时间:2023-12-08 17:20:45
导语:在物联网感知技术的撰写旅程中,学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径,好期刊汇集了九篇优秀范文,愿这些内容能够启发您的创作灵感,引领您探索更多的创作可能。
1、感知技术分析
物联网的架构分为感知层、网络层和应用层,本文将感知层涉及的相关技术统称为感知技术。感知技术是物联网的基础,它跟现在的一些基础网络设施结合能够为未来人类社会提供无所不在、全面的感知服务,真正实现所谓的物理世界无所不在,物联网联接的对象包括智能装置及通过传感器感知的整个物理世界。物联网感知层涉及的技术众多,这里对自动识别技术、传感技术、定位技术、传感网标准作简要分析。
1.1自动识别技术。自动识别技术是以计算机技术和通信技术为基础的一门综合性科学技术,是数据编码、数据标识、数据采集、数据管理、数据传输的标准化手段。包括条码识别技术、射频识别技术、语音识别技术、生物特征识别技术、图象识别技术、OCR、磁识别技术等。自动识别技术要素是标识与识读,物联网中用标识代表连接对象,具有唯一数字编码或可辨特征,识别分别是数据采集技术和特征提取技术,标识编码和特征的唯一性、统一性对物联网应用至关重要。每一种自动识别技术的固有特性都使应用具有优势和限制,许多情况下必须多种技术、多种手段并用,来满足实际应用需要,如:条码和RFID就经常联合采用。
1.2传感技术。传感器将物理世界中的物理量、化学量、生物量转化成供处理的数字信号,从而为感知物理世界提供最初的信息来源。感知的对象包括温度、压力、流量、位移、速度等。物联网感知层除了有传感器,还有执行器和控制器,通过通信模块与网关互联或先行组网与网关互联,包括传感网、工业总线等。IEEE 1451传感器接口标准规定了智能传感器的通用接口命令和操合,一定程度上解决了当前工业总线标准不统一问题,降低了传感网应用集成开发的难度。目前市场上智能化、网络化的传感器种类和功能都有成长,随着技术进步体积和成本呈下降趋势。
1.3定位技术。可应用于物联网的定位技术分为卫星定位、无线电波定位、传感定位等。卫星定位技术有GPS、GLONASS、北斗等。美国GPS技术比较成熟,且广泛应用。我国的北斗卫星导航定位系统也已经取得较大进展,中国北斗导航定位系统预计2020年前后覆盖全球,但目前北斗系统的并发容量、定位精度和终端成本还有待进一步发展。俄罗斯的GLONASS也在从新布网,但竞争力还无从判断。
无线电波定位主要是蜂窝移动通信系统的小区定位技术,运营商提供小区定位服务,但定位精度与GPS有差距。
另外,可利用物联网感知层进行定位,如利用RFID传感、车牌,集装箱图像识别等也可感知物体的位置。
1.4传感网标准。传感网就是感知设备组网,通常是指由大量传感器节点构成的无线传感器网络,是物联网应用的重要技术和建设热点。传感网与通信网的融合,实现人与物、物与物的互联,形成物联网。如此多种类和数量的物理设备整合,需要相应的技术标准和行业标准。ITU是最早进行传感网标准化的组织之一。ISO/IEC JTCl正式成立传感网标准化工组(WG7)。我国成立了国家传感器网络标准化工作组,积极参与国际传感网标准化工作,具有较高的话语权。作为物联网的关键技术之一,国际国内传感网技术标准工作正在进行当中,将不断有新标准出台,其对能建立什么样服务价值链的产业链规模意义非凡。
2、未来物联网技术可应用地震抗灾
在未来的物联网时代,人与物、物与物的时刻相连与动态感知,以及智能决策和泛在应用,使城市减灾救助服务工作的重点前移,从灾后救助逐步转移到以防为主的感知预警。可以说这是革命性的转变,大大减少了灾难的发生,从被动应急救助逐步转向主动的预警防灾。物联网在救灾中的应用给灾难救援带来极大的便利。
随着自然环境的恶化,自然灾难在近几年频繁出现,而作为新兴技术的物联网技术,在面对灾难时也将更多的应用到灾难的预防与救援当中,RFID、无线传感、GPS全球定位、条码技术等在各种自然灾害面前都发挥着各自的作用,为人们的生命财产安全提供很好的技术保障。
在时间就是生命的灾难面前,物联网技术为在各种情况下的突发事件,赢得了更多的应急和救援时间。那物联网技术具体在灾难中有哪些作用呢?对人们生命财产安全的保护又能起怎样的作用呢?下面浅谈物联网技术在灾难中的各种应用。
早在几年前,英国研究者已开始研究使用RFID和传感器来监控地震中的房屋,他们把已建成在希腊的原型称为“自治愈”房屋。这种房屋在墙中专门设计了缝隙空间,并且墙体中加入了可在强压下变为流体的材料。如果受到地震引起的压力,流体回流到缝隙中,不会对固体墙面产生影响。其结果是,房屋依旧存在,但可能会移动位置。如果建筑没有坍塌,通过RFID和传感器收集的数据会用来判别位置偏移量。此外,建筑中的RFID标签和传感器可以共同构建一套警报系统,来预警即将到来的地震。
作为物联网的核心技术,在灾难中的RFID的识别和引导作用应用较大,而物联网的其他技术也大有用武之地。在长江三峡库区特殊地带滑坡灾难监测预警中,无线传感器网络(WSN)技术得到了很好的应用,利用各种传感器实时采集信息,通过无线的方式将信息传输给控制中心,能够解决布设有线监测系统的缺陷,而且适用于GMS网络信号无法覆盖的偏远山区滑坡灾害监测。正是由于WSN本身的冗余性、无线性、网络的自组织性,而具有较强的抗破坏能力,可以在基础通信设施可能被毁坏的情况下,完成一定的通信任务,所以WSN技术才能成功应用到滑坡危险地带的灾难监测预警中。
类似的用于地质监测的物联网技术,还有对瑞士阿尔卑斯山地质和环境状况的长期监控有应用,监控现场不再需要人为的参与,而是通过无线传感器对整个阿尔卑斯山脉实现大范围深层次监控,包括:温度的变化对山坡结构的影响以及气候对土质渗水的变化。所搜集到的数据除可作为自然环境研究的参考外,经过分析后的信息也可以作为提前掌握山崩、落石等自然灾害的事前警示。
1 引言
物联网(Internet of Things,简称IoT)是一种建立在互联网基础之上,由物物相连来进行数据交换和信息通讯的新型互联网。而物联网信息的安全感知技术和交互技术是当前中国信息技术研究的一个热点问题,也是世界上各个国家和各个领域高度关注的一个焦点问题。
2 物联网信息安全感知技术的分析研究
2.1 数据收集技术
所谓数据的收集工作,指的是数据的各个感知节点集中到某一个汇聚节点的汇集过程。数据收集技术的关键在于传递数据信息的过程中对数据可靠性和信息安全性的保证,依据应用的不同,数据收集会有不同的制约目标。数据的可靠性和信息的安全性是数据传递过程中的重点,而数据的传输就是为了保障数据信息从感知节点能够一路畅通地安全传递到汇聚节点上。就目前而言,最常用的数据收集技术就是多路径传输和数据重传。在感知节点和汇聚节点之间建立起多条传输路线和传输方式的传输模式就叫做多路径传输,其本质是将感知节点的数据信息同时沿多条路径向汇聚节点传输,从而保障和提高数据信息的可靠性和安全性。
数据收集当中重点考虑的问题便是能量均衡以及能耗约束。如图1所示,在物联网的综合安全系统模型中,多路径方法能够同时通过多个路径将数据传送至指定目标,但往往会消耗大量能源。而数据重传则是将全部需要传输的数据流量放置于统一路径之上,不仅影响了网络的能量均衡,并且当传输路径出现问题,技术人员便需对路由进行重建。针对上述问题,物联网研发人员对两种方式进行了改善。以TSMP多路径数据传送方式为例,该方式基于全局时间同步这一条件,将网络视为多途径的时间片阵列,通过调整时间片以避免数据之间产生冲突,使得数据能够有效快速地传输。数据传输是物联网信息安全感知技术中的重要技术之一,对物联网信息安全感知具有积极意义。
2.2 数据融合技术
数据的融合技术是物联网信息安全感知技术中的核心技术。数据的融合指的是利用飘逸均值滤波法来消除多元异构数据的大量传输及其所导致的噪音数据和冗余数据,将净化和简化过后的数据信息传递到汇聚节点,不仅可以降低数据的传递量和在传递过程中可能发生的数据冲突,还有效提高了多元异构数据的处理效率和连续性数据的传送质量。
通常情况下,技术人员在数据层方面可使用概率统计法、卡尔曼滤波以及回归分析法等较为传统数据融合方式,以便消除数据当中的多余信息、异常数据以及去除噪声。技术人员在研究以簇结构为基础的数据融合问题时,可使用Bayes方法进行数据融合,以避免物联网在收集数据的过程中,簇头节点出现数据之间冲突的现象。技术人员使用Bayes方式能够估算物联网传送数据中所包含节点的具体数量。技术人员若要使得Bayes方式的计算效率得到提升,可以应用后验概率的分布式进行计算。使用后验概率分布式计算之前,技术人员需先对物联网初始数据进行回归分析,之后便可利用数量较少的数据获取感知数据全部或局部的数据估计。
3 物联网信息交互技术的分析研究
3.1 网络和内容之间的信息交互
网络和内容之间的信息交互指的是向用户展示需求的信息内容,并在进行交互的过程中对感知到的数据信息进行汇集、分类、组织、融合和储存的处理工作。其中,网络和内容的信息交互主要是指数据信息的组织和储存。由于网络中数据信息的流动量很大,针对数据信息的组织工作和储存工作就会产生各种各样的问题。就目前的问题状况来看,物联网的信息感知和信息交互都将会朝着分布式的数据储存技术改善和发展。
