物联网组网技术.docx

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物联网组网技术

物联网组网技术

学号：

20145105007

本科学年论文（设计）

学院计算机与信息技术学院

专业物联网工程

年级2014级

姓名李豪杰

论文（设计）题目物联网组网技术及案例分析

指导教师郭华平职称讲师

2016年06月12日

物联网组网技术及案例分析

学生姓名：

李豪杰学号：

20145105007

计算机与信息技术学院物联网工程专业

指导教师：

郭华平职称：

讲师

摘要:

在对物联网概念进行简要介绍后，给出了物联网的组成结构模型，重点对传感网络的接入方式，包括多跳接入方式和单跳接入方式进行阐述。

接着研究了物联网重要环节射频识别技术的原理和组成。

最后融合物联网结构模型与射频识别技术，结合电力行业中对设备进行综合管理的应用需求，设计了物联网技术在电力设备巡检智能化管理中的一种应用方案。

关键词:

物联网 / 射频识别 / 无线传感器网络 / 现场总线网络 / 智能巡检

Abstract:

AfterabriefintroductionoftheconceptofInternetofthings,givesthestructuremodeloftheInternetofthings,focusonsensornetworkaccess,includingmultiplejumpedaccessandsingleaccess.Thenstudiedtheimportantlinkofthingstheprincipleofradiofrequencyidentificationtechnologyandcomposition.Thefinalfusioniotstructuremodelandradiofrequencyidentificationtechnology,combiningwiththeapplicationofcomprehensivemanagementofequipmentinthepowerindustryrequirements,designtheInternetofthingstechnologyintheelectricpowerequipmentinspectioninanapplicationplanoftheintelligentmanagement.

Keywords:

theInternetofthings  radiofrequencyidentification wirelesssensornetworks  fieldbusnetworks  intellectroutinginspection

1.什么是物联网？

物联网是在互联网基础上发展起来的一种网络,其末端延伸和扩展到了物品的智能化管理。

把任何物品通过信息传感设备,按约定的协议与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理,就构成了物联网的概念。

物联网有别于互联网,互联网主要目的是构建一个全球性的信息通信计算机网络,而物联网则主要从应用出发,利用互联网（包括无线通信网）的网络资源进行业务信息的传送,是互联网、移动通信网络应用的延伸,是自动化控制、遥测遥控及信息应用技术的综合展现。

2.物联网的结构和技术有哪些？

2.1组网结构

从物联网信息的角度看物联网需要解决物品信息的标识、感知、处理和传送4个环节,分别由不同的系统实现。

根据物联网的功能或组网方式可划分为3个大的子系统:

一是传感网络,实现物品信息的标识、感知,也被称为物品信息的自动识别,并按传输网络协议转发给传输网络;二是传输网络,实现物品信息传送和处理,即通过现有的或未来的NGN网络,实现数据的传输与计算;三是控制网络,接收传输网络的远端管理信息,实现对物品的现场处理或控制。

2.2传感网络

传感网络是指将多个物品的传感器系统相连接的自组织网络,通常是无线的并以多跳方式接入传输网络（互联网）,称为无线传感器网络,它是无线自组织网络（AdHoc）的一个重要分支。

无线传感器网络的各传感器结点监测本地环境的变化,收集和处理相关的传感信息,并通过转发、协作来实现各传感器之间的通信和资源共享,进而实现以多跳方式与网关机的通信并接入互联网。

根据应用情况也可简化,将物品的传感器系统直接（单跳方式）接入传输网络（互联网）,如目前的RFID阅读器就主要采用这种单跳接入方式。

2.3传输网络

与传感网络和控制网络连接的传输网络可以是Internet网络、移动通信网络、企业网等各种公用或专用网络。

考虑到物联网的目标是对任何物品进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理,它需要大量地址信息和大量的运算处理,因此必须引入新的结构和信息处理方式,如IPV6和云计算等最新技术处理物联网的海量信息。

