空调物联网.docx
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空调物联网
空调物联网的硬件原理设计
论文题目：
空调物联网的硬件原理设计
姓名：
邓康
学号：
0909080905
班级：
自动化0803班
指导老师：
张涛
2010年9月15日
目录
第一章物联网相关概念及空调物联网的发展现状和前景
1物联网定义
2“中国式”物联网定义
3我国物联网产业现存七大问题分析
4物联网空调定义
5物联网对中国的影响将拓展万亿级战略产业
第二章物联网的硬件设计
1物联网基本属性及特征
2物联网体系构成
3传感器网络关键技术
3.1 处理器单元
3.2 无线传输技术及芯片
3.3 电源模块
3.4 传感器模块
参考文献
第一章物联网相关概念及空调物联网的发展现状和前景
1物联网定义
物联网的英文名称为"TheInternetofThings”,简称：
IOT。
物联网通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在链接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。
物联网示意图
物联网是通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。
与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用，物联网也被视为互联网的应用拓展。
因此应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。
由“物联网”名称可见，物联网就是“物物相连的互联网”。
这有两层意思：
第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。
因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）装置、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。
这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围：
1、要有相应信息的接收器；
2、要有数据传输通路；
3、要有一定的存储功能；
4、要有CPU；
5、要有操作系统；
6、要有专门的应用程序；
7、要有数据发送器；
8、遵循物联网的通信协议；
9、在世界网络中有可被识别的唯一编号。
2009年9月，在北京举办的物联网与企业环境中欧研讨会上，欧盟委员会信息和社会媒体司RFID部门负责人LorentFerderix博士给出了欧盟对物联网的定义：
物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。
物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一道，构成未来互联网[1]。
物联网（InternetofThings）这个词，国内外普遍公认的是MITAuto-ID中心Ashton教授1999年在研究RFID时最早提出来的。
在2005年国际电信联盟（ITU）发布的同名报告中，物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。
自2009年8月温家宝总理提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。
物联网的概念与其说是一个外来概念，不如说它已经是一个“中国制造”的概念，他的覆盖范围与时俱进，已经超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围，物联网已被贴上“中国式”标签。
2“中国式”物联网定义
物联网（InternetofThings）指的是将无处不在（Ubiquitous）的末端设备（Devices）和设施（Facilities），包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统等、和“外在使能”（Enabled）的，如贴上RFID的各种资产（Assets）、携带无线终端的个人与车辆等等“智能化物件或动物”或“智能尘埃”（Mote），通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通讯网络实现互联互通（M2M）、应用大集成（GrandIntegration）、以及基于云计算的SaaS营运等模式，在内网（Intranet）、专网（Extranet）、和/或互联网（Internet）环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面（集中展示的CockpitDashboard）等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。
