1)感知技术(感知层)
感知技术也称信息采集技术,是实现物联网的基础。目前,信息采集主要采用电子标签和传感器等方式完成。在感知技术中,电子标签用于对采集的信息进行标准化标识,数据采集和设备控制通过射频识别读写器、二维码识读器等实现。
(1)射频识别(RFID)
RFID是一种非接触式的自动识别技术,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 技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷、方便。
RFID按照能源的供给方式分为无源RFID、有源RFID以及半有源RFID。无源RFID读写距离近,价格低;有源RFID可以提供更远的读写距离,但是需要电池供电,成本要更高一些,适用于远距离读写的应用场合;半有源RFID则介于两者之间。
RFID是一种通信技术,可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据,而无须识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触,即是一种非接触式的自动识别技术。它由以下三部分组成。
①标签——由耦合元件及芯片组成,具有存储与计算功能,可附着或植入手机、护照、身份证、人体、动物、物品和票据中,每个标签具有唯一的电子编码,附着在物体上用于唯一标识目标对象,图6.2 为各种类型的电子标签。根据标签的能量来源,可以将其分为被动式标签、半被动式标签和主动式标签。
图6.2 RFID电子标签
②阅读器——读取(有时还可以写入)标签信息的设备,可设计为手持式或固定式,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。阅读器和应答器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应答器提供能量和时序。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。图6.3 为常见桌面式RFID阅读器。
图6.3 RFID阅读器
③天线——在标签和读取器间传递射频信号。标签进入磁场后,接收解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),或者主动发送某一频率的信号(Active Tag,有源标签或主动标签);解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。图6.4 为RFID天线。
海马射频识别系统(RFID)案例
图6.4 RFID天线
(2)传感器技术
传感器(Sensor)是一种把物理量转换成电信号的器件,是机器感知物质世界的“感觉器官”,用来感知信息采集点的环境参数。它可以感知热、力、光、电、声和位移等信号,为物联网系统的处理、传输、分析和反馈提供最原始的信息。随着电子技术的不断进步,传统的传感器正逐步实现微型化、智能化、信息化和网络化。
①传感器的作用。从广义上讲,传感器是一种能将被测的物理量转换为与之相对应的且具有规定准确度的某种信号的换能器件或装置。由于当今电信号最易于传输和处理,故也可将传感器狭义地定义为能将被测物理量转换为电信号的装置。
传感器是整个测试系统的首要环节,其作用类似于人的感觉器官。它将被测物理量,如力、位移、温度等,转换为可测信号后,传送给测试系统的信号处理装置,供作分析、处理,以便得到所需的测量数据,或变换为相应的控制信号。
传感器也可以认为是人的感官的延伸,因为借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物,如用热电偶可以测量炽热物体乃至高温炉内的温度;用超声波探测器可以测量海水深度或者承载构件内的缺陷;用红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和污染情况;等等。因此可以说,传感器是人们认识事物的有力工具,不但在测试技术中,而且在现代信息工程、仪器仪表和自动化系统中都有着十分重要的作用。
②传感器的组成与分类。传感器一般是由敏感元件、转换元件和其他辅助元件组成(图6.5),其中敏感元件是用来感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量的元件,其作用是检测感应被测物体信息。转换元件是只感受由敏感元件输出的与被测量成确定关系的其他量并将其转换成电量输出的元件,其作用是把被测物体信息转换为可用输出信号(电量)。
图6.5 传感器的组成
表6.1 常用传感器的分类
2)信息传输技术(网络层)
物联网的无线通信技术很多,主要分为两类:一类是ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、Z-Wave等短距离通信技术;另一类是LPWAN(Low-Power Wide-Area Network,低功耗广域网),即广域网通信技术。LPWAN又可分为两类:一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox 等技术;另一类是工作于授权频谱下,3GPP 支持的3/4/5G 蜂窝通信技术,如EC-GSM、LTE Cat-M、NBIOT等。
(1)ZigBee技术
