化工过程机械进展及专题讨论报告.docx

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化工过程机械进展及专题讨论报告

化工过程机械进展及专题讨论报告

物联网技术的研究与应用

学院：

化学化工学院

专业：

化工过程机械

姓名：

学号：

指导教师：

目录

化工过程机械进展及专题讨论报告1

物联网技术的研究与应用1

摘要3

1物联网的起源及发展背景4

1.1物联网的起源4

1.2物联网发展的背景5

2物联网的关键技术概述6

2.1射频识别技术（RFID-RadioFrequencyIdentification）6

2.2传感器及检测技术（sensorandmeasuringtechnology）8

2.3无线传感网（WSN，wirelesssensorsnetworks）8

2.4云计算（cloudcomputation）10

3物联网在各个领域的应用12

3.1物联网在生活中的应用12

3.2物联网在工业自动化中的应用13

3.3联网在化工企业中的应用14

3.4物联网在消防中的应用16

4物联网的发展方向及展望17

5总结18

参考文献19

摘要

随着计算机互联网的飞速发展，实现了人与人的沟通，人们开始设想如何将人与物连接、甚至直接将物与物联系在一起，于是“物联网”的概念就应运而生。

物联网，是一次新技术革命和一个新的产业链，其概念2009年在中国开始热议，至今已有6年的时间。

物联网技术是个大范围的技术，突破了单一行业限制，需要很多行业相关联。

物联网的发展需要信息采集、信息传递和信息处理这三个方面的完全融合，而信息采集是物联网发展的关键基础，物联网要获得发展，必须突破信息采集技术的瓶径。

射频识别技术（RFID）做为物联网的一项基础技术，它通过射频信号，自动识别目标对象并获取物体数据，是信息采集的一项重要手段。

物联网已被提到各国发展战略层面上，并且纷纷提出利用物联网建设“智慧地球”战略，物联网将迅速席卷整个地球，发展前景非常巨大，产业影响非常广泛，相信它将彻底改变人类目前的工作和生活方式。

关键词：

物联网，射频识别，传感器及检测技术，云计算

1物联网的起源及发展背景

随着计算机互联网的飞速发展，实现了人与人的沟通，人们开始设想如何将人与物连接、甚至直接将物与物联系在一起，于是“物联网”的概念就应运而生。

物联网，是一次新技术革命和一个新的产业链，其概念2009年在中国开始热议，至今已有6年的时间。

物联网技术是个大范围的技术，突破了单一行业限制，需要很多行业相关联。

物联网的发展需要信息采集、信息传递和信息处理这三个方面的完全融合，而信息采集是物联网发展的关键基础，物联网要获得发展，必须突破信息采集技术的瓶径。

射频识别技术（RFID）做为物联网的一项基础技术，它通过射频信号，自动识别目标对象并获取物体数据，是信息采集的一项重要手段。

物联网已被提到各国发展战略层面上，并且纷纷提出利用物联网建设“智慧地球”战略，物联网将迅速席卷整个地球，发展前景非常巨大，产业影响非常广泛，相信它将彻底改变人类目前的工作和生活方式。

物联网的概念

物联网（IOT-InternetOfThings）就是可以将各种信息的传感设备和互联网进行巧妙地结合起来形成一个以网络系统来传输控制的技术。

IOT作为新一代的信息技术，必将给我们带来更多的新型服务体系的，缩小我们赖以生存的家园--地球村。

图1ITU物联网示意图

1.1物联网的起源

1、在1998年，由美国麻省理工大学的Sarma、Brock、Siu三人提出将互联网络化信息技术与射频识别技术（RadioFrequencyIdentification，RFID）二者相结合，可利用将全球统一的物品编码（ElectronicProductCode，EPC）当做识别物品标识编号及利用RFID实现自动化的物品与互联网之间的链接，可在何时何地实现对各种物品的识别和管理。

2、吉列和宝洁在1999年时在美国麻省理工大学成立了Auto-IDCenter组织。

而英国、日本、澳大利亚、瑞士和中国及韩国这6所知名学府在其后几年里也陆续加入了Auto-IDCenter组织，分别对IOT进行了各国分层次的研究方案，各国的系统化研究活动得到了开展，6国经过了系统化的研究后并讨论出了最原始的IOT的系统架构。