物理网络当中能够将数据的存储分为外部存储以及局部存储两种方式。然而两种数据阐述方式都存在一定的弊端。外部数据存储无法承受较大的传输量,而局部数据存储管理方式复杂,用户数据搜索也需要较大的成本,且储存空间有限。技术人员可围绕数据建立储存方式,先建立某一协议,之后按照所制定的协议,将数据分布式存储于网络之中的某部分节点当中。这一方法与无线感知网络所具备的特性相符,故而在无线感知网络数据储存以及管理中广泛应用。不仅使得围绕数据建立的数据储存方式在运行过程中需依照网络分布进行,同时使得数据在搜索以及管理网络内部数据储存规则时更为便利。
3.2 内容和用户之间的信息交互
内容和用户之间的信息交互也相当关键和重要,具体指的是用户向物联网输入所需内容的一部分关键信息而从随即得出的相关资料中检索到自己想要的数据信息这样一种互动性的信息交互。作为物联网的用户在物联网的信息交换模型中通过在物联网庞大的数据库中输入关键字词来进行相关的查询和模糊性的匹配,以此搜索和获取到自己需要的信息和数据。除了输入关键词以外,还可以利用语音或是其它指令的录入来进行互动,进而获取到用户需要的信息数据内容。
内容与用户之间的信息交互包括两方面内容。
其一,控制信息的传输。控制信息的传输是向网络中各部分节点输入各类信息的过程,所输入的信息包括收集的数据、网络设置信息、搜索指令等。与数据收集有所不用,控制信息的传输是从一点到多点的数据传送过程。控制信息传输对可靠性有较高的需求,同时,数据收集以及搜索指令还要求物联网达到低延迟这一标准。若物联网覆盖范围较广,技术人员还应考虑能耗问题。就目前来说,大部分用以限制信息传输的协议都是以Adhoc网络的洪泛以及谣传协议作为基础建设而成。
其二,信息交互对象的选择。技术人员还应确保网络能够长期保持运行状态。在安装无线无线感知网络时,技术人员实际设置的节点应远远多于网络覆盖所需的节点。使得信息在交互过程当中,部分节点处于非工作状态。当物联网运行到一定状态时,部分节点子集方才开始工作。这样既能保证物联网长期保持在工作状态,同时也降低了能耗,促进了物联网的发展。
4 结束语
作为建立在互联网的基础之上并且不断向外扩展和延伸的一种信息网络,物联网正在掀开信息技术领域的一页新的篇章。其信息安全感知技术主要是指数据的收集、压缩、融合、清洗和聚集等方面的技术。而信息交互技术则包括网络、用户和信息内容三者之间两两相关的交互关系。
作者简介:
[关键词]形成期;中部;物联网技术;接受;应用
[中图分类号]F49;F552.7 [文献标识码]A [文章编号]1006-5024(2013)10-0106-05
一、物联网应用概述
物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪和管理的一种网络。物联网技术发源于美国,作为一个科技大国,美国十分重视3s技术(RS,GIS,GPS)的发展。同时,物联网在对美国第二产业的改造以及提升第三产业的竞争力方面受益颇丰。国内方面,物联网已经在各个领域被广泛应用并产生了可观效益。不过,物联网大多属于行业应用,而生活应用并不多。中国工程院院士陈俊亮指出,物联网的发展要“用”字当头。一项新技术产生后终究要靠人们接受后大规模的商业应用才能成长乃至成熟。因此,对物联网技术的市场应用进行研究,是发展物联网的一项重要研究课题。应用的基础是该项技术被普通百姓广泛接受。只有人们接受了某项技术才会大规模地应用,大规模应用使得成本下降,规模经济逐渐显现,盈利越来越多。本文意在研究影响形成期中部地区物联网技术接受和应用的因素,从而提出相应的对策。
二、技术接受模型(TAM)及其后续扩展模型
技术接受研究领域最具代表性的理论是F.D.Davis的技术接受模型(Technology AcceptanceModel,TAM),Venkatech and F.D.Davis的技术接受扩展模型(The Extension of the TechnologyAcceptance Model,TAM2),技术接受及使用综合模型(Unified Theory of Acceptance and Use ofTechnology,UTAUT),Venkatesh and Bala的技术接受模型3(TAM3)。而在社会心理学里的计划行为理论(Theory of Planned Behavior,TPB)、社会认知理论(Social Cognitive Theory,SCT),以及创新扩散理论(Innovation Diffusion Theory,IDT)也被借用到技术接受研究领域。而在上述的8个模型中,应用最广、影响最深远的应该是Davis的技术接受模型(TAM)。技术接受模型给出的有关信息技术接受方面的结论是:人们使用信息技术的行为是由使用意向决定的,使用意向由使用的态度和对技术的感知有用性决定,而使用的态度是由对技术的感知有用性和感知易用性决定的,感知易用性还影响感知有用性,而感知有用性和感知易用性是由外部变量决定(见图1)。
技术接受模型的特点是含义清晰,形式简单,易于验证。因此,应用此模型进行研究比较多。该模型的局限性是:该模型背景是发达国家广泛应用信息技术,成本低但收益显著;相比而言,发展中国家的信息技术应用十分有限。因此,发展中国家的研究不能照搬Davis的技术接受模型。此外,在模型研究对象上,以往的研究对象大多是学生,对象同质性问题突出。而且,对一些复杂信息系统如ERP的研究,Zviran,Pliskin,Levin发现技术接受模型中的影响关系并没有像对简单系统的研究那样显著。Fiona Fui-Hoon Nah等提出,应用技术接受模型进行实证研究的一个前提是:用户对信息系统的使用有一定程度的选择权(即使用意愿)。而对复杂信息系统如ERP的使用,使用者是公司的职员,他们的使用取决于公司推行应用ERP的意志,大多是被动地强制接受,技术接受模型不太适用复杂系统的研究。因此,国内学者针对我国应用信息技术的现状,建议在利用技术接受模型研究或构建技术接受模型时,应关注信息系统的过程性,如对模型的适应范围、适用阶段、应用方法和过程等方面加以考虑,结合信息技术生命周期观点研究或构建模型,以及考虑中国的信息化现状与西方发达国家差距悬殊的特点,建议从信息收益、信息能力、信息分化观点构建适合我国的技术接受模型,特别是针对物联网这一复杂系统,应该结合该技术和产业在我国的具体发展阶段、各个地区经济发展差异状况以及信息化水平的不同,来构建适合我国国情以及各区域省情的物联网技术接受模型。
三、形成期中部地区物联网技术接受模型构建
根据上述中外学者对技术接受模型研究成果和模型构建方面的建议,本研究基于Davis的技术接受模型,以我国信息化地区差距巨大的现状为依据,综合考虑物联网技术的发展阶段及产业的形成阶段,以及我国信息化的信息收益和人们的信息能力,构建适合中部地区信息化具体情形的形成期物联网技术接受模型。
(一)物联网产业处于形成期
产业必须经历起步期、成长期、成熟期和衰退期,而新兴产业主要包括形成、成长和发展三个阶段。前端是新兴技术向新兴产业的过渡期;中间是主导设计确立后,技术快速扩散、市场急剧发展、产业配套逐步形成的成长期;后端是产业走向市场稳定、收益递减和扩散减弱的成熟期。综合新兴产业的上述演化特点,认定我国物联网的发展阶段处于起步期向成长期的过渡期,即产业形成期。
(二)中部地区信息化和信息收益现状
表1是2009年全国及四个类型地区信息化发展指数比较表,中部地区的大部分省份属于第三类地区。表中数据显示,无论是各类分指数还是总指数,中部地区与全国平均水平都相差较大,而与第一类地区则差距更大,很多指数与第四类地区几乎没有区别,中部地区的信息化水平接近全国最低指数,特别是基础设施指数、产业技术指数和发展效果指数与全国平均、第一、第二类地区相差较大,这是物联网产业发展及物联网技术应用不可忽视的现实。由于中部地区的信息化基础较差,利用信息资源获得的收益较少,所以,表1中第三类地区的发展效果指数与第一类地区相差0.512,与全国平均发展效果指数相差0.105。可见,中部地区信息收益之低。加上本来的经济基础不雄厚,发展物联网技术的基础极不扎实。根据赛迪顾问研究公布的中国物联网产业地图,中部地区6省的物联网发展远不及北京、上海、江苏等发达地区,与西部的四川和陕西也具有较大的差距,处于等待发展的状况。
(三)形成期中部地区物联网技术接受模型构建
根据辩证唯物主义“事物的发展是具体的、历史的”观点,结合物联网技术和产业的具体特点、特殊的发展阶段以及中国的物联网产业大多属于政府主导、应用具有偏强制性或较少有选择权的特点,考虑中部地区的信息化相对落后的现状,构建形成期中部物联网技术接受模型(见图2)。
(四)基于形成期中部地区物联网技术接受模型的物联网技术接受与市场应用的影响因素
1 感知安全与感知隐私
感知有用性是指用户主观上认为某一特定系统所提升的工作绩效程度。感知安全是指用户主观上认为使用物联网技术对个人或组织安全的威胁。物联网一般被分为感知层、传输层和应用层。感知层面临的威胁有针对RFID的安全威胁、针对无线传感网的安全威胁和针对移动智能终端的安全威胁;传输层将面临异构网络跨网认证安全问题;应用层面临着未来连接为一个大的网络平台的网络融合问题和安全问题。感知隐私是指用户主观上认为使用物联网技术对个人隐私的威胁或泄露。从人的活动或组织工作的一般规律可知,人或组织对物联网技术的感知安全与感知隐私越强烈,则人或组织越觉得该项技术不可用,感知安全与感知隐私与物联网技术的感知有用性呈负影响关系。据此,应该尽快消除物联网使用的安全与隐私障碍。