ZigBee是基于IEEE802.15.4 标准的低功耗局域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息,也就是说,蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本,主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。简言之,ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术。
ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4 GHz(全球流行)、868 MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3 个频段上,分别具有最高250 kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的传输速率,它的传输距离在10 ~75 m,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee具有以下特点。
①功耗低:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1 mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达6 个月到2 年左右的使用时间,这是其他无线设备望尘莫及的。
②成本低:ZigBee模块的初始成本在6 美元左右,估计很快就能降到1.5 ~2.5 美元,并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
③时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备的时延为30 ms,休眠激活的时延为15 ms,活动设备信道接入的时延为15 ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。
④网络容量大:一个星形结构的ZigBee网络最多可以容纳254 个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100 个ZigBee网络,而且网络组成灵活。
⑤可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
⑥安全:ZigBee提供基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用AES-128 的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
ZigBee模块是一种物联网无线数据终端,利用ZigBee 网络为用户提供无线数据传输功能。该产品采用高性能的工业级ZigBee方案,提供SMT与DIP 接口,可直接连接TTL接口设备,实现数据透明传输功能;低功耗设计,最低功耗小于1 mA;提供6 路I/O,可实现数字量输入输出和脉冲输出;其中有3 路I/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能。(www.xing528.com)
ZigBee模块已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业,如智能电网、智能交通、智能家居、金融、移动POS终端、供应链自动化、工业自动化、智能建筑、消防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、农业、林业、水务、煤矿和石化等领域。
(2)蓝牙技术
蓝牙(Bluetooth)是一种短距离无线电技术,以低成本的近距离无线连接为基础,为固定和移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术。利用“蓝牙”技术,能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话等移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化以上这些设备与因特网之间的通信,从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效,为无线通信拓宽了道路。它具有无线性、开放性和低功耗等特点。
蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2.4 GHz的ISM(工业、科学、医学)频段,这样用户不必经过申请便可以在2 400 ~2 500 MHz内选用适当的蓝牙无线电收发器频段。频道采用23 个或79 个,频道间隔均为1 MHz,采用时分双工方式。调制方式为BT =0.5 的GFSK,调制指数为0.28 ~0.35。
蓝牙技术产品应用于移动电话、家庭及办公室电话系统中,可以实现真正意义上的个人通信,即个人局域网。这种个人局域网采用移动电话为信息网关,使各种便携式设备之间可以交换内容。
在商务办公方面,可以实现数据共享,资料同步。利用蓝牙技术还可以制造电子钱包和电子锁,在很多消费场合进行电子付账或在宾馆接待处实现电子登记服务等。在家庭方面,蓝牙技术可以将新型家电、家庭安防设施、家居自动化与某一类型的网络进行有机结合,建立了一个智能家居系统。
(3)Wi-Fi技术