3我国物联网产业现存七大问题分析
3.1、缺乏核心技术自主知识产权
在物联网技术发展产品化的过程中，我国一直缺乏一些关键技术的掌握，所以产品档次上不去，价格下不来。
缺乏RFID等关键技术的独立自主产权这是限制中国物联网发展的关键因素之一。
3.2、行业技术标准缺失
目前行业技术主要缺乏以下两个方面标准：
接口的标准化；数据模型的标准化。
虽然我国早在2005年11月就成立了RFID产业联盟，同时次年又发布了《中国射频识别（RFID）技术政策白皮书》，指出应当集中开展RFID核心技术的研究开发，制定符合中国国情的技术标准。
但是，现在我们可以发现，中国的RFID产业仍是一片混乱。
技术强度固然在增强，但是技术标准却还如镜中之月。
正如同中国的3G标准一样，出于各方面的利益考虑，最后中国的3G有了三个不同的标准。
物联网的标准最终怎样，只能等时间来告诉我们答案了。
3.3、产业链发展不均衡
和美国相比，国内物联网产业链完善度上还存在着较大差距。
虽然目前国内三大运营商和中兴华为这一类的系统设备商都已是世界级水平，但是其他环节相对欠缺。
物联网的产业化必然需芯片商、传感设备商、系统解决方案厂商、移动运营商等上下游厂商的通力配合，所以要在我国发展物联网，在体制方面还有很多工作要做，如加强广电、电信、交通等行业主管部门的合作，共同推动信息化、智能化交通系统的建立。
加快电信网，广电网，互联网的三网融合进程。
产业链的合作需要兼顾各方的利益，而在各方利益机制及商业模式尚未成型的背景下，物联网普及仍相当漫长。
3.4、各行业间协作困难多
物联网应用领域十分广泛，许多行业应用具有很大的交叉性，但这些行业分属于不同的政府职能部门，要发展物联网这种以传感技术为基础的信息化应用，在产业化过程中必须加强各行业主管部门的协调与互动，以开放的心态展开通力合作，打破行业、地区、部门之间的壁垒，促进资源共享，加强体制优化改革，才能有效的保障物联网产业的顺利发展。
3.5、盈利模式无经验供借鉴
物联网分为感知，网络，应用三个层次，在每一个层面上，都将有多种选择去开拓市场。
这样，在未来生态环境的建设过程中，商业模式变得异常关键。
对于任何一次信息产业的革命来说，出现一种新型而能成熟发展的商业盈利模式是必然的结果，可是这一点至今还没有在物联网的发展中体现出来，也没有任何产业可以在这一点上统一引领物联网的发展浪潮。
目前物联网发展直接带来的一些经济效益主要集中在与物联网有关的电子元器件领域，如射频识别装置、感应器等等。
而庞大的数据传输给网络运营商带来的机会以及对最下游的如物流及零售等行业所产生的影响还需要相当长时间的观察。
3.6、用户使用成本壁垒存在
物联网产业是需要将物与物连接起来并且进行更好的控制管理。
这一特点决定了其发展必将会随着经济发展和社会需求而催生出更多的应用。
所以，在物联网传感技术推广的初期，功能单一，价位高是很难避免的问题。
因为，电子标签贵，读写设备贵，所以，很难形成大规模的应用。
而由于没有大规模的应用，电子标签和读写器的成本问题便始终没有达到人们的预期。
成本高，就没有大规模的应用，而没有大规模的应用，成本高的问题就更难以解决。
如何突破初期的用户在成本方面的壁垒成了打开这一片市场的首要问题。
所以在成本尚未降至能普及的前提下，物联网的发展将受到限制。
3.7、安全问题是应用推广的关键问题
在物联网中，传感网的建设要求RFID标签预先被嵌入任何与人息息相关的物品中。
可视人们在观念上似乎还不是很能接受自己周围的生活物品甚至包括自己时刻都处于一种被监控的状态，这直接导致嵌入标签势必会使个人的隐私权问题受到侵犯。
因此，如何确保标签物的拥有者个人隐私不受侵犯便成为射频识别技术以至物联网推广的关键问题。
而且如果一旦政府在这方面和国外的大型企业合作，如何确保企业商业信息，国家机密等不会泄露也至关重要。
所以说在这一点上，物联网的发展不仅仅是一个技术问题，更有可能涉及到政治法律和国家安全问题。
4物联网空调定义
物联网就是“物与物相连控制的互联网”：
这有两层意思：
第一，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。
3G物联网空调是通过传感设备，按约定的协议，直接对空调终端进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、跟踪、监控和管理的一种网络空调。
3G物联网空调，更先进于原有端→中端→端网络空调，是利用强大的3G网络更直接端到端的智能服务，服务于用户的网络空调。
4.1全球首台无氟变频物联网空调
2010年4月，全球第一白电品牌海尔集团宣布，全球首台具有智能安防、远程运行监控、管理等功能的无氟变频物联网空调在青岛海尔空调研制成功。
[1]