2 感知收益与感知成本
感知收益是所获得的利益,感知成本是所付出的代价。消费者感觉到使用物联网技术能获得收益,则越倾向于使用物联网技术。使用物联网技术的成本越高,则越不易于使用物联网技术。
3 感知易用性
感知易用性是用户使用物联网技术所付出努力的程度。消费者或组织越感觉到容易使用物联网技术,则越感觉到物联网技术有用。目前,物联网技术的应用主要是行业应用,消费者或组织较少有选择权。Rawstorne等和Karahanna等提出用象征性接受(symbolic Adoption)来替代技术接受模型(TAM)中的行为意愿。象征性接受是指人们或组织(主要是领导)在思想认识上已经对新技术的接受。目前,物联网的发展主要是由政府推动,因此,本文认为消费者或组织对物联网技术的感知易用性对感知有用性和象征性使用有显著的正向影响,消费者或组织对物联网技术的感知有用性对象征性使用有显著的正向影响。
4 兼容性和便利条件
物联网技术或产品的兼容性是物联网发展的一道障碍。为了降低成本和安全考虑,消费者更倾向于购买兼容性高的产品。同时,针对中部地区的信息化现状,人们更不易于接受和使用物联网,因为该区域的信息化水平和信息能力都较低。信息基础设施的改善和信息人才数量的增加,将改善使用物联网的便利条件,更易于该技术的接受与使用。因此,物联网技术的兼容性和便利条件对象征性使用有显著的正向影响。
5 感知有用性与象征性接受
感知有用性取决于人们对物联网技术的安全感知、隐私感知、收益感知与成本感知。加强使用该技术的安全管理,减少使用成本,增加收益将增加有用性感知,进而增强物联网技术的象征性接受。四、中部地区物联网技术接受与应用建议
根据上述形成期中部地区物联网技术接受模型,可以看到,便利条件和兼容性影响到人们对物联网技术的象征性使用。而感知安全、感知隐私、感知成本和感知收益又影响到人们对物联网技术的有用性感知。因此,应该大力加强物联网基础设施建设,培育更多懂物联网技术和管理的人才,进一步降低物联网的成本、增加使用物联网的收益,以及要对物联网进行大胆又具有前瞻性的管理。
(一)大力降低信息资费,加强信息基础设施建设,缩小中部与发达地区间的“信息鸿沟”
物联网的基础网络包括互联网、移动通讯网和无线传感网(wireless sensor network,WSN)。目前的电信网络是物联网工作的主要通道。大力降低上网资费,使得人人有条件上网,人们就有能力使用层次更高的物联网。同时,通过多种培训方式培养和提高人们获取、使用和鉴别信息的能力,使人们的信息意识提高到新的水平。西方发达国家物联网应用表明,大力降低包括网络通讯费用在内的信息费用,是物联网广泛应用的有力支持之一。国内的入网资费、入网设备的资费等偏高致使使用者较少,进而形成使用成本升高的恶性循环,而政府对物联网软、硬件提供商提供补贴是行之有效的办法,这样人们可以较少的成本使用物联网,而经营者又可以在使用者较少的情况下有盈利,进而继续物联网制造或服务的经营,达到规模经济的效果。
(二)利用已有网络和设备资源,避免重复建设,降低感知成本
目前使用物联网的成本很高,与行业和企业自行研发、自行设计、自成体系、缺乏整体规划等不无关系。这些现状造成物联网产品兼容性差,相应地提高了使用成本,减少了使用收益。在物联网的业务形态上,采用以政府为主导、以系统集成商和电信运营商为核心的业务形态,有利于把握好物联网发展的机遇,整合资源,打造物联网产业高地,从而避免重复建设,降低感知成本,提升感知收益。这个过程中的主要问题是政府的定位、系统集成商和电信运营商的利益分配等。政府在物联网发展初期可以是主导者,但是随着物联网产业的进一步发展,政府应由主导者蜕变为辅导者,让市场去管理市场自己的事。此外,兼容性差使得消费者不敢大胆使用物联网产品,结果是物联网消费者减少,消费者数量减少又提高了物联网成本,与规模经济背道而驰。
(三)培养物联网复合型人才
培养既懂技术、又懂管理和经营的物联网复合型人才,能降低感知安全和感知隐私的负面作用。目前,懂物联网的人不多,对其认识还在概念接受阶段。营造一个人人懂物联网、用物联网的氛围非常重要。目前的高校、科研院所培养物联网人才,懂物联网技术的工科人才较多,而精通物联网管理与应用的人才不多。实际上,由物联网带来的管理问题与挑战远比互联网要多,如使用者的安全管理与隐私的保护等。欧盟在《物联网——欧盟行动计划》中的14项行动计划中就包括管理、隐私及数据保护、“芯片沉默”的权利等内容。欧盟早对物联网安全与隐私等进行研究,希望尽早解决物联网发展的管理障碍。我国高校应尽快培养懂技术、经济与管理的物联网复合型人才。在工科专业学生的课程设置中要有管理、经济、营销、隐私伦理等人文的课程,而在物联网管理等文科专业中应加强物联网技术结构、物联网工作原理等课程的学习,这样可以增加社会对物联网的了解和应用。
(四)增强有用性和易用性感知
【关键词】信息感知;物联网;智能处理
0 引言
物联网的定义是通过RFID装置、红外感应器、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。从技术上理解,物联网就是指物体通过智能感应装置,经过传输网络,到达指定的信息处理中心,最终实现物与物、人与人之间的自动化信息交互与处理的智能网络[1]。从应用上理解,物联网是指把世界上所有的物体都连接到一个网络中,形成物联网,然后物联网又与现有的互联网结合,实现人类社会与物理系统的整合,达到更加精细和动态的方式管理生产和生活。
1 物联网的层次模型
物联网可以划分为一个4层的层次化模型[2]:感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层。在感知识别层:各种感知识别物体信息的标签技术、传感器技术、智能设备用于采集物体的信息,设置反作用于物体的原有的运行状态。这个层次的技术体现了物联网工程专业具备交叉学科的特性。在网路构建层:以各种网路技术,包括互联网,作为物体信息的传输纽带,进而实现物体与物体、物体与人等之间的广泛的互联互通。这个层次的技术主要是已有的或者新兴的各种网络通信技术。在管理服务层:利用各种计算技术实现对物体信息的综合利用。这层的技术最终会表现为物联网的中间件形式,可能是物体接入技术相关的、应用领域相关的或者是通用的。在综合应用层:直接面向丰富多彩的各种物联网应用,如物流、环境监测等。物联网工程多学科交叉的特点,使得很难建立一个面向物联网实际应用的可靠而完备的知识体系[3],一方面多种学科的知识,特别是计算学科的知识都可以可靠地应用于物联网工程中,然而另一方面,物联网应用的丰富多彩又决定了很难形成一个完备的知识体系。所以在物联网课程的教学内容组织上,只能在物联网层次化模型中的每层中,选取若干的关键技术进行介绍,而不是去满足知识体系的完备性。在感知识别层:主要介绍RFID为主的标签识别技术、传感器和一些智能设备。在网路构建层:主要介绍互联网和一些无线网路。在管理服务层:主要介绍一些关键技术,如搜索技术、海量信息处理、智能信息处理、安全技术等。在综合应用层:介绍一些物联网的典型的应用场景和应用案例。
由此可见,物联网由3个核心体系组成:全面感知(即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息)、可靠传递(即通过各种电信网络与互联网的融合,将物体的信息实时准确地传递出去)、智能处理[4](利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术。对海量的数据和信息进行分析和处理,对物体实施智能化控制)。而目前全国各高校关于物联网专业的建设仍然属于摸索期,有些偏向于信息传递方面,有些偏向于数据处理方面。
2 物联网信息感知
物联网的信息感知技术指的是信息传输和数据传输。然而,在信息传输和数据传输的过程中,常常会出现一些现象,如信息和数据出现丢失,此时,需要一种技术方案来解决,因此物联网的信息感知主要包含三个方面[5]:收集数据、数据压缩、数据融合和数据聚集。其中,数据的收集主要是指数据感知结点与汇聚节点的汇集[6],以便确保传递的高效性,减少数据在传输过程中的失误,主要的有效措施为数据重传、冗余传输和多路径传输。数据压缩技术主要针对规模加大的网络,当所有的感知数据都汇集流动到汇聚节点时会产生大量的数据流量信息[7],此时,感知信息的数据冗余问题研究,需要进行信息的压缩处理技术,主要的方法为基于排序法和基于管道法,在实际处理中还应进行一定的优化,提升效果。数据融合技术主要是针对多源的异构网络数据,使得少量价值高的信息传输到汇聚节点,从而减少了数据的传输量,来保证数据传递的高效性,主要方法为概率统计方法、卡尔曼滤波算法和回归分析法。通过这些算法来消除冗余的信息[8],去除噪声和异常值。聚集数据指的是所收集的是全部的感知信息数据[9],然而,在应用当中,仅仅有少量的数据有作用,因此,聚集数据需依据观察者的实际需求对数据进行汇聚和融合。
3 总结
综上所述,物联网技术取得了一定的发展,但是某些技术还有待完善,我们需要进行更加深入的研究。
