物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 曾慶珠

世界正在不斷變“小”，中國與世界日漸融為一體，而與此同時，金融危機(jī)、能源緊張，環(huán)境污染，食品問題、自然災(zāi)害接踵而至。國家電網(wǎng)效率低下，導(dǎo)致40%～70%的電力被浪費(fèi)；在這樣的背景下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到很好的發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

到2010年每個人將擁有10億個晶體管，該技術(shù)已被嵌入到數(shù)十億臺設(shè)備中；2011年網(wǎng)絡(luò)用戶將會達(dá)到20億戶，HSPA(高速分組接入技術(shù))將促進(jìn)三種屏幕融合(電視、電腦、手機(jī))；數(shù)以萬計(jì)的事物利用物聯(lián)網(wǎng)緊密相連。

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的定義

物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過射頻識別(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，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)是通過智能感知、識別技術(shù)與云計(jì)算、泛在網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)

(1)全面感知，利用RFID、傳感器、二維碼等各種的感知設(shè)備隨時隨地的采集各種動態(tài)對象，全面感知世界；(2)可靠傳送，利用以太網(wǎng)、無線網(wǎng)、移動網(wǎng)將感知的信息進(jìn)行實(shí)時的傳送；(3)智能控制，對物體實(shí)現(xiàn)智能化的控制和管理，真正達(dá)到了人與物的溝通；(4)泛在服務(wù)，物聯(lián)網(wǎng)以無所不在、無所不包、無所不能來實(shí)現(xiàn)在任何時間、任何地點(diǎn)、任何人、任何物都能通信。

2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展及現(xiàn)狀

1995年，比爾·蓋茨在《未來之路》中首次提到物聯(lián)網(wǎng)時，迫于當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)終端技術(shù)的局限使得這一構(gòu)想無法真正落地，轉(zhuǎn)眼16年后，物聯(lián)網(wǎng)再次登場，一躍成為了各國關(guān)注的焦點(diǎn)。

1999年，在美國召開的移動計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)國際會議提出了，“傳感網(wǎng)是下一個世紀(jì)人類面臨的又一個發(fā)展機(jī)遇”。

2009年1月28日，美國總統(tǒng)與美國工商業(yè)領(lǐng)袖舉行了一次“圓桌會議”，IBM首席執(zhí)行官彭明盛首次提出“智慧地球”這一概念，建議新政府投資新一代的智慧型基礎(chǔ)設(shè)施。

2009年8月7日，溫家寶總理在考察中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心時指出，把傳感系統(tǒng)和3G中的TD技術(shù)結(jié)合起來，加快推進(jìn)傳感網(wǎng)發(fā)展，盡快建立“感知中國”中心。

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，2009年國內(nèi)RFID市場規(guī)模就將達(dá)50億元，年復(fù)合增長率為33%，其中電子標(biāo)簽超過 38億元、讀寫器接近7億元、軟件和服務(wù)達(dá)到5億元的市場格局。隨著物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和推廣，中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈1年就能創(chuàng)造約1000億元產(chǎn)值。

3 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要有感知、傳輸、支撐和應(yīng)用四大層(如圖1)。網(wǎng)絡(luò)感知主要通過各種類型的傳感器對物質(zhì)屬性、環(huán)境狀態(tài)、行為態(tài)勢等靜、動態(tài)的信息進(jìn)行大規(guī)模、分布式的信息獲取與狀態(tài)辨識。傳輸層主要功能是通過現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)(全球移動通訊系統(tǒng)、TD-SCDMA、無線接入網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)等)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，對來自感知層的信息進(jìn)行接入和傳輸。支撐層在高性能計(jì)算技術(shù)的支撐下，將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大量或海量的信息資源通過計(jì)算分析整合成一個可以互聯(lián)互通的大型智能網(wǎng)絡(luò)，為上層服務(wù)管理和大規(guī)模行業(yè)應(yīng)用建立起一個高效、可靠和可信的支撐技術(shù)平臺。應(yīng)用層根據(jù)用戶的需求，構(gòu)建面向各類行業(yè)實(shí)際應(yīng)用的管理平臺和運(yùn)行平臺，并根據(jù)各種應(yīng)用的特點(diǎn)集成相關(guān)的內(nèi)容服務(wù)。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)特性主要體現(xiàn)在其應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，目前綠色農(nóng)業(yè)、工業(yè)監(jiān)控、公共安全、城市管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居、智能交通和環(huán)境監(jiān)測等各個行業(yè)均有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的嘗試，某些行業(yè)已經(jīng)積累了一些成功的案例。

4 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)有傳感器技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的通信技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)以及它們之間的結(jié)合技術(shù)。

傳感器負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)信息的采集是實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界感知的基礎(chǔ)，是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于各種傳感器存在的溫度、壓力、速度、濕度、高度、視頻、圖像、位置等的不同，傳感器所提供的信息接口存在巨大差異，是對物聯(lián)網(wǎng)終端規(guī)?；淖畲筇魬?zhàn)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)形成了一套完整的物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范。傳感網(wǎng)絡(luò)有藍(lán)牙、Wi-Fi、RFID、WirelessHART等相關(guān)通信技術(shù)。傳感器終端具有IP化、功耗低、體積小、信息雙向傳遞、免人工維護(hù)等智能化。

通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)提供傳送通道，適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)低數(shù)據(jù)率、低移動性等業(yè)務(wù)需求。

