物联网中的关键技术研究及其应用-(本科论文)

物联网中的关键技术研究及其应用-(本科论文)内容摘要：

自主完成指定任务的智能网络系统。 无线传感网综合了传感器技术、嵌入式技术、无线通信技术等。 典型的传感网络一般由传感器节点、网关节点、传输网络和远程监控中心四部分构成。 通过各种微型传 感器节点对各种环境信息进行感知检测，经过初步的分析处理之后通过自组多跳的方式传送到汇聚节点，然后将经过嵌入计算模块处理的信息传送到监控中心。 无线传感网作为一种集成了感知、控制盒无线通信的新型的无线网络，与传统无线网络相比，具有以下特点： （ 1）以数据为中心。 感知检测区域的信息是无线传感网的主要目的，而且其中间节点还要承担相关的数据处理。 无线传感网中的用户只关心获取到的数据，而不关心数据具体是来自于哪个节点。 （ 2）网络规模更加庞大，节点部署更加密集。 无线传感网中的节点数量能够达到成千上万，大量节点的 部署，一方面增强了检测覆盖面，减少了盲区，另一方面也提高了检测的精度。 （ 3）节点资源有限，计算处理能力较小。 由于节点数量庞大而且是处于无人监守状态，甚至有的节点是位于危险的环境中，节点自身携带的电池能量有限，耗尽之后可能不能更换，这就使得各个节点的计算能力不能太大以减小功耗，维持节点的使用寿命。 如何提高节点能源的利用率也是传感网络再设计的过程中必须要考虑的问题。 （ 4）无线传感网是一种自组织网络。 一方面由于无线传感网中各节点的位置的不确定性，另一方面收到节点能源的限制，有的节点可能会在某个时间失效，这就导致传感网的拓扑结构会发生动态的变化，这就要求无线传感网必须有自组能力，能够自己通过网络协议快速建立自组网，这样才能保证无线传感网的正常运行。 除了以上特性，无线传感网还具有低成本、布设灵活、实时采集等特点，这些特点使得她成为物联网不可或缺的支撑技术。 3．云计算技术 云计算是一种并行的、分布式的系统，由虚拟化的计算资源构成，能够根据服务提供者和用户事先商定好的服务等级协议动态提供服务。 它融合了网格计算、分布式计算、并行计算、网络存储、虚拟化等传统的计算机技术和网络技术，它15 将计算 任务分布在大量的分布式计算机资源池中使企业用户或者大众用户根据需求获取计算力、存储空间以及各种软件服务。 云计算有三种服务形式：软件即服务（ SaaS）、平台即服务（ PaaS）以及基础设施服务（ Iaas）， SaaS 旨在基于互联网提供软件服务， PaaS 则是将服务器平台作为一种服务来提供， IaaS 按计量为客户提供由多台服务器组成的“云端”基础设施（即内存、 I/O 设备，计算能力、存储空间等组成的一个虚拟资源池）。 云计算技术提供了一种高效的计算模式，它可以将数据集中起来，有云中心提供集中服务，解决了传统计 算机系统零散计算带来的低效率问题，它旨在将数据资源聚集、优化、动态分配，从而节约信息化成本、降低功耗、提高信息处理效率，能够大大提高海量数据的处理效率。 而这符合物联网数据中心海量数据处理的需求，所以，云计算技术是物联网能够大规模推广发展必不可少的基石。 实现物联网与云计算的融合是物联网发展的必然趋势。 应用层关键技术 1．中间件技术 中间件是一种独立的基于分布式处理的服务程序，它应用于客户机、服务器的操作系统之上，用来管理计算机资源和网络通信、连接两个独立的应用程序或者独立系统，能够使相连接的系统即使拥有不同的接口仍然能相互交换信息 [8]。 它主要是用来屏蔽网络硬件平台的差异性以及操作系统与网络协议的异构性，是应用软件能够比较平滑的运行于不同的平台之上。 中间件可以运行于多种硬件和操作系统平台，支持分布计算，提供跨网络、硬件、操作系统平台的透明的应用和服务的交互，它的这些特性使得它成为物联网应用中的关键部分，它实现了各种传感器、 RFID 系统等感知设备与应用系统之间的数据传输转换，开发人员只需要提供一个中间件的接口就可以保证应用软件在物联网中的正常使用，这就很大程度上降低了应用开发难度。 2．人工智能技术 2020 年 IBM 公司提出的“智慧地球”概念，得到了世界各国的普遍认可，这里“智慧地球”即指物联网，而要实现智慧物联网，那么物联网中数据的处理自然少不了人工智能技术。 