2.4射频识别技术

物品信息的自动识别,包括物品识别、定位和跟踪,是物联网的关键技术,在这方面近期以射频识别（RFID）技术等发展最快、应用最广。

RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无需人工干预,可工作于各种恶劣环境。

一套完整的RFID系统,是由阅读器（Reader）与电子标签（TAG）也就是所谓的应答器（Transponder）及应用软件系统3部分所组成,其工作原理是Reader发射一特定频率的无线电波能量给Transponder,用以驱动Transponder电路将内部的数据送出,此时Reader便依序接收解读数据,送给应用程序做相应的处理。

与条形码、磁卡和接触式IC卡等其它标签相比,射频识别标签的优势明显,它可以容纳大量信息,能反复修改,识别的功能、效率也得到了大大提升,可以同时远距离识别多个高速运动的物体。

从理论上说,装上射频标签后,全世界的物品都将拥有一个独一无二、功能强大、非接触快速读取的身份证。

实际应用时,把RFID标签内置在各个需要智能化管理的物品上,把RFID读写器（阅读器）置入传感系统中,并以单跳方式（包括有线方式和无线方式）连入传输网络（互联网）。

3.案例分析

3.1智能家居

智能家居（英文：

smarthome,homeautomation）是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、 安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

<1>设计理念

智能家居控制的发展关键在于设计理念以及经营者的心态，市场目标客户真正需要什么东西，挣什么样的钱都要慎重考虑，如果只注重签单，不设身处地的为客户着想，不兼顾智能解决未来的发展，提供片面的智能家居解决方案，而不考虑客户的适用性，是不可取的，是急功近利的表现，这不仅降低了智能家居的应用效果，还不利于整个智能家居行业的发展。

智能家居控制系统的经营商更要本着消费者至上的理念，本着从客户利益出发心态，以认真、负责、诚信的态度，真正的从客户的实际需求出发，用心服务，用心为客户做智能家居控制设计和解决方案，把工程做好，让客户花最少的钱得到最大化的实惠，才是企业发展之道，才是智能家居行业发展之道。

<2>功能服务

1．始终在线的网络服务，与互联网随时相连，为在家办公提供了方便条件。

2．安全防范：

智能安防可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生。

一旦出现警情，系统会自动向中心发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而实现主动防范。

3．家电的智能控制和远程控制，如对灯光照明进行场景设置和远程控制、电器的自动控制和远程控制等。

4．交互式智能控制：

可以通过语音识别技术实现智能家电的声控功能；通过各种主动式传感器（如温度、声音、动作等）实现智能家居的主动性动作响应。

5．环境自动控制。

如家庭中央空调系统。

6．提供全方位家庭娱乐。

如家庭影院系统和家庭中央背景音乐系统。

7．现代化的厨卫环境。

主要指整体厨房和整体卫浴。

8．家庭信息服务：

管理家庭信息及与小区物业管理公司联系。

9．家庭理财服务。

通过网络完成理财和消费服务。

10．自动维护功能：

智能信息家电可以通过服务器直接从制造商的服务网站上自动下载、更新驱动程序和诊断程序，实现智能化的故障自诊断、新功能自动扩展。

3.2智能农业

智能农业（或称工厂化农业），是指在相对可控的环境条件下，采用工业化生产，实现集约高效可持续发展的现代超前农业生产方式，就是农业先进设施与陆地相配套、具有高度的技术规范和高效益的集约化规模经营的生产方式。

<1>简述

它集科研、生产、加工、销售于一体，实现周年性、全天候、反季节的企业化规模生产；它集成现代生物技术、农业工程、农用新材料等学科，以现代化农业设施为依托，科技含量高，产品附加值高，土地产出率高和劳动生产率高，是我国农业新技术革命的跨世纪工程。

智能农业产品通过实时采集温室内温度、土壤温度、CO2浓度、湿度信号以及光照、叶面湿度、露点温度等环境参数，自动开启或者关闭指定设备。

可以根据用户需求，随时进行处理，为设施农业综合生态信息自动监测、对环境进行自动控制和智能化管理提供科学依据。

通过模块采集温度传感器等信号，经由无线信号收发模块传输数据，实现对大棚温湿度的远程控制。

智能农业还包括智能粮库系统，该系统通过将粮库内温湿度变化的感知与计算机或手机的连接进行实时观察，记录现场情况以保证量粮库的温湿度平衡。

<2>发展与应用实例

传统农业生产活动中的浇水灌溉、施肥、打药，农民依靠人工估摸，全凭经验和感觉来完成。

而应用物联网，诸如瓜果蔬菜的浇水时间，施肥、打药，怎样保持精确的浓度，如何实行按需供给等一系列作物在不同生长周期曾被“模糊”处理的问题，都有信息化智能监控系统实时定量“精确”把关，农民只需按个开关，作个选择，或是完全听“指令”，就能种好菜、养好花。