3、国际物品编码组织是在2003年11月1日，出资正式提出接管了EPC系统，并成立了EPCGlobal组织来维修与号召。

而原来的6所知名学府的Auto-ID也被分到EPCGlobal下的技术组，再次经过严密的讨论得出了之后的IOT系统架构。

1.2物联网发展的背景

为了跟上未来发展的步伐及防止造成不必要的经济损失，不得不提出发展IOT技术，来适应时代发展的需求。

1、传感技术的发展：

伴随着微电子科技的发展，人类的生活、生产、管理等各方面的各种传感器应用已经较成熟。

2、经济危机的助手：

源于经济长波理论，由于近几年的经济危机让我们不得不面临着紧迫的抉择，发展IOT技术将成为推动下一个经济增长的特殊的助手。

3、网络接入、信息处理能力提升：

由于网络接入的多样化、IP的宽带不断的升级以及计算机的软件系统不断的提升，大大地提高了信息的海量收集和运行速率的能力水平。

2物联网的关键技术概述

2.1射频识别技术（RFID-RadioFrequencyIdentification）

射频识别（RFID）技术是众多自动识别技术中的一种，也是当今第三次信息浪潮，即物联网关键技术之一。

有人称其是一项具有革命性的技术。

RFID的应用领域广泛，发展迅速，正在逐步走向成熟。

2.1.1射频识别的定义

射频识别常称为感应式电子芯片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。

一个简单的RFID系统由阅读器（Reader）、应答器（Transponder）或电子标签（Tag）组成，其原理是由读写器发射一特定频率的无线电波能量给应答器，用以驱动应答器电路，读取应答器内部的ID码。

应答器其形式有卡、钮扣、标签等多种类型，电子标签具有免用电池、免接触、不怕脏污，且芯片密码为世界唯一，无法复制，具有安全性高、寿命长等特点。

所以，RFID标签可以贴在或安装在不同物品上，由安装在不同地理位置的读写器读取存储于标签中的数据，实现对物品的自动识别。

RFID标签可以贴在或安装在不同物品上，由安装在不同地理位置的读写器读取存储于标签中的数据，实现对物品的自动识别。

RFID的应用非常广泛，目前典型应用有动物芯片、汽车芯片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理、校园一卡通等。

2.1.2射频识别技术的基本原理

RFID主要由三个部分组成，即RFID标签、阅读器和天线。

标签由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的EPC，附着在物体上标识目标对象；阅读器由天线、耦合元件、芯片组成，可读取（或写入）标签信息；天线用于在标签和读取器间传递射频信号。

图所示是RFID系统的基本模型，图中作为RFID的部分只包括RFID标签、天线以及阅读器。

当RFID标签进入磁场后，接收到阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者由标签主动发送某一频率的信号给阅读器，阅读器读取信息后，通过

网络送至上层系统进行数据处理。

图2射频识别技术的原理图

2.1.3射频识别技术特点

RFID技术的主要特点是通过电磁耦合方式来传送识别信息，不受空间限制，可快速地进行物体跟踪和数据交换。

由于RFID需要利用无线电频率资源，必须遵守无线电频率管理的诸多规范。

具体来说，与同期或早期的接触式识别技术相比较，RFID还具有如下一些特点：

（1）扫描速度快。

条形码一次只能有一个条形码受到扫描，RFID则可同时读取多个RFID标签。

（2）体积小、形状多样。

RFID在读取上并不受尺寸大小与形状限制，不需要为了读取精度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。

（3）抗污染能力和抗损坏性强。

传统条形码的载体是纸张，易受污染，但RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。

此外，由于条形码是附于塑料袋或外包装纸箱上，所以

特别容易受到折损，而RFID是将数据存在芯片中，因此可以免受损坏。

（4）可重复使用。

现在的条形码印刷上去之后就无法更改，RFID标签则可以重复地新增、修改、删除RFID标签内储存的数据，方便信息的更新。

（5）信号具有穿透性。

RFID射频信号能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明材质，而条形码扫描机必须在近距离而且没有物体阻挡的情况下，才可使用。

（6）数据记忆容量大。

一维条形码容量是50B，二维条形码最大容量可达3000B，RFID最大的则有数兆字节，而且有不断扩大的趋势。

（7）安全性。

由于RFID承载的是电子式信息，其数据内容可经由密码保护，使其内容不易被伪造及变造[1]。

2.2传感器及检测技术（sensorandmeasuringtechnology）

传感器负责物联网信息的采集，是实现对现实世界感知的基础，是物联网服务和应用的基础。

传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受与检出功能，并按照一定规律转换成与之对应的有用信号的元器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。

如果没有传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现，即使最现代化的电子计算机，没有准确的信息或有不失真的输入，也将无法充分发挥其应有的作用。

传感器种类及品种繁多，原理也各式各样。

根据被测量的性质，可分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类，还可以按照用途、材料、输出信号类型。