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关键词:物联网工程;知识体系;课程体系
作者简介:朱金秀(1972-),女,江苏常州人,河海大学计算机与信息学院(常州),副教授;韩光洁(1972-),男,黑龙江伊春人,河海大学计算机与信息学院(常州),副教授。(江苏常州213022)
基金项目:本文系国家“物联网工程”特色专业建设项目、江苏省高等教育学会“十二五”高等教育科学研究规划课题“‘卓越计划’课堂有效教学方法”(KT2011174)的研究成果。
中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2012)16-0067-02
物联网(Internet of things,IOT)的概念是在1999年提出的,根据2005年国际电信联盟(ITU)的定义,[1]物联网主要解决物到物(Thing to Thing,T2T)、人到物(Human to Thing,H2T)、人到人(Human to Human,H2H)之间的互联。这一高度交叉的新兴前沿领域在国际上备受关注,美国IBM公司基于物联网提出“智慧的地球”概念;中国科学院早在物联网概念诞生之初就启动了传感网研究。2009年,无锡物联网产业研究院成立,总理考察时提出“感知中国”的概念。2010 年3 月9 日教育部网站发出通知:我国拟针对互联网、绿色经济、低碳经济、环保技术、生物医药等国家决定大力发展的重要战略性新兴产业,在高校本科教育阶段设立相关专业。这其中就包括增设物联网专业,以期为重要战略性新兴产业——物联网相关产业培养高素质人才。
自2010年7月教育部批准30余所高校院系建设物联网工程专业以来,中国电子学会物联网专家委员会、教育部电子信息与电气学科教学指导委员会、教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会一直高度关注物联网及相关专业建设。全国高校物联网及相关专业教学指导小组组织高校在物联网专业的知识体系、课程体系、工程实践和人才培养等方面进行了一系列的探索,国内高校也根据自身的情况对物联网工程专业的课程体系进行了探索。[2-4]2010年7月,河海大学(以下简称“我校”)成为首批获批物联网工程专业的30所大学之一;2011年3月,我校物联网工程专业成为第七批国家特色专业。物联网目前属于新兴产业,中国高校刚刚开始开设物联网工程专业,没有成熟的经验可以借鉴。笔者近年来致力于物联网工程专业建设,分析物联网工程专业的知识体系及核心知识领域,力求归纳物联网工程专业建设的专业共性基础,并结合我校特色,构建了物联网工程专业的课程体系,以期为兄弟高校物联网相关专业课程规划抛砖引玉。
一、物联网的技术体系分析
在业界,物联网大致被公认为有三个层次,[1,5-7]底层是用来感知数据的感知层,第二层是数据传输的网络层,最上面则是内容应用层。
感知层包括传感器等数据采集设备,包括数据接入到网关之前传感器网络。感知层是物联网发展和应用的基础,RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通讯技术是感知层涉及的主要技术。
网络层将建立在现有的移动通讯网和互联网基础上,其主要功能是直接通过现有的互联网或移动通信网(如GSM、TD-SCDMA)、无线接入网(WiMAX)、无线局域网(Wi-Fi)、卫星网等基础网络设施,对来自感知层的信息进行接入和传输。网络层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。感知数据管理与处理技术包括传感网数据的存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术。
物联网应用层利用经过分析处理的感知数据,为用户提供丰富的特定服务。云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台,将是物联网网络层的重要组成部分,也是应用层众多应用的基础。
物联网各层次间既相对独立又紧密联系。为了实现整体系统的优化功能服务于某一具体应用,各层间资源需要协同分配与共享。以应用需求为导向的系统设计可以是千差万别的,也不一定所有层次的技术都需要采用;即使在同一个层次上,对可供选择的技术方案也可以进行按需配置。
二、物联网工程专业知识体系分析
所谓专业体系就是把一个专业领域内的专业知识组织成专业干线清晰、知识点层次分明、结构衔接完整的一个知识框架。在分析物联网技术体系的基础上构建物联网工程专业的知识体系,“物联网工程”知识结构中的专业知识部分应能够构成物联网整体的框架并体现其关键技术。因此物联网工程专业知识体系应包括感知层、网络层和应用层的知识和系统整体架构与优化的知识。对应的核心知识领域为:对应于感知层为射频识别技术与无线传感器网络的技术;对应于网络层为通信与网络技术、异构网络互联与协同技术;对应于应用层为数据处理技术和信息安全技术;对应于物联网整体的框架为物联网应用系统设计和物联网工程规划与设计。
基于以上讨论,物联网工程专业的知识体系要能实现这样的培养目标:培养造就具有物联网技术基础理论、物理信息系统标识与感知、计算机网络理论与技术和数据分析与信息处理技术等相关专业知识;具有物联网及其相关领域的系统、网络、终端、协议等方面的研究、设计、开发能力以及组织和实施物联网应用项目的能力;并在创新和创业意识、竞争和团队精神以及外语运用能力等方面有良好的素养,能适应国家现代化与信息化建设需要,为我国工业化和信息化融合、为信息产业服务的高层次、高素质的复合型和创新型高等工程技术与管理人才。
三、物联网工程专业核心课程构成
物联网工程专业课程体系应尽可能多地覆盖本专业的知识体系。围绕物联网工程专业涉及的学科知识领域和知识点,该专业知识部分由四个部分组成:基础类、感知类、网络与通信类、数据处理与领域应用类。
基础类课程为:数理类课程,例如高等数学或离散数学、线性代数、概率与统计、物理等;电路类课程,例如电路、模拟电子技术、数字逻辑与系统、高频电子电路等;程序类课程,例如程序设计语言C、数据结构与算法、Java语言程序设计等。感知类课程为:射频技术(RFID原理及应用)、传感器技术(与设计)、微机原理与接口、模式识别与状态监控、物联网定位技术、数据获取与信息处理系统等。网络与通信类类课程为:计算机网络、射频技术与无线通信、通信原理、无线传感器网络原理、短距离无线与移动通信网络、物联网数据库技术等。数据处理与领域应用类课程为:物联网工程导论、信号与系统、数字信号处理、嵌入式系统设计、云计算与云存储、定位应用开发技术、物联网工程规划与设计、物联网系统综合设计、移动开发等。
四、物联网工程专业课程体系构建探索
物联网工程专业是以应用为驱动的专业,专业人才的培养根据专业共性基础和我校在物联网方面的领域区域特色。因此我校培养模式坚持以水利特色为主导,发挥水利学科的传统优势;整合优化专业课程体系设计包括学科基础课程群、物联网工程专题课程群,使学生有兴趣、有研究、有实践地学习专业领域的知识,逐步地、系统地增长工程实践能力、创新能力与科学研究能力。
学科基础课程群:按基础类、感知类、网络类、应用类将相关课程分为四大课程群,有效克服每门课程各自为阵造成的“内容重复、衔接不紧”等弊端。物联网工程专题课程群:根据专业共性基础和我校在物联网方面的领域区域特色,重点建立无线传感网技术、物联网应用开发两个方向,明确制定各方向的课程体系,为学生提供充分的选课空间和时间,使学生的个性得到充分发挥。
1.无线传感器网络
该方向侧重无线传感器网络与应用的研究,强调物联网传输与网络层的开发与实践。通过课堂教学与实践、毕业实习以及前沿技术讲座等多种形式,学生将掌握扎实的无线传感网络的基础理论,具有无线传感网络及应用软件的开发和研究,方向重点是物联网网络层和感知层的研究与设计。
2.物联网应用开发
该方向侧重物联网应用技术的研究,强调物联网应用层的开发与实践。通过课堂教学与实践、毕业实习以及前沿技术讲座等多种形式,学生将掌握扎实的物联网技术的基础理论,系统掌握物联网基础及应用软件的开发方法和开发工具,方向重点是物联网网络层和应用层的研究与设计。并增加水声通信技术、水联网及水环境检测应用作为我校的行业特色。
综上所述,我校的物联网专业课程体系结构如图1所示。
在课程设置中,把行业应用特色纳入个性化课程、专业课模块,形成学术型和技术型两套既有共性、又有个性的课程体系。该课程体系坚持以水利特色为主导,夯实基础教学,为学生未来发展创造条件,以方向选修课为平台,拓宽学生的知识和认识视野,妥善化解突出特色和拓宽视野间的矛盾。
五、结束语
物联网工程专业不是以理论为主导,重点是工程应用,教学应该由应用来驱动,时刻做好准备,不断调整教学内容。课程设置及内容应重在特色,在实施过程中,将高度重视特色专业点建设工作,大力加强课程体系和教材建设,改革人才培养方案,强化实践教学,加强教师队伍建设,紧密结合国家经济社会发展需要,推进专业建设与人才培养,切实为同类高校相关专业建设和改革起到示范和带动作用。
参考文献:
[1]ITU Internet report 2005:The Internet of Things[R/OL]..