从传统农业到现代农业转变的过程中，农业信息化的发展大致经历了计算机农业、数字农业、精准农业和智慧农业4个过程。

我国发展现代农业，面临着资源紧缺与资源消耗过大的双重挑战。

以信息传感设备、传感网、互联网和智能信息处理为核心的物联网将为农业生产过程中量化分析、智能决策、变量投入、定位操作的现代农业生产管理技术体系开辟新的思路和有利手段，将在农业领域得到广泛应用，并将进一步促进信息技术与农业现代化的融合。

基于物联网的智能农业可用于大中型农业种植基地、设施园艺、畜禽水产养殖和农产品物流，布设的6种类型的无线传感节点，包括空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度等，并通过低功耗自组织网络的无线通信技术实现传感器数据的无线传输。

所有数据汇集到中心节点，通过无线网关与互联网或移动网络相连，实现农业信息的多尺度（个域、视域、区域、地域）传输；用户通过手机或计算机可以实时掌握农作物现场的环境信息，系统根据环境参数诊断农作物生长状况和病虫害状况。

同时，在环境参数超标的情况下，系统可远程对灌溉等农业装备进行控制，实现农业生产的产前、产中、产后的过程监控，进而实现农业生产集约、高产、优质、高效、生态、安全等可持续发展的目标。

2002年，英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园。

传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔1min检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄可以健康生长。

研究人员发现，葡萄园气候的细微变化可极大地影响葡萄酒的质量。

通过长年的数据记录以及相关分析，便能精确地掌握葡萄酒的质地与葡萄生长过程中的日照、温度、湿度的确切关系。

这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。

2008年美国Crossbow公司开发了基于无线传感网络的农作物监测系统，基于太阳能供电，能监测土壤温湿度与空气温度，通过Internet浏览器为客户提供了农作物健康、生长情况的实时数据，已经在美国批量应用。

美国加州Camalie葡萄园在4.4英亩（1英亩=6.07亩）区域部署了20个智能节点，组建了土壤温湿度监测网络，同时还监测酒窖内存储温度的变化，管理人员可通过网络远程浏览和管理数据，在应用了网络化的监测管理之后，葡萄园的经济效益显著提高。

与2004年的2t产量相比，2005～2007年的产量逐年翻一番，分别达到了4t，8t和17.5t，同时也改善了葡萄酒品质，节省了灌溉用水。

日本富士通公司开发的富士通农场管理系统以全生命周期农产品质量安全控制为重点，带动设施农业生产、智能畜禽和智能水产养殖，实现设施农业管理、养殖场远程监控与维护、水产养殖生产全过程的智能化。

无锡阳山镇专门开发桃园种植技术的物联网监测系统，实现了高科技种桃，令人叹为观止。

该镇有25亩桃林作为物联网种植园的示范基地，由22个传感器和3个微型气象站组成的监测系统充当“智慧桃农”。

这种绿色农业种植模式有效压缩了成本，提高了经济效益，实现了高产、优品的种植目标。

中科院遥感应用研究所开发的基于无线传感网络和移动通信平台的农业生态环境监测系统，解决了大棚内监测温度、湿度的困难，在环境参数超过用户设置的范围时，系统可以通过短信方式对用户进行报警，同时用户可利用手机短信获取大棚内实时的温度、湿度或者登录Internet网页查看，用户还可以通过手机短信对大棚内的浇灌系统、天棚等设备进行控制。

上海交大机电控制与物流装备研究所针对葡萄新梢生长发育的规律特点，开发研制了基于嵌入式控制器和CCD彩色相机的葡萄新梢生长图像数据采集记录系统，实现了葡萄新梢生长态势的在线监测。

