物联网技术与应用毕业设计论文Word下载.docx

1、 1.2 物联网的发展历程 早在1999年，美国麻省理工学院在建立“自动识别中心”时就前瞻性地提出了“万物均可通过网络互联”的观点，物联网（IOT，The Internet of Things）的概念由此产生。2005年11月17日，国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS，World Summit on the Information Society）上，发布了ITU互联网报告2005：物联网（ITU Internet Report 2005: The Internet of Things）。在

2、这份报告中，ITU指出无所不在的物联网通信时代即将来临，泛在通信（Ubiquitous Communication）的形式已经从短距离的移动收发设备扩展到长距离的设备和日常用品，从而促成了人和人、物和物之间的新的通信形式的诞生。信息技术和通信技术的世界中加入了新的维度：由过去的任何人（anyone）之间在任何时间（anytime）、任何地点（any place）的信息交换，发展成了任何物体（anything）之间、任何人之间在任何时间、任何地点的信息交换。图11 信息交换维度图（ITU发布） 2008年11月，IBM董事长兼CEO彭明盛（Palmisano）在纽约召开的外国关系理事会上，正式提

3、出“智慧地球”（Smart Planet）。IBM指出，世界的基础结构正在朝着“智慧”的方向发展，联网对象即构成物联网的车辆、设备、摄像头、车道、管道等的数量正在迈向一万亿大关。“智慧地球”战略提出要将传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓物联网，再通过超级计算机和云计算将物联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。2009年01月28日，奥巴马总统在和工商领袖举行的圆桌会议上，对IBM提出的“智慧地球”概念给予积极回应。其中，要形成智慧型基础设施物联网，已被美国人认为是振兴经济、确立竞争优势的关键战略。 2009

4、年08月07日，温家宝总理在无锡新区调研时，深入阐述了感知中国、智慧中国的新理念，对无锡市微纳传感网工程技术研究中心给予高度关注，并提出了“把传感网络中心设在无锡、辐射全国”的想法。温家宝总理指出“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”，“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫感知中国中心”。11月03日上午，温家宝总理又在人民大会堂向首都科技界发表了题为让科技引领中国可持续发展的讲话，讲话中指出，未来要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的“发动机”。这清晰地指明

5、物联网已经上升为国家战略，其相关技术将得到大力发展。1.3 物联网的网络架构 图12 物联网架构图在物联网的网络结构中，包括四个层次：最底层是传感器网络层，即以传感器、RFID以及各种手机、PDA等机器终端为主，完成对底层信息的全面感知和采集功能；第二层是传输网络层，即通过现有的互联网、广电网络、无线通信网等网络，实现数据的汇聚和传输功能；第三层是中间件层，通过构建中间件来屏蔽各类传输网络的差异性，为上层应用提供统一的数据调用接口，同时对传输网络层汇聚上来的信息进行理解、推理和决策；最上层是应用和服务层，即通过对调用数据的处理和解决方案来管理和控制手机、PC等终端设备，实现人们所需要的应用服务

6、；或者与行业专业技术深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化。第二章 物联网关键技术ITU在ITU互联网报告2005：物联网报告中预测RFID技术、传感器技术、纳米技术和智能嵌入技术将在物联网时代得到更加广泛的应用。2.1 RFID技术 RFID（Radio Frequency Identification，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，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID的基本组成部分如下：（1）标签（Tag）：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；（2）阅读器（Reader）：读取

7、（有时也可以写入）标签信息的设备，可设计为移动式或固定式；（3）天线（Antenna）：在标签和读取器间传递射频信号。图21 RFID基本组成图 RFID技术的基本工作原理：标签进入磁场后，接收到阅读器发出的射频信号，无源标签或被动标签（Passive Tag）凭借射频电磁波束中所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，有源标签或主动标签（Active Tag）则主动发送某一频率的信号；阅读器读取信息并解码后，将信息送至中央信息系统进行相关数据处理。RFID的关键技术如下：（1）标签的能量供应 有源标签自带电池，用于给数据载体供电。而无源标签工作所需能量则从射频电磁波束中获取，和有源射频识别系