人工智能技术是研究使计算机模拟人的某些思维过程和智能行为，使人类的16 智慧得以物化与延伸的一门学科，比如，学习、推理、思考、规划等，它综合了计算机科学、控制论、信息 论、神经生理学、心理学、仿生学等多种学科。 人工智能技术研究领域主要包括自然语言理解、数据库的智能检索、专家系统、机器人、语言识别、图像识别等。 在物联网中，人工智能技术通过对感知信息的分析及智能处理来实现物 联网的智能化。 本章 小结 目前，物联网的定义和架构还没有一个统一的标准，本章节首先通过介绍物联网的定义、特点以及与传感网泛在网的比较全面阐述了物联网的概念，然后介绍了当前被业界普遍认同的物联网的三层体系结构，并分别介绍了物联网三层结构中各自的关键技术。 17 第三章 物联网典型 应用 物联 网的应用需要智能化信息处理技术的支撑，主要需要针对大量的数据通过深层次的数据挖掘，并结合特定行业的知识和前期科学成果，建立针对各种应用的专家系统、预测模型、内容和人机交互服务，专家系统利用业已成熟的某领域专家知识库，从终端获得数据，比对专家知识，从而解决某类特定的专业问题。 预测模型和内容服务等基于物联网提供的对物理世界精确、全面的信息，可以对物理世界的规律（如洪水、地震）进行更加深入的认识和掌握，以做出准确的预警，以及应急联动管理。 人机交互与服务也体现了物联网“为人类服务”的宗 旨。 人机交互提供了人与物理世界的互动接口。 物联网能够为人类提供的各种便利也体现在服务之中。 虽然目前物联网处在零散应用的产业启动期 ,但是应用己经较为广泛 ,目前己经较为成熟的应用包括环境监测系统、物流信息化系统、智能交通 、 食品溯源、系统及基础设施安全系统等。 典型应用 环境监测 环境监测是物联网的一个重要应用领域，物联网自动、智能的特点非常适合环境信息的监测。 一般来讲，环境监测物联网系统结构包括下面几个部分： ： 该层的主要功能是通过传感器节点等感知设备，获取环境监测的信息，如温度、 湿度、光照度等。 由于环境监测需要感知的地理范围比较大，所包含的信息量也比较大，该层中的设备需要通过无线传感组成一个自治网络，采用协同工作的方式，提取出有用的信息，并通过接入设备与互联网中的其它设备实现资源共享与交流互通。 ： 该层的主要功能是通过现有的公用通信网（始有线 Inter 网络、WLAN 网络、 GSM 网、 TDSCDMA 网 ） 、卫星网等基础设施，将来自感知层的信息传送到互联网中。 ： 该层的主要功能是以 IPv6/ IPv4 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环境监测应用建立起一个高效、可靠、可信的基础设施平台。 18 ： 该层的主要功能是通过大型的中心计算平台（如高性能并行计算平台等），对网络内的环境监测获取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。 ： 该层的主要功能是集成系统底层的功能，构建起面 向环境监测的行业实际应用，如生态环境与自然灾害时监测、趋势预测、预警及应急联动等。 通过上面几个部分，环境监测物联网就可以实现协同环境信息，进行态势分析，并预测发展趋势。 智能交通 智能交通是指采用先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、控制技术和计算机技术，使车辆和道路智能化，以实现安全快速的道路交通环境，从而达到缓解道路交通拥堵、减少交通事故、节约交通能源和减轻驾驶疲劳等目的。 智能交通是一个综合性体系，包含的子系统分为以下几个方面： 该系统包括： 指挥控制 件管理系统 该系统包括： 公共交通 该系统通过电子卡或 RFID 电子标签由计算机实现自动收费，大大提高车辆通行能力，降低收费口拥堵风险。 该系统通过汽车的车载电脑、管理中心计算机与 GPS、传感器等设备联网，实现驾驶员与调度管理中心之间的双向通信、信息查询、自动售票和车辆自动定位等功能，来提高商业车辆、公共汽车和出租汽车的运营效率。 该系统包括： 紧急告警与人员安全 、 应急车辆管理 、 危险品应急处理 、 应急响应和疏散。 19 图 31 智能公共交通系统示意图 在以上众多智能交通子系统中，有两点功能为每个系统所共有且必备：首先要求每个智能交通控制系统需要具备数据感知和采集功能，其次要求每个系统需要具备数据分析处理和汇总分发功能。 