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浅析物联网技术

发布时间:2019/12/26 新闻及媒体 行业动态 浏览次数:1138

一、物联网起源与概念

物联网(Internet of Things,缩写:IoT),物联网概念最早出现于比尔盖茨1995年《未来之路》一书,在《未来之路》中,比尔盖茨已经提及物联网概念,只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展,并未引起世人的重视。

1998年,美国麻省理工学院创造性地提出了当时被称作EPC系统的“物联网”的构想。

1999年,美国Auto-ID首先提出“物联网”的概念,主要是建立在物品编码、RFID技术和互联网的基础上。过去在中国,物联网被称之为传感网。中科院早在1999年就启动了传感网的研究,并已取得了一些科研成果,建立了一些适用的传感网。同年,在美国召开的移动计算和网络国际会议提出了,“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”。

2003年,美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首

2005年11月27日,在突尼斯举行的信息社会峰会上,国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,正式提出了物联网的概念。

物联网是指通过信息传感设备,按约定的协议,将任何物体与网络相连接,物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。

物联网(Internet of Things)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体,让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。

二、物联网技术简述

物联网技术的核心主要为组网通信技术、传感技术、云计算、M2M框架;

物联网通信组网技术涉及到数据的传输和网络覆盖的便捷性;

传感技术则决定了数据来源的完整性和多样性。

M2M是一种以机器终端智能交互为核心的、网络化的应用与服务,它让终端变得智能化可交互。

物联网组网技术有非常多的技术,为了区别于传统的互联网-宽带网络,我们经常将物联网称为-窄带网。技术领域的物联网组网协议有NB-IoT、Lora、Zigbee、蓝牙、RFID、NFC等等,其中RFID、NFC、蓝牙为近距离传输协议,NB-IoT、Lora、Zigbee为远距离传输协议,本文就主流的几个进行简单的描述。

NB-IoT

NB-IoT在国内来说属于国家队,由3大运营商牵头建设覆盖全国的物联网云平台。基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT的特性对于国内的运营商来说拥有天然的技术和覆盖面优势。

Lora

Lora是创建长距离通讯连接的物理层或无线调制, 基于CSS调制技术(Chirp Spread Spectrum)的LoRa技术相较于传统的FSK技术,能极大地增加通讯范围,且CSS技术数十年已经广受军事和空间通讯所采用,具有传输距离远、抗干扰性强等特点,LoRa是第一个该技术的低成本商业案例。Lora是主流的商业化物联网通信协议之一,在芯片上有开源和商业版,不受频谱限制。

LoRaWAN协议是由LoRa联盟推动的一种低功耗广域网协议,针对低成本、电池供电的传感器进行了优化,包括不同类别的节点,优化了网络延迟和电池寿命。LoRa联盟标准化了LoRaWAN,以确保不同国家的LoRa网络是可以互操作的。

LoRaWAN构建的是一个运营商级的大网,覆盖地区乃至全国的网络。经过几年的发展,目前已建立起了较为完整的生态链:LoRa芯片→模组→传感器→基站或网关→网络服务→应用服务。

“中国LoRa应用联盟(China Lora Application Alliance,简称CLAA)是在LoRa Alliance支持下,由中兴通讯发起,各行业物联网应用创新主体广泛参与、合作共建的技术联盟,旨在共同建立中国LoRa应用合作生态圈,推动LoRa产业链在中国的应用和发展,建设多业务共享、低成本、广覆盖、可运营的LoRa物联网。中兴通讯作为LoRa Alliance(简称LoRa联盟)董事会成员,与LoRa联盟成员一起共同推动LoRa技术在全球低功耗广域网络(LPWAN)建设和产业链的发展。”

中兴通讯在LoRaWAN的基础上优化了协议,构建了共建共享的LoRa应用平台。凭借中兴通讯行业的实力和影响力,在CLAA平台上已聚集了很多公司的产品。CLAA提供网关和云化核心网服务,可快速搭建起LoRa网络的物联网系统的应用来。

Zigbee

ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式:蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息,以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。

ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线网络平台,在整个网络范围内,每一个网络模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里,并且支持无限扩展(依靠节点数增加)。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是,ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立,因而,它必须具有简单,使用方便,工作可靠,价格低的特点;而移动通信网主要是为语音通信而建立,每个基站价值一般都在几十万甚至上百万元人民币,而每个ZigBee网络“基站”(节点)却不到1000元人民币。

ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。

蓝牙

蓝牙的名字来源于10世纪丹麦国王Harald Blatand -英译为Harold Bluetooth(因为他十分喜欢吃蓝梅,所以牙齿每天都带着蓝色)。他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。用他的名字来命名这种新的技术标准,含有将四分五裂的局面统一起来的意思。

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段,标准是IEEE802.15,工作在2.4GHz频带,带宽为1Mb/s。