8、统相比，无源系统需要较大的发射功率，射频电磁波在标签上经射频检波、倍压、稳压、存储电路处理，转化为标签工作所需的工作电压。（2）标签到阅读器的数据传输 标签回送到阅读器的数据传输方式可归结为三类：（a）利用负载调制的反射或反向散射方式（反射波的频率与阅读器的发送频率一致）；（b）利用阅读器发送频率的次谐波传送标签信息（标签反射波与阅读器的发送频率不同，为其高次谐波（n倍）或分谐波（1/n倍）；（c）其它形式。（3）数据传输的完整性与安全性 由于数字信号在传输的过程中会受到干扰，故其传输至接收端可能发生误判，为保证数据的完整性，可以使用校验和法来识别传输错误并进行校正，最常用的是奇偶校验法以及冗

9、余校验法。在与安全相关的领域，例如出入系统、售票系统越来越多地应用射频识别系统，在数据传输的过程中难免不受到攻击，因此必须采取一定的防范措施保证数据安全，例如可以通过在阅读器与标签之间建立密钥来对要传输的数据进行加密，达到安全的目的。（4）多目标识别技术（反碰撞算法） 当阅读器信号作用范围内存在多个标签，同一时刻有两个或两个以上的标签向阅读器返回信息时，将产生冲突。解决冲突的算法称为反碰撞算法。传统无线电技术（如通信卫星、移动电话网）已有空分多路法、频分多路法、时分多路法以及码分多路法来解决类似问题。但在射频识别系统中，由阅读器和标签构成的无线网络有以下特征：（a）规模：每个阅读器工作区域内可

10、能存在大量标签；（b）体积：标签附着在各种商品上，体积不能太大；（c）成本：粘贴标签的商品本身价值可能很低，所以标签的成本不能太高；（d）通信量：标签内包含的信息量很少，阅读器与标签间的通信时间很短。 所以解决射频识别技术标签冲突的反碰撞算法存在与传统无线电技术不同之处。现有的反碰撞算法主要是ALOHA算法、分隙ALOHA算法、二进制搜索算法等。2.2 传感器技术 传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其它装置或器官。国家标准GB766587对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用

11、信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。根据传感器工作原理，可将其分为三大类：（1）物理传感器 物理传感器应用某些物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应，将被测信号量的物理量转换成便于处理的电信号。（2）化学传感器 化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。（3）其它 几种常见的传感器如下：（a）电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这些物理量转换成电阻值的器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器。（b）电阻应变式传感器

12、传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类。（c）压阻式传感器 压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在基片上经扩散电阻而制成的器件。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥会产生相应的不平衡输出。（d）热电阻传感器 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。（e）温度传感器 室温管温传感器：室温传感器用于测量室内和室外的环境温度，管温传感器用于测量蒸发器和冷凝器的管壁温度。

13、排气温度传感器：排气温度传感器用于测量压缩机顶部的排气温度。（f）光敏传感器 光敏传感器是最常见的传感器之一，在自动控制和非电量电测技术中占有重要地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处时就会产生电流。 我国近年来在传感器的设计、关键工艺、可靠性、产品开发等方面均有不同程度的突破与创新。（1）“九五”攻关完成的传感器CAD技术，可以实现传感器的全过程设计；（2）微机械加工技术，在国内首次实现了用微机械加工工艺批量生产压力传感器；（3）建成了目前国内唯一具有上世纪90年代国际先进制造设备、工艺及规模化生产能力的微机械加工传感器的生产线；（4）可靠性技术的开展, 使传感器的成品率普遍提

14、高10、可靠性水平提高一到二个等级。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高。传感器技术的发展趋势可以从四个方面概括：（1）开发新材料、新工艺和开发新型传感器 随着光纤材料、纳米材料、超导材料、人工智能材料的不断发展，制造传感器的材料逐渐具备能够感知环境条件变化的功能，识别和判断功能，发出指令和自采取行动功能。利用这些材料能够研制无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器。（2）传感器的多功能和集成化 多功能是指一个传感器能够检测两个或两个以上的参数；集成化能够实现软件和硬件的集成，数据的集成与融合，传感器阵列的集成和多功能、多参数的复合传感器。（3）传感硬件系统与