智能交通系统的发展趋势将表现为综合化、社会化的发展模式。 由于智能交通体系涉及相关的市民、公安交通管理、交通部门车辆管理、城市建设、通信等相关部门，因而未来智能交通必然是一个涉及以交通与公安为主的多部门驱动的发展过程。 智能物流 智能物流是将 RFID 技术、数据通信传输技术、控制技术及计算机技术等应用在物流配送系统中，帮助实现物品跟踪与信息共享，提高物流企业的运行效率，实现可视化供应链管理，提升物流信息化程度。 RFID 作为前端 的自动识别和数据采集技术，被应用在物流的零售、存储、运输、配送 /分销和生产等各主要作业环节，是实现智能物流的重点。 （ 1） 提高物流基础设施的信息化和自动化水平 通过将 RFID 标签放置在货柜、集装箱、车辆等物流基础设施内，在物流企业仓库内部、出入库口、物流关卡等安装 RFID 读写器，实现物品自动化出入库、盘点、交接环节中的 RFID 信息采集，达到对物品库存的透明化管理。 通过 RFID20 技术与物流运输设备的结合，可以进行物流基础设施信息化的升级，提高其信息化和自动化水平。 （ 2） 促进物流功能的整合 通过 RFID 技术整合物流系统的功能，提升原系统效率。 RFID 有助于实现物流系统内部多个业务环节之间的信息共享和自动化，整合多个业务功能，从而有效提升系统的整体运作效率。 （ 3） 提高物流市场流通效率，规范物流市场秩序 RFID 技术能够快速、准确地采集相关数据，保证企业及供应链内数据信息的及时性、可靠性、有效性和安全性，实现对各类数据信息的全程监管，改善诸多领域（如粮食物流、应急物流、食品安全）缺乏有效监管的现状。 此外，将RFID 与传感器技术及无线通信技术相结合，还能够实现对重要物品（如危险品、药品）的在途监控，便于进行管理和监督。 (1)货运集装箱追踪与管理 实时记录箱、货、流信息，开关箱时间和地理位置信息，实现集装箱物流信息的全程实时在线监控。 (2)货运车辆的跟踪与管理 为道路货运车辆贴上 RFID 标签，标签中记录车牌号、运输起讫地点、运输线路、车辆所属运输企业、货物基本信息等。 (3)配送中心管理 在货品包装箱外加贴 RFID 标签，并在配送中心收货处、仓库入口 /出口处等地安装固定 RFID 读写器，在搬运设备上安装移动 RFID 读写器，以及配合使用手持读写器，实现对配送中心货物的出入库管理。 (4)航空集装设备及行李追踪 通过使用 RFID 电子标签和读写设备，机场可以建立起自动管理行李的新流程，用以追踪旅客行李，保证其安全流动，同时缩短行李处理时间，提升行李标签的识别率。 21 物联网 终端行业发展分析 物联网终端分类 ,但是由于移动设备也可以放在固定位置使用 ,因此后面的讨论将基于移动式终端进行。 数据采集感知层的终端功能简单 ,例如中国移动推出的 TD－ SCDMA 物联网模块 ,功能仅限于数据采集与传输。 而智能控制端需要具有人机界面 ,控制输入 ,包括电脑 ,移动电话 ,RFID 手持机 ,PDA 等多种形式。 它们具备的基本功能特征 :物体信息采集 ,无线通信 ,人机界面。 移动电话 (手机 )已经成为必不可少的通信工具 ,并以每年 6000 万新用户的速率增长。 传统的 PDA 产品是早期的智能终端的典型代表。 目前 PDA 的功能主要仍以个人日常生活及信息管理功能为主 ,如通讯录、工作录、备忘录等 ,也具备了简单的计算、汇率换算及个人理财功能 ,随着网络技术的发展 ,PDA 也可以连线上网收发电子邮件 ,或以红 外线传输与其他的 PDA 交换资料。 在扩充功能部分上 ,目前互联网上有许多的软件可以加强 PDA 的使用性能 ,使用者可以视需求上网下载 ,当成家庭万用遥控器 ,用来遥控家电等。 下一阶段 ,PDA 与其他信息家电产品的竞争优势将在联网与通讯功能上 ,随着智能手机的普及 ,PDA 市场受到挤压 ,将使 PDA 和智能手机走向融合。 物联网移动终端特点 物联网的发展将使移动的终端成为主要的终端存在形式 ,因为移动物联网 基于移动的互联思路 :任何地方、任何时间 ,处于任何状态。 在这样的界定中 , 所携带设备具有移动电子产品的特征 ,是成为人们生活中不可缺少的部分。 ,通常其重量不超过 500 克。 移动物联网设备的屏幕和体积都必须是合适的 ,通常介于 4－ 10 英寸之间。 当它的屏。