物联网——1 物联网概述

Posted 2023-02-14 langtaol

物联网概述

本文非原创，旨在于学习物联网相关知识。文中内容来自物联网与短距离无线通信技术教材，详情可以参考下面书籍。
董健 编著. 物联网与短距离无线通信技术(第2版).电子工业出版社.2016.9

物联网概念
20世纪40年代计算机的发明，人们对信息的处理和计算能力大大加强。20世纪90年代，互联网的兴起，加强了信息的传播能力。进入21世纪，物联网被认为是第三次信息革命浪潮，在全世界得到重视，各国相继将物联网作为国家发展战略。
最初的物联网（Internet of Things，IoT）也成为传感网， 目的在于让所有物品都与网络连接在一起。早期典型的物联网是将所有的物品通过短距离RFID等信息传感设备与互联网连接起来，实现局域范围内的物品“智能化识别和管理”。目前业界定义：物联网是通过各种信息传感设备按约定协议，把任何物体通过各种接入网技术连接起来的一个巨大智能网络。通过这一网络可以进行信息交换，实现智能化应用。
互联网实现了人与人的连接，IoT实现了人与物、物与物的连接。

与物联网相近的几个概念：传感网、互联网、泛在网。
 传感网是物联网的组成部分
 物联网是互联网的延伸
 泛在网是物联网发展的愿景

物联网发展
物联网最早的概念可追溯到1990年的施乐公司的可乐贩售机，工程师们每次煮咖啡的时候需要去看一下咖啡是否已经煮好了，为了不去人工检查，就在咖啡机旁装了摄像头，然后监控是否已经煮好了咖啡。1999年麻省理工学院Kevin教授首次提出物联网概念。然后物联网的概率逐渐流传开。
各国都在大力布局物联网的发展，以将其上升为国家战略。例如日本的“U-Japan”计划、韩国的“U-Korea”战略、 新加坡“下一代I-Hub”计划美国的“智慧的地球”、欧盟的物联网行动计划、中国的“感知中国”等。

物联网体系结构
根据物联网信息的生成、传输、处理和应用，物联网分为四层：感知层、传输层、支持层、应用层。


1．感知层
感知层为了实现全面感知，采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。物联网的数据采集涉及传感器、RFID、多媒体信息采集、二维码和实时定位等技术。
感知技术主要包括：（1）射频识别技术；（2）传感器技术；（3）GPS与物联网定位技术；（4）多媒体信息采集与处理技术；（5）二维码技术

2．传输层
传输层为了实现可靠的传输，直接利用现有网络技术，如互联网（IPv4/IPv6 网络）、移动通信网（如GSM、TD-SCDMA、WCDMA、CDMA、无线接入网、无线局域网等）、卫星通信网等基础网络设施，对来自感知层的信息进行接入和传输。
传输技术主要包括：（1）移动通信网；（2）互联网；（3）无线网络；（4）卫星通信；（5）短距离无线通信

3．支撑层
支撑层主要是在高性能网络计算环境下，将网络内大量或海量信息资源通过计算整合成一个可互连互通的大型智能网络，为上层的服务管理和大规模行业应用建立一个高效、可靠和可信的网络计算超级平台，可对海量信息进行处理、挖掘、分析等。支撑层利用了各种智能处理技术、高性能分布式技术、存储技术、挖掘技术等现代计算机技术。
支撑技术主要包括：（1）云计算（Cloud Computing）技术；（2）嵌入式系统（Embedded System）；（3）人工智能技术（Artificial Intelligence Technology，AIT）；（4）数据库与数据挖掘技术；（5）分布式并行计算；（6）多媒体与虚拟现实

4．应用层
应用层是物联网系统结构的最高层。应用层根据用户的需求，面向各行业提供差异化服务应用。为了做更好的应用系统，应用层必须结合不同行业的专业特点和业务模型及用户需求才能做出精细准确的智能化管理系统。如交通系统、安防系统、运输系统、农业系统、医疗系统、教育系统等。
用技术主要包括：（1）专家系统（Expert System）；（2）系统集成（System Integrate）技术；（3）编/解码（Coder and Decoder）技术