15、元器件的微小型化参考集成电路微小型化的经验，实现传感技术硬件系统的微小型化可以提高其可靠性，加快处理速度，降低成本，节约资源与能源，减少对环境的污染。（4）通过传感器与其它学科的交叉整合，实现无线网络化传感器与多学科交叉融合将推动无线传感器网络的发展。无线传感器网络是由大量具有无线通信能力与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布式网络系统。利用微传感器与微机械、通信、自动控制、人工智能等多学科的综合技术，实现传感器的无线网络化，使其能根据环境自主完成指定任务。2.3 纳米技术 纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米技术的使用可以使得物联网中的物体变得“更轻、更高

16、、更强”。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，传感器等感知设备的制备体积更小更轻盈；“更高”是指纳米材料具备更高的光、电、磁、热性能；“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能（如强度和韧性等）。纳米技术主要包含以下四个方面：（1）纳米材料 纳米材料是一种既具不同于原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能材料。当物质到纳米尺度后，约为0.1100纳米，其性能就会发生突变。纳米材料的制造主要采用纳米技术。纳米技术是利用光刻及腐蚀等技术，从宏观尺度自下而上的自组装的制造材料。（2）纳米动力学 在动力学上，纳米技术主要运用于微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS），如有传动机械的微型传感器、光纤

17、通信系统、特种电子设备、医疗和诊断仪器等。MEMS系统采用类似集成电器设计和制造的新工艺，其特点是部件尺寸小，刻蚀深度达数十至数百微米，宽度误差小。（3）纳米生物学和纳米药物学 纳米生物学一方面利用新兴的纳米技术研究生物学问题；另一方面利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造类似生物大分子的分子机器。纳米生物学发展到一定技术时，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，可以用于定向杀癌细胞。（4）纳米电子学 在电子学领域，纳米技术的应用包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光电性质、原子操纵和原子组装等。电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷

18、。更小是指器件和电路的尺寸要更小；更快是指响应速度要更快；更冷是指单个器件的功耗要更小。纳米技术的应用能够使电子技术的发展更快地达到这些要求。2.4 智能嵌入（Embedded Intelligence）技术 嵌入式技术是将计算机作为一个信息处理部件，嵌入到应用系统中的技术，即将软件固化集成到硬件系统中，将硬件系统与软件系统一体化。嵌入式具有软件代码小、高度自动化和响应速度快等特点。嵌入式技术的关键在于核心芯片的选择，核心芯片的特点有：（1）有可扩展的处理器结构，能最迅速地开发出满足应用的高性能嵌入式微处理器；（2）嵌入式微处理器必须功耗很低；（3）对实时多任务有较强的支持能力；（4）具有功能

19、很强的存储区保护功能。 嵌入式技术的应用，使得系统的架构更加清晰简捷。系统的软件采用分层设计，不仅方便维护，而且大大提高了代码的利用率，缩短了开发周期。第三章 物联网的典型应用3.1 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：（1）交通管理系统该系统包括：（a）在途驾驶员信息 （b）交通状况监视 （c）车流量管理 （d）交通指挥控制 （e）突发事件管理系统 （2）

20、公共交通运营系统 （a）公共运输管理 （b）途中换乘信息 （c）满足个人需求的非定线公共交通 （3）电子收费系统 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。图31 智能公共交通系统示意图 图32 电子收费不停车系统图 （4）旅行信息系统 （a）出发前的出行信息 （b）出行中的实时交通线路引导 （c）出行中的拥挤区域规避建议 （5）运营车辆高度管理系统 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

