    • 自有环境标签 不能贴于金属表面
    • 抗金属标签 贴在金属表面工作
  • 天线
    • 电感耦合天线 线圈
    • 电磁耦合天线 微带天线、偶极子天线
  • 芯片
    • 类型：
      • 逻辑加密卡：由逻辑电路组成标签业务流，有保密性，价格便宜，但保密性不高
      • CPU卡：内置CPU完成业务处理，保密性高，价格偏高
• 阅读器：
  • 分类：
    • 固定式阅读器
    • 台式阅读器
    • 手持式阅读器
    • 专用阅读器
    • 阅读器模块
  • 组成：天线、高频接口模块、信号处理与控制模块
  • 天线：单天线（同时用来发送和接收数据），双天线（一根用于发送，一根用于接收）
    • 电感耦合天线
    • 电磁耦合天线
  • 高频接口模块：
    • 主要功能：供能、调制、解调
  • 信号处理与控制模块：
    • 主要功能：应用接口、控制通信、编解码、防碰撞、加解密、身份认证
• RFID技术的特点：
  1. 读取方便快捷：数据读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达30米以上
  2. 识别速度快：标签一进入磁场，解读器就可以即时读取其中的信息，且能够同时处理多个标签，实现批量识别
  3. 数据容量大：可以根据用户需求扩充到几十K
  4. 使用寿命长，应用范围广：无线电通讯方式使其可以用于粉尘、油污等高污染环境和放射性环境，而且其封闭式包装使得其寿命大大超过印刷的条形码
  5. 标签数据可以动态更改：编程器可以写入数据
  6. 更好的安全性
  7. 动态实时通信
• RFID技术标准：EPC规范、UID规范等

无线网络技术

• 蓝牙、ZigBee、Z-wave、RFID、NFC、UWB、WI-FI等

• 蓝牙：短距离通讯，简化移动通信终端设备之间的通信

  • 将设备网状链接
  • 距离等级 1:100m，2:10m，3:2-3m，一般在10米之内
  • 通讯前需要先匹配，设备分为主设备和从设备
  • 蓝牙手机只能匹配7个蓝牙设备，PC可以匹配十多个或数十个蓝牙设备，同一时间只支持点对点通讯

• ZigBee（紫峰）：近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术

  • 数传模块类似于移动网络基站

  • 通信距离从75m可以无限扩展

  • 由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线网络平台，每个网络模块间可以相互通信

  • 低功耗、成本低、延时短、容量大、可靠安全

  • 应用于：

    • 智能家居
    • 电子设备
    • 工业控制
    • 医疗设备控制