关键词 物联网;感知层;安全
中图分类号 TP 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)012-0219-01
早在2009年,总理就曾提出“感知中国”的理念,并将物联网行业正式列入为我国五大新兴战略性产业之一,重点写入当年的“政府工作报告”。如今,随着淘宝、天猫等营销成功的物联网模式在我国的全民推广,物联网行业日渐受到全民关注,物联网也将成为下一个推动世界高速发展的“重要生产力”!由于物联网是由感知层、网络层以及应用层三部分组成。感知层的信息安全与否,直接影响着物联网的普及、发展与兴衰,因此,讨论物联网的感知安全,具有重要的时代性。
1 物联网及其感知层的安全研究
1.1 物联网的安全研究
物联网的安全问题主要体现在,它有别与传统的互联网络,物联网的网络层安全与业务层安全并非相互独立,而是将网络平台和应用平台集成于原有的移动网络。虽然移动网络可以为物联网提供一定的安全性,如加密机制、认证机制等成熟的安全防御措施的运用,但物联网有其独特的运行特性,以往的传统安全认证远不能保障物联网感知层信息的的绝对安全,因此物联网在攻克传统移动通信网络安全问题的同时,还应重视其有别于移动通信网络安全的特殊信息安全问题。
1.2 物联网感知层的安全研究
众所周知,物联网是由感知层、网络层和应用层三部分组成。感知层的主要功能是对监测信息的感知和标识,并提供原始信息的收集。由于感知层中的收集器、感知器和信息管理设备的运行环境是最容易受到病毒、黑客攻击、控制、破坏的薄弱终端环节,因此保证物联网感知层的运行环境安全,是物联网能否顺利运转的关键所在。
物联网感知层是由RFID设备、传感器、摄像头、CPS定位系统、激光扫描仪等设备组成。当感知层进行数据采集时,信息通常采用无线网络方式传输,这种传输方式如果运用在公共场,由于缺乏有效的信息保护措施,极易被他人非法干扰、窃听、盗取。随着传感器在物联网感知层中的大规模应用,越来越多的设备需要传感器来标识,仅仅依靠辅助的人力资源和计算机设备远程操控传感器完成高精度、高复杂度的信息感知识别工作,感知层的信息安全保障将大打折扣。在远程条件下,物联网感知层中设备主要是在无人监控的区域完成部署任务,这样并不利于抵御非法攻击者接触这些无人监控的设备,防止其对其中的传感器设备进行破坏,入侵者也可以通过传感器通信协议源代码的破译,对感知层设备进行集中的监听、控制和破坏。
2 物联网感知层的信息安全防护措施研究
针对物联网自身有别于传统互联网络的特点,和感知层存在的安全隐患,笔者总结出以下几点物联网感知层信息安全的防范对策,希望起到抛砖引玉的作用。
2.1 针对传感层机密性采取安全控制措施
笔者认为,可将当今成熟有效的密钥管理机制运用于传感层内部,力争为传感层内部搭建安全的信息通信平台。例如在每次进行重要的机密信息通信传递时,可建立临时会话密钥,提高数据传输的安全性;也可以选择物联网射频识别系统,总之每项安全措施的选择,都应首先考虑具有密钥、密码和认证功能的多重保护程序的成熟系统,作为有效保障物联网感知层机密信息安全的重要屏障。
2.2 重视节点认证,提高传感层的安全性
在物联网中,有些传感层在使用共享数据时,需要采取节点认证机制,最大程度避免非法节点的接入。加强节点认证,可以有效区别对称密码和非对称密码。如果使用对称密码,其认证方式需要设置节点间的共享密钥。此项措施不仅提高了共享数据的传输效率,也大大降低了网络节点的资源消耗。节点认证方案,目前已经在传感层的保护措施中逐步推广。而非对称密码技术如果在传感层中使用,通常需要传感层的各项设备具有快速的计算能力和高速的通信能力,并对网络层的安全格局也提出了更高的要求。在密钥认证的基础上,建立会话密钥,完成密钥协商,都是使用非对称密码技术的必要流程。由于非对称密码技术的使用,对感知层的设备先进性和平台安全性都有着极高的要求,也阻碍了节点认证中非对称密码技术的推广和使用。
2.3 加速构建适应我国信息安全实情的监管体系
由于物联网这个新兴产业在我国的起步发展刚刚开始,物联网的监管体系也暴露出他自身的弊端,如管理部门多而分散,执法主体不明确,权责细化不清晰,缺乏针对情节不同、严重程度不同的网络信息管理纷争制定的相应执法操作标准。笔者认为,我国的信息安全监管部门应完善管理机制,鉴于传感层的网络安全问题一般不涉及其他网络层的安全,存在的问题相对独立,受外界恶意攻击的几率最大,因此制订科学、系统、可操作性强的信息安全监管体系,有利于更及时、准备的将非法窃听、攻击、干扰传感层网络安全的举措,遏制在萌芽之中,对触及法律底线的影响网络安全的非法活动,及时阻击,压力打击,绝不姑息。只有不断提升监管层的执法安全等级,才能打造安全的物联网信息平台。
3 结束语
物联网感知层的安全与否,直接关系着物联网能否安全运营,因此在构建感知层之前,应充分调研,用仿真设备对感知层进行安全评估和风险预测,设计最符合实际需求的实施方案提高感知层的安全等级,提高物联网的运营过程安全系数,保障物联网的顺利运营。
参考文献
随着物联网技术的兴起,国内有很多公司开发出了应用于高校的物联网实验平台,例如无锡泛太科技有限公司、深联致远科技有限公司和杭州喜马拉雅集团科技有限公司等。这些公司的物联网实验平台存在如下问题。1.各公司开发的物联网实验平台往往只提供相关项目的代码,由于公司的研发人员不具备教学经验,他们提供的项目很难与本专业的相关课程进行有机的结合。2.各公司开发的物联网实验平台采用的都是高端的ARM处理器,由于电子信息工程专业的学生只开设了51单片机的课程,由51过渡到带有嵌入式操作系统的高端ARM处理器的学习难度较大。3.各公司开发的物联网实验平台只提供物联网的感知层和网络层的相关实验,即使个别的平台也提供了应用层的实验,但这些实验很难与电子信息工程专业开设的相关课程进行有效的结合,学生在这样的平台下实验,很难达到较好的效果。4.各公司开发的物联网实验平台价格昂贵,每套价格都在万元以上,如果以此平台建立物联网实验室,资金投入较大。
二、物联网与电子信息专业课程体系的对应关系
物联网技术与电子信息工程专业课程体系的关系如图1所示。由图可以看出物联网可分为三个层,分别为感知层、网络层和应用层。下面研究这三个层与课程体系的对应关系。1.感知层与课程体系的对应关系。感知层是物联网的皮肤和五官,主要负责数据采集和数据短距离传输两部分,物联网的该层与专业课程体系中的Zigbee技术、RFID技术与应用、传感器及检测技术和单片机原理与应用等课程相对应。传感器及检测技术课程从属于物联网领域,传感器是获取信息的工具,位于系统之首,其作用相当于人体的五官,直接感受外部信息,将信息转化成可用信号,对系统的智能化起着决定性作用,智能程度愈高,系统对传感器的依赖程度愈大。ZigBee技术在射频与无线电技术、物联网技术、工业通信技术等领域具有广泛的应用。它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术。Zigbee技术是物联网平台感知层的一个重要组成部分。RFID技术是一种利用无线通信实现的非接触式自动识别技术,是基于射频识别的自动识别类的项目的核心技术,并且RFID技术也成为了物联网感知层的核心技术。传感器及检测技术课程在物联网的感知层负责的是数据的采集。Zigbee技术、RFID技术与应用这两门课程在物联网的感知层负责的是数据的短距离传输。单片机原理与应用课程在物联网的感知层负责的是数据采集与数据短距离传输之间的桥梁。2.网络层与课程体系的对应关系。网络层主要负责把感知层感知到的数据无障碍、可靠及安全地进行传送,物联网的该层与专业课程体系中的通信原理、信息论与编码、通信网及接入技术和工业通信技术基础等课程相对应。这些课程给物联网的网络层技术提供理论支撑,是物联网网络层理论基础。3.应用层与课程体系的对应关系。应用层主要负责把感知和传输来的数据进行分析和处理,做出正确的控制和决策,物联网的该层与专业课程体系中的电子系统软件设计、监控系统软件基础、3G技术应用和数字图像处理等课程相对应。
三、物联网实践教学平台的设计