随笔

1. 端管云思想
   上面写了物联网的体系结构，与此相呼应的是业界常说的端管云架构。
   端就是感知层，以传感器、射频技术、终端设备为代表。传统设备如传感器，常用的如工业仪器仪表将温度、压力、湿度、加速度等物理信息转换为便于人们可识别的量化信息。现代化的射频扫描设备，将条码、二维码、数字标签等信息进行读取。现代社会中人们常用的消费品终端设备，如手机、音箱、平板、电脑等设备。
   管即管道，用于将传感器、终端设备信息进行传输，类似于一个管道，完成信息传输。以无线通信、移动通信、短距离通信、卫星通信、因特网为代表。常见的类型有家庭场景中路由器作为家居设备连接的入口，通过无线网络传输家庭设备数据，这类连接特征是设备比较集中，数据量可能较大，比如手机连接WiFi看电影、听歌等大流量场景，也包含冰箱、台灯等低流量连接场景。或者基站作为连接入口，通过移动网络连接单车、井盖、绿灯等低数据量交换设备。或者光纤终端作为连接入口，通过有线接入传输数据，如酒店的安防、监控系统，传输摄像头拍摄的视频流数据，等等。目前由于无线技术发展迅速，如5G技术使很多场景通过无线传输成为可能。有线和无线在传输领域将相互补充，共同完成管道左右。
   云即支持平台，和云计算紧密联系。云计算是分布式计算计算的一种，通过网络将庞大的计算工作切成一个个小任务，分发成不同的小集群上，由众多小集群计算分析后将结果返回汇总。这样提高了工作效率，缩短了计算时间。有人用发电厂的例子举例云计算。家里的电器设备需要供电才能使用，通过一个发电厂可以给一个城市供电，就不用每家都自己安装一个发电机了。大家按需取电，不用每个人去维护自己家中的发电机。使用了云计算技术后，个人所需的计算能力、存储能力等可以放在类似发电厂的一个云端完成。个人用户通过租赁形式使用计算、存储服务，同时应用云计算后，计算能力由云端服务器集群提供，算力比个人搭建的服务器能力强很多。用户只用集中精力关注上层应用即可。

2. 数据标签
   条码
   生活中购买的每一个物品，都有自己的标识，就是商品包装上那个黑白相间的条纹，下面数字和条纹表达的信息是相同的，被称为物联网的第一代身份证。每个条码字符的黑线和空白由若干个模块组合而成，一个模块表示1，空白表示0.标准条码由厂商识别码、商品项目码、校验码组成。厂商识别码由国家分配，商品项目码是厂商自己编码的。根据商品条码，可以查询商品信息，如价格、库存等关键信息。店内条码作为商品条码的补充，也具有很重要的作用，解决散装食品、蔬菜等的标签问题。店内条码只能在自己的超市系统中使用。
   二维码
   条码携带的数据量毕竟较少，它所想表达的信息都依赖后端的数据库。为了表达更丰富的信息，二维码的应用场景应运而生。当二维码配合手机时，二维码发展迅速。手机二维码可以打印、显示在广告、书籍、车票、支付界面，用户通过手机扫描二维码，进行信息提取，或快速索引到交互内容的地址。

3. 射频识别技术（RFID）
   射频识别技术的工作原理如下图所示。（内容来自百度，后期短距离通信会详细写一下）
   
   标签进入阅读器后，接收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（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
   阅读器（Reader）发射一特定频率的无线电波能量，用以驱动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。 以RFID 卡片阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成：感应耦合及后向散射耦合两种。一般低频的RFID大都采用第一种方式，而较高频大多采用第二种方式。
   阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。阅读器和标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时阅读器通过耦合给无源标签提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能