21、率。（6）紧急事故处理系统 （a）紧急告警与人员安全 （b）应急车辆管理 （c）危险品应急处理 （d）应急响应和疏散 （7）车辆控制和安全系统 （a）车辆的纵向、侧向、交叉口避撞 （b）事故安全保护 （c）道路周边危险预警，例如提前感知弯道、上下坡、限高通行区或者前方不明物体穿越等。（d）自动驾驶 （8）道路天气管理系统 （a）道路天气信息发布 （b）路面情况监视 （c）前方路面情况预测 （9）驾驶员帮助系统 （a）导航帮助 （b）疲劳驾驶告警 （c）恶劣环境下的安全驾驶，例如低能见度时驾驶员主动视觉增强和湿滑路面的速度控制等。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

22、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。根据国家未来的发展规划，智能交通系统的建设将继续加大发展力度，主要从以下几个方面进行建设：（1）在50个左右的大城市推广交通信息服务平台建设，提供交通信息查询、交通诱导等服务；（2）在200个以上的城市发展城市智能控制信号系统，形成智能化的交通指挥系统；（3）在100个以上的大城市推进大城市公共交通区域调度和相应的系统的建设，加大电子化票务的建设与应用。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

23、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。3.2 智能医疗 智能医疗利用无线传感器技术、短距离通信技术（ZigBee、WiFi）、蜂窝移动通信网（2G/3G）、互联网技术等先进通信技术，促进医疗设备的微型化和网络化，促进医疗信息的共享化，同时促进医疗模式向预防为主的方向发展。在未来的智能化医疗信息系统中，病患基本信息、病历记录、各种实验室检验信息，乃至财务信息都将被整合在其中。智能医疗发展的三个阶段如下：（1）医院管理信息化（HMIS，Hospital Manager Information System）阶段。在HMIS阶段，通过建设医院内部部门级信息化管理

24、、全院级信息化管理、人力资源管理等系统，实现医院内部各部门之间信息的共享。（2）临床管理信息化（HCIS，Health Care Information System）阶段 在HCIS阶段，要建设电子病历、电子处方、影像管理、重症监护等系统，以病患信息的采集、存储、展现、处理为中心，为临床医护人员和医技科室服务。例如电子处方应用能有效避免医疗事故并实现对用药成本的控制。在使用电子处方时，医生用电脑或者数字手持设备，通过一个加密网络将处方直接传送至后台，在医院、药店和卫生管理当局联网共享的数据平台上进行统一登记和共享查询，电子处方系统可以非常方便地查询到病患的用药史和过敏源，还可以避免药物间的相

25、互冲突引发的不良反应。同时，医生也可以通过电子处方系统了解到病患的药费负担，选择相应价位的药品。由于电子处方系统直接与医保系统联网，病患还能对自身的财务负担进行估计，决定是否选择某些不在报销目录之内的新药、特效药。电子病历系统可以帮助为病患进行诊断的任意医生，通过登录该系统来了解病患的过往病史和医学诊断材料，如X光片、化验结果和用药历史等等，免去重复诊断、化验的过程。这样不但可以节省救治时间，还可以降低高昂的仪器诊断费用。（3）区域医疗卫生服务（GMIS，Global Medical Information Service）阶段 在区域医疗卫生服务阶段，将以电子处方系统和电子病历系统为基础，整

26、合成为个人电子健康档案，然后进行联网，再拓展到单个医院之外的社区、城市乃至更大范围内的医疗信息共享，以实现“区域医疗信息网络”和“整合医疗平台”。区域医疗信息网络将实现从科室和医院的医疗信息孤岛到跨医院、跨社区的整合的信息共享的转变。在此网络中，信息能够自由地在医院间得到必要的共享，特别是在查找和获得外部信息（如其它医院中的特色专科）和病患在医院间转诊时。通过各医院的系统，病患信息能够得到及时必要的收集和存储并被添加到个人健康档案中，供今后区域医疗系统范围内的各医疗机构调用。图33 区域整合医疗平台图（IBM发布）3.3 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

27、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。其中，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。图34 智能物流示意图（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RFID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

28、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。智能物流的发展重点：（1）货运集装箱追踪与管理 实时记录箱、货、