物联网的三个层都有相应的课程与之对应,但学生在进行课程的理论学习和实践学习的时候,课程之间比较孤立,很难建立这种对应的关系,所以导致课程的理论和实践教学效果较差。通过以上分析可以看出物联网技术与电子信息工程专业课程体系有着紧密的关系,该关系是设计并实现基于物联网技术的实践教学平台的基础。以物联网技术与电子信息专业课程体系的对应关系为依托,结合本专业理论教学与实践教学的特点设计符合本专业的物联网实践教学平台。该实践教学平台如图2所示。该平台硬件由ARM嵌入式主板、模块板和PC机平台或手机平台构成。模块板中RFID模块、Zigbee模块、蓝牙模块、传感器模块和GPS模块主要负责物联网感知层的功能,感知层的每一个模块都有与之对应的理论课程,在利用模块进行感知层实验时可以让学生更深刻地理解与之对应的理论课程的知识点,达到理论与实践的统一。模块板中以太网模块、GPRS模块和WIFI模块主要负责物联网网络层的功能,网络层的两个模块都有与之对应的理论课程,同样在利用模块进行网络层实验时可以让学生更深刻地理解通信原理、信息论与编码这些理论性较强的课程的知识点。PC机平台或手机平台主要负责物联网应用层的功能,基于这两个平台的应用层软件开发,可以将传输层上传的数据进行更好地显示和存储,这正是监控系统软件设计这样的专业课所涉及的知识。而ARM嵌入式主板是感知层模块和网络层模块之间的桥梁。它一方面负责与传感器模块及短距离传输模块进行通信进行数据的获取,另一方面它将获取到的数据通过网络层模块进行传输与上位机进行通信。
ARM嵌入式主板采用意法半导体公司的STM32系列处理器,方便学生由51快速的过渡到ARM处理器的学习,PC机平台选用Windows操作系统,手机平台选用Android操作系统。
四、教学效果
物联网在中国物流行业应用的发展历程
物联网的发展是一个从信息自动提取、信息整合、物品局域联网、局部系统的智能服务与管控等向全网融合的逐步深化的过程。在中国,物流行业物联网技术的应用经历了三个阶段。
(一)启蒙阶段(2003~2004年)
在启蒙阶段,物流行业物联网的应用是从两个独立的技术路线开始探索的,一是基于RFID/EPC的技术路线,二是基于GPS/GlS的技术路线。
1999年,国际上在RFID/EPC的基础上提出了物联网概念,2003年1 1月,EPC global成立,同年,基于RFID/EPC的物联网概念引入中国,在中国成立了EPC global的分支机构。2004年4月,中国举办了第一届EPC与物联网高层论坛,10月,举办了第二届EPC与物联网高层论坛。同年,关于物联网的图书首次在中国出版。在这一时期,中国物流领域掀起了第一轮物联网概念炒作与应用的小,组织了一系列关于RFID/EPC的会议,一些关于RFID技术与应用的杂志与网站开始创办,人们对RFID技术在物流行业应用也寄予厚望。在物流领域,基于RFID技术的解决方案、应用案例不断涌现,智慧化的物流系统开始出现。
GPS/GIS技术与物流可视化管理系统的理念,大约从1999年前后在国内物流领域开始探讨和报道,自2001年开始探索GPS在物流货运监控与联网管理上的应用,2003年开始出现一些成功的应用案例。这一阶段是应用GPS/GIS感知与定位技术结合互联网技术,对移动中的物流运输车辆与货物实现联网、跟踪、定位、调度、配货等智能管理与运作,初步具备了物联网的特征,但是当时这一技术路线及其应用案例并未纳入物联网理念范畴。
(二)起步发展与探索阶段(2005~2009年)
虽然物联网在物流行业的发展一开始就遇到了很多问题,但是人们并没有停止物联网在物流行业应用的探索。如:针对RFID芯片成本问题,一方面通过加快技术创新,不断降低RFID芯片成本,另一方面,物流行业也结合实际探索RFID技术应用模式,消除成本带来的影响。
其中最为典型的应用是“中国集装箱电子标签系统”在航运“物联网”项目中的应用。“集装箱RFID货运标签系统”通过RFID无线射频识别技术与互联网的有机结合,可为货主、港口、船公司、海关、商检等相关单位提供集装箱实时状态信息,对提高集装箱运输的安全水平和运输效率具有重要意义。
除了以集装箱为单元的物联网应用,很多企业还在探索以更小的物流单元――托盘物流单元为终端节点的物流行业物联网系统。比如,烟草行业对全行业使用的托盘均要求嵌入RFID标签,实现烟草物联网应用。
在GPS/GIS方面,为了实现智能调度、可视化运输管理,很多企业建立了基于互联网的物流运输GPS追踪系统,从而实现对全公司所有车辆在全国各地移动过程中的感知、定位、追踪与智能调度管理。社会的物流信息平台,也借助这一技术,对在途车辆提供在线配货信息服务,实现回程空车可就近配货、在线监控与管理,从而实现货运物联网应用。
(三)理念提升阶段《2009年至今》
2005年11月17日,国际电信联盟(ITU)借用了原来基于RFID/EPC技术提出的“物联网”概念,从更广泛的角度提升了物联网理念,了《ITU互联网报告2005:物联网》,宣布了无所不在的“物联网”通信时代来临。得益于ITU在2005年的以物联网为标题的年度报告,物联网理念得到了全面提升,形成目前以感知技术、网络通信技术和智能应用技术为核心的三大物联网本质特征。
围绕三大本质特征,目前物联网感知技术更加丰富,除RFID技术以外,面向所有感知技术开放,凡是能够起到自动感知的技术体系都可以纳入物联网感知技术体系,目前常用的传感技术、RFID技术、GPS卫星定位与识别技术、视频识别或机器视觉技术等都可纳入物联网终端感知技术体系;网络方面,互联网、传感网、局域网、电视网、电信网也在走向融合,可纳入物联网网络技术体系;智能应用则更加广泛,打开了智能物流发展创新的空间,一个智慧物流的时代正向我们走来。
物流申的物联网技术
(一)物联网概念与主要技术体系
目前物流行业大多数人认可的物联网定义为:物联网是“物物相连的互联网”,即通过各类传感装置、RFID技术、视频识别技术、红外感应、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,根据需要实现物品互联互通的网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的智能网络系统。
物联网的特征主要体现在三个方面:一是互联网特征,即对需要联网的物~定要能够实现互联互通的互联网络;二是识别与通信特征,即纳网的“物”一定要具备自动识别与物物通信(M2M)的功能;三是智能化特征,即网络系统应该具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。
(二)物流中应用的物联网主要技术
根据物联网的特征来划分,物联网主要有三大技术体系,一是感知技术体系;二是通信与网络技术体系;三是智能技术体系。下面结合其在物流行业应用情况进行分析。
1、物流业常用的物联网感知技术
为了对物流中的“物”进行识别、追溯,常采用的是RFID技术、条码自动识别技术:
为了对物流中的“物”进行分类、拣选、计数,常采用的是RFID技术、激光技术、红外技术、条码技术等;
为了对物流中的“物”进行定位、追踪,常采用的是GPS卫星定位技术、GIS地理信息系统技术、RFID技术,车载视频技术等;
为了对物流作业中的“物”进行监控,常采用的是视频识别技术、RFID技术、GPS技术等:
为了对物品,尤其是特殊物品的性能及状态进行感知与识别,常采用的是传感器技术、RFID技术与GPS技术等:
综合来看,在物流行业目前最常用的物联网感知技术主要有RFID技术、GPS技术、传感器技术、视频识别与监控技术、激光技术、红外技术、蓝牙技术等。
2、物流行业常用的物联网通信与网络技术
在区域范围内的物流管理与运作的信息系统,常采用企业内部局域网直接相连的网络技术,并留有与互联网、无线网扩展的接口;在不方便布线的地方,常采用无线局域网技术;
在大范围物流运输的管理与调度信息系统,常
采用互联网技术、GPS技术、GIS地理信息系统技术相结合,组建货运车联网,实现物流运输、车辆配货与调度管理的智能化、可视化与自动化:
在以仓储为核心的物流中心信息系统,常采用现场总线技术、无线局域网技术、局域网技术等网络技术;
在网络通信方面,常采用无线移动通信技术、3G技术、M2M技术、直接连接网络通信技术等。
综合分析,物流行业为了使移动或存储中形态各异“物”能够联网,最常采用的网络技术是局域网技术、无线局域网技术、互联网技术、现场总线技术和无线通信技术。
3、物流行业物联网常用的智能技术
在企业厂区的生产物流物联网系统,常采用的智能技术主要有ERP技术、自动控制技术、专家系统技术等;
在大范围的社会物流运输系统,常采用的智能技术是数据挖掘技术、智能调度技术、优化运筹技术等;
在以仓储为核心的智能物流中心,常采用的智能技术有自动控制技术、智能机器人技术、智能信息管理系统技术、移动计算技术、数据挖掘技术等;
以物流为核心的智能供应链综合系统、物流公共信息平台等领域,常采用的智能技术有智能计算技术、云计算技术、数据挖掘技术、专家系统技术等智能技术。
综合来看,物流行业物联网常用的智能技术有智能计算技术、云计算技术、移动计算技术、ERP技术、数据挖掘技术和专家系统技术等。
物联网技术在物流业的应用状况分析
(一)感知技术应用状况
在中国物流信息化领域,应用最普遍的物联网感知技术首先是RFID技术。RFID标签及智能手持RF终端产品有比较广泛的应用,RFID技术主要用来感知定位、过程追溯、信息采集、物品分类拣选等。
其次是GPS/GIS技术。物流信息系统采用GPS/GIS感知技术,用于对物流运输与配送环节的车辆或物品进行定位、追踪、监控与管理;尤其在具有运输环节的物流信息系统,大部分均采用这一感知技术。