2.2.1传感器组成及原理

传感器一般由敏感元件，转换元件及基本转换电路三部分组成。

①敏感元件是直接感受被测物理量，并以确定关系输出另一物理量的元件（如弹性敏感元件将力，力矩转换为位移或应变输出）。

②转换元件是将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（电阻，电感，电容）及电流或电压等电信号。

③基本转换电路是将该电信号转换成便于传输，处理的电量。

图3传感器工作原理

敏感元件是直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

对于转换元件来说，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。

上述电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出，传感器只完成被测参数至电量的基本转换。

然后输入到测控电路，进行放大运算处理等进一步转换。

以获取被测值或进行过程控制[2]。

2.3无线传感网（WSN，wirelesssensorsnetworks）

传统互联网多数集中于人与物之间的联系，整个网络传输途径相对单一，无法将数据交换与传输空间扩散开来。

使用物联网最大的优点在于扩大了网络连接的关系，除了早期的人与物之间的信息交换外，也提供了物与物人与人等。

多个交流平台，使得任何物品之间都能完成信息交换操作。

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，是采用无线通信的方式形成的一个多跳自组织网络系统，能够通过集成化的微型传感器，协同地实时监测，感知，采集和处理网络覆盖区域中各种感知对象的信息，并对信息资料进行处理，再通过无线通信方式发送，并以自组多跳网络方式传送给信息用户，以此实现数据收集，目标跟踪以及报警监控等各种功能。

目前，传感器信息获取技术逐渐向集成化，微型化和网络化方向发展，其智能化的发展将会带来一场信息革命。

无线传感器网络技术综合了传感器技术，嵌入式计算技术现代网络及无线通信技术，分布式信息处理技术等先进技术，该技术具备的感知能力，计算能力，通信能力，给更多WSN的应用空间和应用价值提供了可能性，是物联网当前研究开发的热点之一[3]。

根据国际上所采用的通信技术种类可将无线传感器网络划分为无线广域网（WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）、无线个域网（WPAN）、低速率无线个域网（LR-WPAN）。

以下对各类网络各自常见和常用的通信技术进行简单介绍：

2.3.1无线城域网（WMAN）

在1999年，美国电气与电子工程师学会（InstituteofElectricalandElectronicEngineers，IEEE）设立了IEEE802.16工作组，其主要工作是建立和推进全球统一的无线城域网技术标准。

在IEEE802.16工作组的努力下，近些年陆续推出了IEEE802.16、IEEE802.16a、IEEE802.16b、IEEE802.16d等一系列标准。

然而IEEE主要负责标准的制订，为了使IEEE802.16系列技术得到推广，在2001年成立了WiMAX（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，全球微波接入互通）论坛组织，因而相关无线城域网技术在市场上又被称为“WiMAX技术”[4]。

2.3.2无线局域网（WLAN）

无线局域网是指以无线电波、红外线等无线媒介来代替目前有线局域网中的传输媒介（比如电缆）而构成的网络。

无线局域网内使用的通信技术覆盖范围一般为半径100m左右，也就是说差不多几个房间或小公司的办公室。

IEEE802.11系列标准是IEEE制订的无线局域网标准，主要对网络的物理层和媒体存取控制层进行规定，其中重点是对媒体存取控制层的规定。

目前该系列的标准有：

IEEE802.11、IEEE802.11b、IEEE802.11a、IEEE802.11g、IEEE802.11d、IEEE802.11e、IEEE802.11f、IEEE802.11h、IEEE802.11i、IEEE802.11j等，其中每个标准都有其自身的优势和不足。

IEEE已经制订且涉及物理层的4种IEEE802.11系列标准：

IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.11b和IEEE802.11g[5]。

2.3.3无线个域网WPAN

无线个域网WPAN（WirelessPersonalAreaNetworks）是指提供个人及消费类电子设备中间进行互联的无线短距离专用网络，用于很小范围内的终端与终端之间的连接，即点到点的短距离连接。

WPAN是基于计算机通信的专用网，工作在个人操作环境，把需要相互通信的装置构成一个网络，且无须任何中央管理装置及软件。

用于无线个域网的通信技术有很多，如红外（IrDA）、蓝（Bluetooth）、超宽带（UWB）、家用射频（HomeRF）、IEEE802.15.1、RFID等。

2.3.4低速率无线个域网LP-WAN

低速率无线个域网（Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork，LP-WPAN）是一种结构简单、低成本、低功耗的无线通讯网络，它的存在使得无线连接在功耗和低数据吞吐量的应用中成为可能。