该系统针对葡萄生长发育特点，配备球坐标式图像采集支架，实现对图像采集角度的自由调整；设计开发的全光谱辅助照明装置，大限度地减少或避免了直射光对成像质量的影响；嵌入可编程式控制器实现了无人值守的自动拍照模式，用户可根据需求预先自由设定拍摄间隔，从而无需人工干预即可获取清晰的图像数据。

由于采用了商业化的CCD彩色相机，拍摄到的图像分辨率高且色彩真实，有利于后续的图像分析处理，可以得到理想的图像分割效果和精度。

同时系统还具备现场大容量SD卡存储和远程无线网络传输功能，既延长了监控周期，又可以实时地共享观测结果。

3.3智能工业

智能工业：

是将具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节，大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能化的新阶段。

工业和信息化部制定的《物联网“十二五”发展规划》中将智能工业应用示范工程归纳为：

生产过程控制、生产环境监测、制造供应链跟踪、产品全生命周期监测，促进安全生产和节能减排。

3.3.1物联网技术在工业领域的应用

制造业供应链管理物联网应用于企业原材料采购、库存、销售等领域，通过完善和优化供应链管理体系，提高了供应链效率，降低了成本。

空中客车（Airbus）通过在供应链体系中应用传感网络技术，构建了全球制造业中规模最大、效率最高的供应链体系。

生产过程工艺优化物联网技术的应用提高了生产线过程检测、实时参数采集、生产设备监控、材料消耗监测的能力和水平。

生产过程的智能监控、智能控制、智能诊断、智能决策、智能维护水平不断提高。

钢铁企业应用各种传感器和通信网络，在生产过程中实现对加工产品的宽度、厚度、温度的实时监控，从而提高了产品质量，优化了生产流程。

产品设备监控管理各种传感技术与制造技术融合，实现了对产品设备操作使用记录、设备故障诊断的远程监控。

GEOil&Gas集团在全球建立了13个面向不同产品的i-Center，通过传感器和网络对设备进行在线监测和实时监控，并提供设备维护和故障诊断的解决方案。

环保监测及能源管理物联网与环保设备的融合实现了对工业生产过程中产生的各种污染源及污染治理各环节关键指标的实时监控。

在重点排污企业排污口安装无线传感设备，不仅可以实时监测企业排污数据，而且可以远程关闭排污口，防止突发性环境污染事故的发生。

电信运营商已开始推广基于物联网的污染治理实时监测解决方案。

工业安全生产管理把感应器嵌入和装备到矿山设备、油气管道、矿工设备中，可以感知危险环境中工作人员、设备机器、周边环境等方面的安全状态信息，将现有分散、独立、单一的网络监管平台提升为系统、开放、多元的综合网络监管平台，实现实时感知、准确辨识、快捷响应、有效控制。

3.3.2物联网技术与工业技术相结合

与未来先进制造技术相结合是物联网应用的生命力所在。

物联网是信息通信技术发展的新一轮制高点，正在工业领域广泛渗透和应用，并与未来先进制造技术相结合，形成新的智能化的制造体系。

这一制造体系仍在不断发展和完善之中。

概括起来，物联网与先进制造技术的结合主要体现在8个领域。

泛在感知网络技术　建立服务于智能制造的泛在网络技术体系，为制造中的设计、设备、过程、管理和商务提供无处不在的网络服务。

面向未来智能制造的泛在网络技术发展还处于初始阶段。

泛在制造信息处理技术　建立以泛在信息处理为基础的新型制造模式，提升制造行业的整体实力和水平。

泛在信息制造及泛在信息处理尚处于概念和实验阶段，各国政府均将此列入国家发展计划，大力推动实施。

虚拟现实技术　采用真三维显示与人机自然交互的方式进行工业生产，进一步提高制造业的效率。

虚拟环境已经在许多重大工程领域得到了广泛的应用和研究。

未来，虚拟现实技术的发展方向是三维数字产品设计、数字产品生产过程仿真、真三维显示和装配维修等。

人机交互技术　传感技术、传感器网、工业无线网以及新材料的发展，提高了人机交互的效率和水平。

制造业处在一个信息有限的时代，人要服从和服务于机器。

随着人机交互技术的不断发展，我们将逐步进入基于泛在感知的信息化制造人机交互时代。

空间协同技术　空间协同技术的发展目标是以泛在网络、人机交互、泛在信息处理和制造系统集成为基础，突破现有制造系统在信息获取、监控、控制、人机交互和管理方面集成度差、协同能力弱的局限，提高制造系统的敏捷性、适应性、高效性。