视频与图像感知技术居第三位。该技术目前还停留在监控阶段,需要人来对图像分析,不具备自动感知与识别的功能,在物流系统中主要作为其他感知的辅助手段,也常用来对物流系统进行安防监控,用于物流运输中的安全防盗等,这一系统往往会与RFID、GPS等技术结合应用。
传感器的感知技术居于第四位。传感器感知技术及传感网技术是近两年才在物流领域得到重视与应用的技术。目前,传感器感知技术也是与GPS、RFID等技术结合应用,主要用于对危险物流系统、粮食物流系统、冷链物流系统的物品状况及环境进行感知。传感技术丰富了物联网系统中的感知技术手段,在食品、冷链物流和危险品物流具有广泛应用前景。
扫描、红外、激光、蓝牙等其他感知技术在物流领域也有少量应用,主要用在自动化物流中心自动输送分拣系统,用于对物品编码自动扫描、计数、分拣等方面,激光和红外也应用于物流系统中智能搬运机器人的导引。(注:上述扫描指自动输送分拣机上的条码扫描,不包括手持终端的条码扫描)。
各类感知技术在物流业应用情况如图1所示。
根据对相关资料的统计分析,多项感知技术集成应用的情况也较多,如RFID技术与传感器技术结合、GPS技术与RFID技术结合、车载视频与GPS技术结合等。
(二)网络与通信技术应用状况
现代物流的特点是系统化和网络化,目前,物流系统全部是网络化的运作,很少有物流系统是点对点的单线管理与优化。因此,物流信息化的最大趋势是网络化与智能化。
在物流系统中,企业内部的生产物流管理系统往往是与企业生产系统的运作与管理相融合,物流系统作为生产系统的一部分,在企业生产管理中起着非常重要的作用。企业内部物流系统的网络架构,往往都是以企业内部局域网为主体建设的独立的网络系统。
在物流公司,面对大范围的物流作业,由于货物分布在全国各地,并且货物在实时移动过程中,因此,物流的网络化信息管理往往借助于互联网系统与企业局域网相结合应用,但也有企业全部采用局域网技术。
在物流中心,物流网络往往基于局域网技术,也采用无线局域网技术,组建物流信息网络系统。
在数据通信方面,往往是采用无线通信与有线通信相结合,新的物流信息系统还大量采用了3G通信技术等先进的技术手段。
根据对物流信息化案例的不完全统计,采用互联网技术的占68%,采用局域网技术的占63%,采用无线局域网技术的占24%,有的系统采用多种网络技术,如图2所示。
(三)智能管理技术应用状况
根据对相关资料的统计分析,目前,物流信息系统能够实现对物流过程智能控制与管理的还不多,物联网及物流信息化还仅仅停留在对物品自动识别、自动感知、自动定位、过程追溯、在线追踪、在线调度等一般的应用,专家系统、数据挖掘、网络融合与信息共享优化、智能调度与线路自动化调整管理等智能管理技术应用还有很大差距。只是在企业物流系统中,部分物流系统可以做到与企业生产管理系统无缝结合,智能运作;部分全智能化和自动化的物流中心的物流信息系统,可以做到全自动化与智能化物流作业。
几种重要的物联网技术在物流业的应用领域与前景
(一)RFID技术在物流业的应用领域及前景
RFID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。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。
1、RFID技术在物流业的应用
在物流领域,RFID电子标签可以应用于自动仓储库存管理、产品物流跟踪、供应链自动管理、产品装配和生产管理、产品防伪等多个方面。大量使用RFID电子标签可以提高整个供应链和物流作业管理水平。RFID在物流业的重点应用方向包括:货运集装箱追踪与管理;道路货运车辆的跟踪与管理;托盘等装载设备的跟踪管理;配送中心管理;航空集装设备、货物追踪及行李管理;机场货运车辆的智能调度与管理。
2、RFID技术的应用前景分析
物联网的发展给RFID在物流业应用带来良好的发展机遇。随着物联网技术的发展,在物流领域,RFID的应用将会由点到面,逐步拓展到更广的领域。据中国RFID产业联盟和计世资讯(CCW Research)预测,物流领域的应用将是中国RFID市场增长最快的领域之一,主要体现如下:
(1)医疗与药品智能追溯系统进入成长期。医疗领域的RFID市场已基本完成培育期,正在进入成长期,在医疗领域采用RFID可以用生机勃勃来形容,几乎每一个RFID项目都可以立即得到回报。
(2)食品卫生和动物疾病防疫领域发展迅速。食品卫生和动物疾病防疫等安全问题为RIFD的大规模普及提供了契机,采用RFID标签,组建智能追溯的食品物联网体系,可以监控贯穿食品和药物供应
链的实时信息,对动物的原产地和疾病进行追踪和控制。
(3)智慧物流与供应链市场需求可观,但对技术的要求则比较高。智慧物流供应链管理对RFID的市场需求量十分可观,只是目前还受种种因素的限制。通过识别每一个货品、货箱及托盘,RFID标签为运营商提供了清晰了解分销链的能力,从而识别任何一件货品,检查货品状态及来源史,并将货品发送到供销网络中的任何地点。
(4)资产与物品仓储管理的增长将使闭环应用成主流。越来越多的企业开始考虑如何将RFID用于闭环应用。目前的IT资产管理就是一种RFID技术在闭环的应用,通过部署RFID系统来跟踪资产设备,可以更安全地追踪到设备的位置及使用者的身份,能避免因设备丢失造成的损失,并能保持敏感数据的安全性。RFID技术还可用于跟踪生产环境中的工具和用品及工厂内的消耗物品。
(5)与电信技术的融合衍生出了NFC等新领域。电信技术与RFID技术结合可为各行业建立物联网与信息化最后1公尺的建设提供开放、标准化的基础,极大地节约社会资源,创造经济效益。目前一些管理市场化水平比较高、信息化基础比较完善的行业,将成为RFID通信技术应用的先行行业,比如电子支付、物品管理、物流管理、生产制造、安全控制等领域的应用潜力都比较大。
总之,RFID技术在物流信息化领域应用市场前景广阔,物联网技术的发展更为RFID技术在物流业的大规模应用创造了良好的市场环境。
为了抓住RFID市场机遇,笔者建议,企业在物流业RFID技术应用的开发方面瞄准下列六个方向。
(1)针对物流行业应用RFID技术进展缓慢的现状,支持开发适用于各种物流环境的特种电子标签,包括各种材质的托盘、周转箱标签、集装箱标识标签、温度传感标签、堆场定位标签、车辆标签等。
(2)开发整合集成RFID技术的物流装备,进行RFID技术与现有物流装备的整合。
(3)支持RFID中间件的开发,开发支持多协议读写器,同时能与现有的物流仓储、运输等管理系统无缝对接的RFID中间件系统。
(4)支持与鼓励面向物流行业的RFID公共信息服务平台的开发与应用示范,实现跨地区、跨行业的RFID信息的识别、采集、传输与信息应用服务,满足物流企业进行RFID系统快速部署的需求,并与现有物流信息公共平台进行互联互通。
(5)支持物流行业RFID应用标准的研究和制定,包括物流领域RFID数据规范、RFID技术与物流装备的整合标准、基于RFID技术的物流操作规范,RFID中间件与物流系统、数据平台的数据交换标准等。
(6)推广RFID技术在物流业九大重点工程中的应用示范,包括在多式联运和转运设施、大型物流园区、城市配送及冷链物流、大宗商品和农村物流、制造业和物流业联动发展、物流公共信息平台、物流标准和技术推广、物流科技攻关、应急物流中的应用示范。
(二)全球卫星导航技术在物流业的应用领域与前景
全球定位系统(GPS)是美国国防部发射的24颗卫星组成的全球定位、导航及授时系统。北斗卫星导航系统是与GPS相类似的技术,是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统(CNSS),是除美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。这些全球卫星定位导航系统与电子地理系统结合,可以对移动的物体进行定位、追踪、检测、联网,该技术是对移动中的物品进行联网与定位追踪最好的技术手段,也是物流行业最主要应用的物联网技术之一。
1、全球卫星导航技术在物流业的应用
GPS应用于车辆运行管理中,可对运输的车辆和货物进行实时定位、跟踪和监控,还可以对车辆进行调度,同时提供车辆报警等功能,以确保货物安全,因此,车载式GPS有着广阔的发展前景。具体可以应用于对特种专用车辆的定位跟踪、城市出租车管理、公交系统、长途运输等领域。
在基于GPS的物流配送监控系统中,GPS主要辅助实现车辆跟踪、路线的规划导航、话务指挥、信息查询、紧急救援与应急物流等物流配送监控功能。
在基于网络的GPS系统中,通过在互联网上构建公共GPS监控平台,可以免除物流运输公司自身设置监控中心所导致的大量费用,包括各种硬件配置、管理软件等。网络GPS使投资费用降低和无地域性限制的信息获取,提高了GPS的普及率,从而增加了物流业的利润。