可使用的通讯技术主要是IEEE802.15.4／ZigBee。

IEEE802.15.4（std2003）是IEEE无线个人区域网（PersonalAreaNetwork，PAN）工作组为满足低功耗、低成本的无线传感器网络要求而专门开发的低速率WPAN标准。

我们现在所用到的无线传感器网络一般都是LP-WAN的范围，国际标准一般是IEEE的802.15.4这个标准协议，定义了MAC层和物理层。

其他新的传感技术有UWB和NFC两种无线传感技术。

但是主要还是Zigbee的技术。

ZigBee网络的设备由协调器和许多的路由器组成,可形成网络拓扑结构。

该结构是一种网状拓扑结构,网络具有很强的自组织能力,当其中某个路由器设备失去工作能力时,与该路由器相关的链路会自动寻找其他合适的通信通道。

协调器负责和上位机通讯,实现数据的上传和下传来自上位机的命令,在本系统中协调器将作为网关系统的一部分。

路由器支持设备的关联,负责维护路由链路和实现网络数据的中继、转发,同时还可作为数据采集设备。

终端设备一般是网络中数量最多的设备,是网络数据的主要来源,负责传感数据的采集、处理和发送[6]。

2.4云计算（cloudcomputation）

2.4.1云计算的概念

云计算概念是由Google提出的，这是一个美丽的网络应用模式。

狭义云计算是指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的资源；广义云计算是指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需的服务。

这种服务可以是IT和软件、互联网相关的，也可以是任意其他的服务，它具有超大规模、虚拟化、可靠安全等独特功效。

2.4.2云计算的基本原理

云计算的基本原理是，通过使计算分布在大量的分布式计算机上，而非本地计算机或远程服务器中，企业数据中心的运行将与互联网更相似。

这使得企业能够将资源切换到需要的应用上，根据需求访问计算机和存储系统。

2.4.3云计算与物联网的关系

云计算是物联网发展的基石，并且从两个方面促进物联网的实现。

首先，云计算是实现物联网的核心，运用云计算模式使物联网中以兆计算的各类物品的实时动态管理和智能分析变得可能。

物联网通过将射频识别技术、传感技术、纳米技术等新技术充分运用在各行业之中，将各种物体充分连接，并通过无线网络将采集到的各种实时动态信息送达计算机处理中心进行汇总、分析和处理。

建设物联网的三大基石包括：

1、传感器等电子元器件；

2、传输的通道，比如电信网；

3、高效的、动态的、可以大规模扩展的技术资源处理能力

其中第三个基石：

“高效的、动态的、可以大规模扩展的技术资源处理能力”，正是通过云计算模式帮助实现。

其次，云计算促进物联网和互联网的智能融合，从而构建智慧地球。

物联网和互联网的融合，需要更高层次的整合，需要“更透彻的感知，更安全的互联互通，更深入的智能化”。

这同样也需要依靠高效的、动态的、可以大规模扩展的技术资源处理能力，而这正是云计算模式所擅长的。

同时，云计算的创新型服务交付模式，简化服务的交付，加强物联网和互联网之间及其内部的互联互通，可以实现新商业模式的快速创新，促进物联网和互联网的智能融合。

把物联网和云计算放在一起，实在是因为物联网和云计算的关系非常密切。

物联网的四大组成部分：

感应识别、网络传输、管理服务和综合应用，其中中间两个部分就会利用到云计算，特别是“管理服务”这一项。

因为这里有海量的数据存储和计算的要求，使用云计算可能是最省钱的一种方式。

3物联网在各个领域的应用

3.1物联网在生活中的应用

智能家居是一个系统的概念，融合了网络信息技术（有线、无线）、智能家电技术、自动控制技术等技术，将家庭平台上与信息相关的信息设备、智能家电和家庭安保装置，通过综合布线技术连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。

这些功能都是通过智能家居系统中的家庭网络控制来实现的，通过家庭总线系统提供各种服务功能、并和住宅以外的外部世界相通连。

智能家居系统通过网络化的综合管理家中设备，来创造一个优质、高效、舒适、安全、便利、节能、健康、环保的居住生活环境空间。

智能家居强调的是整体的环境，包括健康环境、人机互动的环境、安全的环境、经济的环境，以用户体验为核心的整体环境的创造[7]。

现在大多数智能家居系统还未形成物联网系统，而只是因为其中存在物联网技术，所以才会被误认为物联网技术全部应用于智能家居系统当中，但实际上只是某项技术被应用，例如:

以智能家居系统中的感知技术为例具体讲述基于物联网技术环境下的智能家居系统应用实现。

3.1.1无线红外防止闯入探测器

此项应用功能最主要是防止非法入侵者，例如:

室内主人按下床头无线睡眠的按钮之后，可能不只是关闭灯光，还有可能会启动设置的自动防止无线红外闯入的探测器，另外一旦出现入侵情况就会立刻报警，而且还会根据设定自动开启所入侵趋于内灯光，这样就能够将入侵者吓退。

当室内主人不在家时也会自动设防，有人闯入时会利用无线网关提醒手机，手机会自动发出警情处理的指令，室内设防器就会接收到。

3.1.2无线温湿度传感器

这个传感器主要是对室内外温湿度进行探测，尽管大部分的空调都会有自动探测温湿度的功能，然而因为空调体积受限，所以只能对空调出风口位置附近温湿度进行探测，而无线温湿度探测器能够准确对室内温湿度进行探测，室内温度一旦过低或者过高，就会提前将空调启动对室内温湿度进行调节。

当室内主人早上出门时，无线温湿度传感器尤为有效，当主人在空调房间时可能感觉不到户外温度，此时墙壁外温湿度传感器就会发挥功效，提醒主人户外实际温湿度。

3.1.3无线门铃

无线门铃对别墅或者大户型公寓很有意义"从安全角度讲，很多人在睡觉之前都会关紧房门，如果这时有人按下门铃突然造访，室内主人可能听不到铃声，但是无线铃声却可以给床头开关传递信号，这样主人就会知晓有客人到来"而家中无人的时候，门铃动作会利用网络给主人手机传递信息，无线门铃会告诉主人来访信息和家居安全与否。

3.1.4无线空气质量传感器

这类传感器主要是对主人卧室内空气混浊程度进行探测，以免影响正常休息，尤其是家居有婴幼儿主人时，空气混浊程度会对婴幼儿身体健康和免疫力造成直接影响，而无线空气质量传感器就能够适时保护家居主人身体健康，既能够做到提醒，还能够开启净化空气设备调节和优化室内空气的质量。

3.1.5无线煤气泄漏传感器

这种传感器主要对室内燃煤气泄漏等进行探测，不需要进行布线，如果出现燃煤气泄漏情况，网关就会直接发出警报，网关授权手机就会接收到信息，并且及时进行预警[8]。

3.2物联网在工业自动化中的应用

随着我国经济的发展，工业企业已经步入了物联网时代，在企业中广泛的对物联网技术进行实施和应用。

物联网技术能够适应多种不同的工业企业，不同领域的工业企业运用物联网技术达到了一种效率高，安全性好和节约成本的目标，最为主要的是节能减排[9]。

3.2.1生产制造领域

在工业生产领域中,物联网技术在其中的应用随着技术的进步趋于成熟，在工业中的每个环节中都能看到物联网技术的存在，比如，在企业生产环节中根据设备的性质不同安装物联网与之相关的技术来提高设备的运行效率，从而达到设备的运行效率。

对企业信息的采集和分析主要是由数据和信号处理技术来完成，生产中采用物联网识别技术对生产过程中的一些材料和产品质量进行必要的识别，对检测环节进行必要的监控，降低产品的质量问题。

物联网技术的应用不能够提升各领域中的自动化技术水平，而且降低了运行成本。

3.2.2产品信息化领域

随着我国人们生活质量的不断提高，大家对产品的安全性越来越重视，安全意识比较高，对产品中的一些关系到自身健康的信息非常重视，因此，产品中的各项信息成为了企业自动化发展中尤为重要的一个部分。

在企业实际生产中，产品信息在整个生产和销售环节占据着非常重要的位置，它在很大程度上决定着产品在市场中的覆盖率，能够最大程度上满足市场需求。

物联网技术在应用有监控技术，能够很好的对每个环节进行必要监控和管理。

3.2.3安全生产领域

我国工业企业中主要的规范是安全生产，因为物联网技术有强大的定位功能，在全球范围内进行有效定位，还具备了各种感知功能等，这些功能的使用能够起到很高的安全作用，因此，

把物联网技术应用到工业企业中来降低企业中面临的安全问题，很大程度上能够提高工业企业安全生产。

在生产是设备中和职工人员中安装物联网设备，实施定位，以此来保证企业生产中每个环节的安全生产，实现智能化，大大降低生产过程中出现的安全隐患，保证整个生产环节的秩序。

3.2.4节能减排领域

我国对工业的发展最为关注的是发展的可持续性，这种发展的可持续性住主要体现在不同领域的节能减排，通过降低对环