平行管理技术　未来的制造系统将由某一个实际制造系统和对应的一个或多个虚拟的人工制造系统所组成。

平行管理技术就是要实现制造系统与虚拟系统的有机融合，不断提升企业认识和预防非正常状态的能力，提高企业的智能决策和应急管理水平。

电子商务技术　制造与商务过程一体化特征日趋明显，整体呈现出纵向整合和横向联合两种趋势。

未来要建立健全先进制造业中的电子商务技术框架，发展电子商务以提高制造企业在动态市场中的决策与适应能力，构建和谐、可持续发展的先进制造业。

系统集成制造技术　系统集成制造是由智能机器人和专家共同组成的人机共存、协同合作的工业制造系统。

它集自动化、集成化、网络化和智能化于一身，使制造具有修正或重构自身结构和参数的能力，具有自组织和协调能力，可满足瞬息万变的市场需求，应对激烈的市场竞争。

<3>解决工业领域物联网应用面临的关键技术问题

从整体上来看，物联网还处于起步阶段。

物联网在工业领域的大规模应用还面临一些关键技术问题，概括起来主要有以下几个方面。

工业用传感器　工业用传感器是一种检测装置，能够测量或感知特定物体的状态和变化，并转化为可传输、可处理、可存储的电子信号或其他形式信息。

工业用传感器是实现工业自动检测和自动控制的首要环节。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

可以说，没有众多质优价廉的工业传感器，就没有现代化工业生产体系。

工业无线网络技术　工业无线网络是一种由大量随机分布的、具有实时感知和自组织能力的传感器节点组成的网状（Mesh）网络，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，具有低耗自组、泛在协同、异构互连的特点。

工业无线网络技术是继现场总线之后工业控制系统领域的又一热点技术，是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点，已经引起许多国家学术界和工业界的高度重视。

工业过程建模　没有模型就不可能实施先进有效的控制，传统的集中式、封闭式的仿真系统结构已不能满足现代工业发展的需要。

工业过程建模是系统设计、分析、仿真和先进控制必不可少的基础。

此外，物联网在工业领域的大规模应用还面临工业集成服务代理总线技术、工业语义中间件平台等关键技术问题。

3.3.3智能工业的价值

工业化的基础是自动化，自动化领域发展了近百年，理论，实践都已经非常完善了。

特别是随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂营运而生的DCS控制系统，更是计算机技术，系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术结合的产物。

DCS的理念是分散控制，集中管理。

虽然自动设备全部联网，并能在控制中心监控信息而通过操作员来集中管理。

但操作员的水平决定了整个系统的优化程度。

有经验的操作员可以使生产最优，而缺乏经验的操作员只是保证了生产的安全性。

是否有办法做到分散控制，集中优化管理？

需要通过物联网根据所有监控信息，通过分析与优化技术，找到最优的控制方法，是物联网可以带给DCS控制系统的。

　　IT信息发展的前期其信息服务对象主要是人，其主要解决的问题是解决信息孤岛问题。

当为人服务的信息孤岛问题解决后，是要在更大范围解决信息孤岛问题。

就是要将物与人的信息打通。

人获取了信息之后，可以根据信息判断，做出决策，从而触发下一步操作；但由于人存在个体差异，对于同样的信息，不同的人做出的决策是不同的，如何从信息中获得最优的决策？

另外“物”获得了信息是不能做出决策的，如何让物在获得了信息之后具有决策能力？

智能分析与优化技术是解决这个问题的一个手段，在获得信息后，依据历史经验以及理论模型，快速做出最有决策。

数据的分析与优化技术在两化融合的工业化与信息化方面都有旺盛的需求。

除此之外还有很多案例，例如智能医疗，智能环保，智能交通等等，各个方面都需要我们去开发去应用去感受物联网的魅力。

参考文献

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