Wi-Fi是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准(IEEE 802.11),也可以看作3G技术的一种补充。Wi-Fi技术与蓝牙技术一样,同属于在办公室和家庭中使用的无线局域网通信技术。Wi-Fi是一种短程无线传输技术,能够在数百英尺内支持互联网接入无线电信号。它的最大优点是传输速度较高,在信号较弱或有干扰的情况下,带宽可调整,有效地保障了网络的稳定性和可靠性。但是随着无线局域网应用领域的不断拓展,其安全问题也越来越受到重视。
①Wi-Fi技术概念
Wi-Fi(Wireless Fidelity)俗称无线宽带,又称802.11b 标准,是IEEE 定义的一个无线网络通信的工业标准。IEEE 802.11b标准是在IEEE 802.11 的基础上发展起来的,工作在2.4 GHz频段,最高传输率能够达到11 Mbps。该技术是一种可以将个人电脑、手持设备等终端以无线方式互相连接的一种技术。目的是改善基于IEEE 802.1 标准的无限网络产品之间的互通性。
Wi-Fi局域网本质的特点是不再使用通信电缆将计算机与网络连接起来,而是通过无线的方式连接,从而使网络的构建和终端的移动更加灵活。
②Wi-Fi的组成
Wi-Fi是由AP(Access Point)和无线网卡组成的无线网络。AP 一般称为网络桥接器或接入点,它被当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁,因此任何一台装有无线网卡的PC均可通过AP 去分享有线局域网络甚至广域网络的资源,其工作原理相当于一个内置无线发射器的Hub或者路由,而无线网卡则是负责接收由AP 所发射信号的Client 端设备。
一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP,如此便能以无线的模式,配合既有的有线架构来分享网络资源,架设费用和复杂程序远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网,也可不要AP,只需要每台电脑配备无线网卡。AP 一般翻译为“无线访问节点”或“桥接器”。它主要在媒体存取控制层MAC 中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。有了AP,就像一般有线网络的Hub一般,无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对宽带的使用,Wi-Fi更显优势,有线宽带网络(ADSL、小区LAN 等)到户后,连接到一个AP,然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP 已经足够,甚至用户的邻里得到授权后,则无须增加端口,也能以共享的方式上网。
(4)LoRa技术
LoRa的全称是“Long Rang”,是LPWAN一种成熟的通信技术。它是美国Semtech 公司的一种基于扩频技术的低功耗超长距离无线通信技术,也是Semtech 公司的私有物理层技术,主要采用的是窄带扩频技术,抗干扰能力强,大大改善了接收灵敏度,在一定程度上奠定了LoRa技术的远距离和低功耗性能的基础。
LoRa无线技术使用全球免费频段,基站或者网关有很强的穿透能力,在郊区连接传感器的距离可以达到15 ~30 km。LoRa 使用异步协议,节点可以根据完成具体的任务而进行长短不一的休眠,辅以较低的数据速率,使得电池的寿命可达到3 ~10 年。覆盖范围广、使用时间长,而且LoRa的节点可以达到百万级,这些显著的特征使得LoRa技术可以应用在要求功耗低、远距离、大量连接等物联网应用。
(5)NB-IOT技术
NB-IOT(Narrow Band Internet of Things)是可与蜂窝网融合演进的低成本电信级高可靠性、高安全性广域物联网技术。
NB-IOT构建于蜂窝网络之上,只消耗约180 kHz 的频段,可以直接部署于GSM 网络,UMTS网络和LTE网络。NB-IOT采用的是授权频带技术,以降低成本。
NB-IOT具有以下四大优势。
一是海量链接的能力。在同一基站的情况下,NB-IOT 可以比现有无线技术提供50 ~100 倍的接入数。一个扇区能够支持10 万个连接,设备成本降低,设备功耗降低,网络架构得到优化。
二是覆盖广。在同样的频段下,NB-IOT比现有的网络增益提升了20 dB,相当于提升了100 倍的覆盖面积。
三是低功耗。NB-IOT 借助PSM(Power Saving Mode,节电模式)和eDRX(Extended Discontinuous Reception,超长非连续接收)可实现更长待机,它的终端模块待机时间可长达10 年之久。
四是低成本。NB-IOT和LoRa不同,不需要重新建网,射频和天线都是可以复用的,企业预期的模块价格也不会超过5 美元。
根据NB-IOT低功耗、广覆盖、大连接、低成本、低速率等特点,再结合移动性能不强,适合静止的场景,我们可以考虑的应用领域就显而易见了,智能计量,对水、煤气、电力的数据采集,数据量小,节省人力;智能报警,如家庭温度和烟雾的增加,通过传感器与网络进行通信,达到保护家庭安全;智慧工业和农业,进行物流、资产跟踪、农林牧渔控制等;智能自行车,最近较火爆的共享单车,随处可见,对于共享单车公司,最重要的是可以实时监测自行车的位置,公司将SIM卡隐藏到自行车上,这样自行车的被盗数量和成本就会大幅度减少;智能垃圾桶,智能停车,智能医疗等,都可以使用这项技术。
免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。