物聯(lián)網(wǎng)平臺技術(shù)主要是和物聯(lián)網(wǎng)終端之間，以及現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)間進(jìn)行配合，以提供物聯(lián)網(wǎng)能力給不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，構(gòu)建一個能適合多個行業(yè)應(yīng)用的統(tǒng)一業(yè)務(wù)平臺，為跨行業(yè)的統(tǒng)一信息服務(wù)提供支撐。隨著物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，發(fā)展到協(xié)同感知，甚至泛在服務(wù)的階段后，必然需要考慮更為有效的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、名址、路由、通信協(xié)議。

5 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

5.1 智能食品

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)食品追溯終端設(shè)備，工作人員將一只帶有標(biāo)簽的黃瓜，在終端的掃描口輕輕掃描一下，設(shè)備終端的顯示屏上便立即顯示了該黃瓜的產(chǎn)地、育苗、種植、田間管理、采收、銷售等一條龍信息，黃瓜的生長流程一覽無余。

同時使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以在食品保鮮上得到應(yīng)用。全球25%的食品在流通過程中而變質(zhì)而損失，這相當(dāng)于每年4580億美元經(jīng)濟(jì)損失，在物聯(lián)網(wǎng)時代下，將智能(RFID)注入食物，這樣我們就能知道食物已運(yùn)到何處，監(jiān)視食物到餐桌的溫度，監(jiān)控它前往超市的溫度，保證到餐桌的食物依然新鮮，從而改善我們的食物供應(yīng)，從源頭保障食品的衛(wèi)生安全，并守護(hù)消費(fèi)者的健康，讓生活更安全。

5.2 智能物流

智能物流是指貨物從供應(yīng)者向客戶的智能移動過程，例如智能運(yùn)輸、智能倉儲、智能配送、智能包裝、智能裝卸以及智能信息的獲取、加工和處理等多項(xiàng)基本活動。

將標(biāo)簽附在被識別物品上的表面或內(nèi)部，當(dāng)被識別物品進(jìn)入識別范圍內(nèi)時，RFID讀寫器自動無接觸讀寫，例如自動出庫系統(tǒng)、自動入庫系統(tǒng)、自動盤庫系統(tǒng)、自動周轉(zhuǎn)等子系統(tǒng)。在貨物的運(yùn)輸中，建立交通管理、車輛控制、車輛調(diào)度等子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)大范圍、全方位，實(shí)時、準(zhǔn)確、高效的綜合運(yùn)輸管理系統(tǒng)。

5.3 智能家電

我國正迎來一個無線城市、物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與發(fā)展的熱潮，在網(wǎng)絡(luò)融合、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的推動下，智能家電迎來全新的變革。

智能家電無線網(wǎng)絡(luò)主要包括了一個家庭網(wǎng)關(guān)以及若干個無線通訊子節(jié)點(diǎn)。在家庭網(wǎng)關(guān)上有一個無線發(fā)射模塊，每個子節(jié)點(diǎn)上都接有一個無線網(wǎng)絡(luò)接收模塊，通過這些無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)就在網(wǎng)關(guān)和子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳送。

基于物聯(lián)網(wǎng)的家電，在充滿物物感知的環(huán)境將產(chǎn)生新的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的感知網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了家電與人互動過程智能人機(jī)識別等一系列的“觸覺”，而語音合成技術(shù)將實(shí)現(xiàn)家電開口說話的能力，讓家電能及時的將信息反饋給客戶。如，熱水器中部件損壞了，通過傳感器件的感知，并與后臺數(shù)據(jù)交流，在家電通知中心驅(qū)動語音合成芯片來實(shí)現(xiàn)開口說話：“熱水器內(nèi)膽故障，請聯(lián)系售后解決此問題，離您最近的售后的電話為……”。同時家電的售后部門，已經(jīng)得知了消息并從計(jì)算中心找到了解決方案，并可通過云計(jì)算處理新突發(fā)的事件。實(shí)現(xiàn)家電開口說話的能力，只需要語音合成芯片或已經(jīng)內(nèi)置的語音合成軟件。

5.4 網(wǎng)電桿塔監(jiān)控

電為世界的進(jìn)步提供了無窮動力，然而，預(yù)防時常發(fā)生的對于塔架進(jìn)行螺絲拆卸，支架割據(jù)等盜竊行為，使用緊固件防拆探測傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，聲陣列傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)等設(shè)備，對于各類破壞塔架的行為進(jìn)行識別使用喇叭、攝像頭以及傳感網(wǎng)基站進(jìn)行聯(lián)合報警，使得電力公司可以準(zhǔn)確定位，及時取證，盡早維修。

如圖2，防拆探測傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，聲陣列傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(感知層)等監(jiān)測系統(tǒng)安裝在電網(wǎng)桿塔上，實(shí)施對電塔狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控、采集、分析和記錄電網(wǎng)桿塔的相關(guān)數(shù)據(jù)以及語音、圖像供監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)查詢，并在塔上異常事件時主動上傳報警信息；3G/GPRS(傳輸層)通過數(shù)據(jù)包、SMS、語音通信等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控中心云計(jì)算(支撐層)將圖像、聲音和其他數(shù)據(jù)在監(jiān)控平面上顯示，同時云計(jì)算將異常信息發(fā)給相應(yīng)人員手機(jī)或PC(應(yīng)用層)，從而對電網(wǎng)桿塔進(jìn)行及時處理。

圖2 電網(wǎng)桿塔監(jiān)控系統(tǒng)圖

6 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)不僅將滲透到智能交通、智能城市、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排、公共安全、智能家居等領(lǐng)域，還將極大推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展，成為新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用將引發(fā)新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命，是信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域未來競爭的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)升級的核心驅(qū)動力。加快發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，不僅是我國提升信息產(chǎn)業(yè)核心競爭力、發(fā)展創(chuàng)新型經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略選擇，也是改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、促進(jìn)“兩化”融合、提升社會信息化水平的重要抓手，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會生活都將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

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