在基于GPS技术的智能港口物联网中,通过利用GPS等技术,可建立港口物联网支撑技术与平台。如江阴打造的智能港系统,包括专用车载GPS监控系统、集装箱卡车GPS监控软件、专用车载GPS监控系统软件等,这些技术为江阴打造智能港口提供了关键技术。
2、GPS技术在物流业的应用前景
随着中国物流产业的振兴,基于GPS/GIS的移动物联网技术将获得巨大发展。预计未来几年,中国物流领域对GPS系统具有巨大的市场潜力和不可估量的发展前景,对GPS系统的需求量将以每年30%以上的速度递增。
(三)无线传感网在物流业应用领域与前景
无线传感器网络(WSN,Wireless SensorNetworks)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。
WSN在物流的许多领域都有应用价值,包括生产物流中的设备监测、仓库环境监测、运输车辆及在运物资的跟踪与监测、危险品物流管理、冷链物流管理等。
WSN在物流中具有巨大的应用潜力,但是大规模的应用还有待时日。根据实地调研和文献资料分析得知,目前,无线传感器网络在物流业中的应用十分有限,大部分还停留在学术研究或是开发实验阶段。要在物流业获得广泛应用,其中有很多关键技术还需探讨,如能量管理、节点定位、拓扑控制、MAC协议和路由协议等技术,此外,应用成本问题也需解决。
(四)智能机器人在物流业应用情况及前景
智能机器人是物联网家族的重要成员,是物联网智能应用的执行者之一。智能机器人技术也是物联网重要的技术产品。借助于物联网,将机器人纳入物联网系统中,利用机器人的自动化性能,可实现智能作业与管理。
物流行业机器人的应用最早出现在1995年,在我国烟草行业物流作业系统中首先得到应用。当时,卷烟厂采用智能码垛机器人对卷烟成品进行码垛作业,用AGV(自动搬运车)进行自动搬运作业,节省了大量人力,减少了烟箱破损,提高了自动化水平。这时的机器人还只是单线的点对点作业,尚未融入物流网络系统。
目前,智能机器人在我国烟草、汽车、医药等行业的物流系统中得到了广泛应用。随着物流信息技术的发展,智能机器人也有独立的作业环节开始融入物流作业系统,成为现代物流系统的组成部分,成为智慧物流的重要装备。
在中国现代物流系统中,智能机器入主要有两种类型,一种是从事堆码垛物流作业的码垛机器人,一种是从事自动化搬运的无人搬运小车AGV,这些智能机器人在全自动化物流系统中执行物流网络系统的堆码垛作业指令和自动化智能搬运作业指令。
关键词:zigbee;智能安防;数据采集;物联网
中图分类号:TP277 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2015)06-0230-02
物联网技术是智能安防系统的基础,利用物联网技术协助人力来实现防火、防盗、报警应急措施。本系统中应用了物联网技术中的部分技术,通过无线传感器技术、zigbee技术实现智能安防的效果。本文研究设计一种智能安防系统,达到智能化安防目的。
1 物联网技术
物联网技术是智能安防系统的基础,利用物联网技术协助人力来实现防火、防盗、报警应急措施。本系统中应用了物联网技术中的部分技术,通过无线传感器技术、zigbee技术实现智能安防的效果。本节主要讲述物联网相关技术。
1.1 物联网核心思想
物联网的核心思想是在Internet基础上,利用Zigbee技术、无线射频识别RFID技术、无线数据通讯技术等技术建立的一个能够使用全球物品信息实时共享的网络系统。物联网就是在各种建筑设施、各种管道以及家用电器等各种物理实体上嵌入感应器和装备,通过互联网把这些物理实体连接起来,感应器和装备中安装有程序,从而实现对这些物理实体的远程控制。人们使用控制中心计算机通过物联网可以管理和控制分布到不同地点设备、机器和人员,并且通过更加细致和动态的方式来优化人类社会的生产生活,从而实现物理世界与人类社会的和谐相处与有机融合。
目前,物联网因其巨大的应用前景而广泛地受到各国政府、学术界以及工业界的重视。根据美国独立市场研究机构FORRESTER预测,世界物联网相关技术和应用的市场价值到2020年将达到万亿级,到那时世界物联网的业务量将会大大超过现有互联网的业务量。
1.2 物联网的结构组成
物联网是指在现实世界的物理实体中嵌入具有一定感知能力、计算能力和执行能力的芯片和软件。感知、传输和处理是物联网的三个关键环节。物联网各组成的部分分工协作、有机结合实现物与物之间的沟通。目前在业界物联网的体系结构大致认为有三个层次:感知层,网络层,应用层,如图1所示。
感知层位于物联网层次模型架构的最低层,具有全面感知的能力。它相当于物理接触层,是物联网应用与发展的基础。该层主要用来通过各种技术手段将采集到的现实世界的物理量经过调制、编码等信息处理技术处理后转化为虚拟世界可处理的数字化的数据。在感知层主要使用的设备有传感器、摄像头,RFID网络层的主要作用是负责把感知层感知的数据进行传送,实现控制信息和感知数据的双向传送,在物联网的体系结构中,网络层位于层次模型的中间。物联网的网络层包括网络的管理中心、通信与互联网融合网络等。网络层解决的是感知层所采集到数据传送到其他地方尤其是远距离地方的问题,使感知层感知到物理实体的数据能够通过网络层进行安全可靠地进行传送。物联网与互联网能够之间能够通过各种不同接入设备相连接。此外网络层可以进行信息网格管理和存储查询。网络层管理采集来的数据。应用层将物联网技术与行业专业系统相结合利用经过处理的感知数据为用户提供丰富的特定服务。
2系统需求分析
本论文设计的智能安防系统主要包括:安防区域温度信号采集分析、安防区防盗入侵、烟雾信号采集分析放火灾、网络控制切断电源。安装在安防区域的门窗、厅堂等场所的各种无线传感器,通过zigbee节点把数据上传到zigbee网关,zigbee网关再通过串口、wifi把采集到的信息上传到上位机,以备查看信息或实施控制。
在需要布控的区域安放无线传感器,利用温度传感器搜集周边环境温度信号,以此判断是否有火情信息。在贵重物品看管或房屋入侵方面,利用红外传感器探知是否有人入侵,以此保证贵重物品或房屋等场所的安全。可以全程访问各种信号,并对搜集的数据进行分析处理。
3网络架构设计
3.1网络拓扑结构的设计
Zigbee网络拓扑结构有三种类型:星型、树形、网络型。本系统采用星型网络拓扑结构,在布控地点安放zigbee节点,在各个zigbee节点周围寻找合适位置安放zigbee网关。
智能安防系统的网络设计方案采用星型方案,zigbee网关负责收集zigbee节点传来的信息,zigbee网关具有wifi功能,把收集到的数据通过wifi传到上位机或手机、平板设备中,上位机或手机、平板设备的软件对收集来的各种数据进行整理分析,发现超出值域的就会报警,如图2所示。
3.2 节点设备的选择
智能安防系统的网络设备包括三个部分:第一部分,zigbee节点负责收集各种信号,板载资源包括烟雾报警传感器、温湿度传感器、红外信号传感器等各种安全类的传感器,根据需要选择相应的传感器,zigbee节点的处理器芯片选择的是CC2530;第二部分,zigbee网关负责收集zigbee节点传来的数据,并把数据通过串口或wifi传输到上位机或手机、平板设备上,Zigbee网关选择的处理器芯片是CC2530,zigbee网关的wifi通信模块选择低功耗WIFI芯片ESP8266;第三部分,上位机负责收集整理数据,也可以开发对应的Android软件。
处理器芯片选择CC2530,该芯片是2.4GHz 的CC253x 片上系统解决方案适合于广泛的应用,它们可以很容易建立在基于IEEE 802.15.4 标准协议上面。CC253x性价比较高,适合应用在大量的zigbee网络节点,结合了RF收发器的功能,增强型8051,系统内部配有可编程Flash,8KB RAM及其它功能。CC2530有多种运行模式,使得它非常适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保低能源消耗。CC2530最小系统的设计包括的模块包括:复位电路、振荡电路。
4软件设计
智能安防系统的软件设计包括两部分:上位机台式机软件设计、移动设备APP设计。无论哪种设备的软件,后台模块软件流程图3所示。
5结束语
本文主要利用zigbee节点完成无线传感器的数据收集,利用zigbee网关接受节点发送来的数据,并利用串口或wifi传输数据到上位机或移动设备,控制设备判断数据是否超出值域,从而决定是否发出警报,时钟每隔1分钟采样一次zigbee节点的数据。该项目是我校科研项目“物联网技术在安防系统中的应用(No.20140510)” 研究成果。
参考文献:
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