它以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。以时分方式进行全双工通信,其基带协议是电路交换和分组交换的组合。一个跳频频率发送一个同步分组,每个分组占用一个时隙,使用扩频技术也可扩展到5个时隙。同时,蓝牙技术支持1个异步数据通道或3个并发的同步话音通道,或1个同时传送异步数据和同步话音的通道。每一个话音通道支持64kb/s的同步话音;异步通道支持最大速率为721kb/s,反向应答速率为57. 6 kb/s的非对称连接,或者是432. 6 kb/s的对称连接。

依据发射输出电平功率不同,蓝牙传输有3种距离等级:

Class1为100m左右;

Class2约为10m;

Class3约为2-3m。

一般情况下,其正常的工作范围是10m半径之内。在此范围内,可进行多台设备间的互联。

传感器技术

物联网的数据来源是通过物联网传输协议将终端设备传感器采集到的各类的数据。作为整个网络的感知层,传感器技术的类型多样,表现形式不定,运用的技术也非常繁杂,如我们常听说的IC卡、红外遥控、温湿度传感器、智能电表(水表/气表)都可作为物联网终端的数据采集设备。传感器就是把自然界中的各种物理量、化学量、生物量转化为可测量的电信号的装置与元件,可见传感器的众多和纷杂。传感器的定义决定了它本身的复杂性和众多品种。

物联网传感器早已渗透到诸如工业生产、智能家居、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说,从茫茫的太空,到浩瀚的海洋,以至各种复杂的工程系统,几乎每一个现代化项目,都离不开各种各样的传感器。

三、物联网发展趋势和应用

根据国外权威机构预测,2017–2018年,全球物联网业务迎来了高速增长的拐点,每年连接数将以两位数的速度成长,2019年,全球连接数将突破120亿。

物联网的产业链比较长,包括提供芯片模组、终端等硬件产商、提供设备连接和网络连接的网络运营商、提供平台服务,大数据服务的互联网企业,提供行业解决方案和业务应用的互联网公司等等;目前,价值最高的,还是集中在提供行业解决方案和业务应用的互联网公司一侧。

物联网在智慧化的时代拥有的足够的市场空间和发展前景,在人工智能、智慧城市、智慧能源、远程医疗、智能交通、智慧家居、智慧物流、智能制造、智能零售和智慧农业等等几乎涉及到我们生活的每一个领域,无处不在。

三、显鸿物联网标识体系

2016年显鸿科技开始涉足物联网标识领域,至2018年公司仅用三年时间,全面布局物联网标识体系结构感知层、网络层、应用层。在感知层对象标识中的赋予性标识,即全面掌握自动贴标、喷码、激光打码等支撑性赋码技术及RFID电子标签(无线射频识别) 、 二维码、条形码等识别码技术,自然属性标识中的虹膜技术;在网络层的拥有网络设备节点标识、传感器节点标识、标签读写器节点标识;在应用层方面,拥有自主开发具有显鸿特色的显鸿智能商业系统、小码快销系统、有数分析营销数据分析平台等适合产品应用层的各类技术综合解决方案。目前,显鸿科技已掌握物联网标识体系各层级的关键技术,其自主研发的RFID产品已应用于智慧农业、智慧城市、智慧运输、智能制造、遥感探测、智能交通等众多领域。

值得一提的是,显鸿科技自主开发了超微功耗物联传感器国产算法芯片技术“蒙芯”,蒙芯是一款小尺寸超微功耗RFID传感器芯片,作为远距离射频识别装置,具有无源、性能可靠、超长寿命、带国密加密算法等特点,并集成了温度、水分、电导率、应力压力、气体传感器装置。芯片通过与大数据、云计算、物联网、人工智能等现代通信和信息处理技术结合,可广泛范应用于实时安全监控领域。

蒙芯相比于其他传统的传感技术,其先进性在于采用90纳米工艺,兼顾功耗和单片成本,应用范围广;集成了专业传感器的信号调理、逻辑控制以及其他基带处理,赋予了芯片更多新的物理功能,符合物联网的新应用;优化了多种外接传感器接口技术,可以连接多个无源超微功耗传感器;对传统RFID芯片的国际技术标准ISO18000-6C基础上,扩充了多个和传感器相关的指令集,对ISO18000-6C国际技术标准进行了理论和实际应用的扩展; 优化的国密算法引擎,降低功耗20%以上;

“蒙芯”是目前世界上首个可广泛应用于在轨道交通混凝土构件监护场景中的物联网传感器芯片产品,其解决了芯片嵌入到在混凝土及钢结构件中实现信息传输和满足使用寿命50年的关键技术,该项技术可应用在隧道、桥梁、掩体、码头及建筑物中,提供温度、湿度、气体、抗压能力等实时数据,以达到对混凝土构件的全生命周期全程监护及为故障预测提供数据支撑。

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