这是全球首家空调企业在物联网技术方面的成功应用，也是中国空调业影响世界的一次创新之举，它不仅革新了人们传统的生活方式，成为人们生活中智能、安防的绿色管家，更是掀起了全球空调业在信息化技术应用革命中的一次新浪潮。
不论身处何时何地，只需通过3G网络，与家中物联网空调轻松互联，便可视频监控家庭安全、进行无线温控管理；还可通过3G网络进行无线监控，调节空调运行状态；无氟变频物联网空调还可提前发现空调异常，自动联系售后服务；此外，物联网空调还可随时将空调耗电量、室内外的温度差等报告用户。
随着信息化建设在家电领域的逐步深入，作为继互联网之后下一个万亿级信息产业的“物联网”也开始从战略高度走向了产业化应用。
海尔此次推出无氟变频物联网空调绝非是次“玩概念”之举，随后将立即与广大消费者见面，首站便是上海世博会。
家电业相关专家也表示，随着物联网国家标准体系建设工作的正式启动，物联网发展已驶入快车道，海尔率先推出“无氟变频物联网空调”，既顺应了全球物联发展、低碳经济发展趋势，更将自身的创新实力充分展现给世界，作为低碳与物联网两次浪潮的行业引领者，海尔的这一创新之举具有划时代意义。
4.2物联网空调模拟应用场景
室内环境安全监测：
当你出门在外，家中有陌生人进入时，空调会自动报警并在第一时间将现场监控视频传输给你；当你旅游、出差又惦念家中近况，空调会把屋内即时画面传送给你，让您享受与家的“零距离”接触；
智能优化空气质量：
当你在归家途中，通过3G网络远程开启空调，它会根据室内外环境温度将家中温度自动调节至最舒适状态；
智能故障检测报警：
等你归来;当你因工作繁忙忽略了空调运转的异常时，它会贴心的提醒你并迅速通知到售后服务人员……
4.3我国在物联网空调研制领域的地位
2010年7月在青岛召开的国家级空调技术专家鉴定会上，海尔空调无氟变频物联网空调重大创新技术得到了鉴定组专家的一致认可。
而海尔的无氟变频物联网空调，已顺利通过国家级空调技术专家鉴定组鉴定——海尔无氟变频物联网空调已达国际领先水平。
这标志着中国制造业在全球的地位从制造者到研发者的开始转型。
海尔无氟变频物联网空调同国际先进水平对比
项目
国内水平
国际水平
海尔物联网空调情况
视频功能
无视频功能
无视频功能
可实现视频功能
电量提示
无耗电量提示功能
无耗电量提示功能
可提示用户空调预计耗电量
家庭安防
无家庭安防功能
无家庭安防功能
通过3G通讯技术，可实现家庭安防功能
故障报警
空调自身报警
空调自身报警
短信通知用户
远程环境监控
通过2G通讯技术监控
通过2G通讯技术监控
通过3G通讯技术实现，主动发送给用户
远程控制
通过2G通讯技术控制
通过2G通讯技术控制
通过3G通讯技术技术实现，用户只需通过手机就可轻松实现。
5物联网对中国的影响将拓展万亿级战略产业
从6月22日在上海开幕的２０１０中国国际物联网大会上了解到，物联网将成为全球信息通信行业的万亿元级新兴产业。
到２０２０年之前，全球接入物联网的终端将达到５００亿个。
我国作为全球互联网大国，未来将围绕物联网产业链，在政策市场、技术标准、商业应用等方面重点突破，打造全球产业高地。
物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展。
目前物联网被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。
物联网产业具有产业链长、涉及多个产业群的特点，其应用范围几乎覆盖了各行各业。
会上专家认为，物联网作为一个新兴产业，目前还处在起步阶段。
发展物联网突出的障碍，包括技术标准还在制定之中、商业模式不够成熟、产业链尚未形成、配套的法律法规及政策亟待出台。
第二章物联网的硬件设计
1物联网基本属性及特征
从以上我们对物联网的理解可以看出，物联网是互联网向物理世界的延伸和拓展，互联网可以作为传输物联网信息的重要途径之一，而传感器网络基于自组织网络方式，属于物联网中一类重要的感知技术。
物联网具有其基本属性，实现了任何物体、任何人在任何时间、任何地点，使用任何路径网络以及任何设备的连接。
因此，物联网的相关属性包括集中、内容、收集、计算、通信以及场景的连通性。
这些属性表现的是人们与物体之间或者物体与物体之间的无缝连接。
物联网中的物体根据其具有的能力发挥作用，这些能力包括计算处理、网络连接、可用的电能等，还包括场景情况（如时间和空间）等影响因素。
根据物联网组成部分的特性、作用以及包含关系，其特征包含下面5个部分：
1）基本功能特征
·物体可以是真实世界的实体或虚拟物体；
·物体具有标识，可以通过标识自动识别它们；
·物体是环境安全、可靠的；
·物体以及其虚拟表示对与其交互其它的物体或人们是私密的、安全的；
·物体使用协议与其它物体或物联网基础设施进行通信；
·物体在真实的物理世界与数字虚拟世界间交换信息。
2）物体通用特征（高于基本功能特征）
·物体使用“服务”作为与其它物体联系的接口；
·物体在资源、服务、可选择的感知对象方面与其它物体竞争；
·物体附加有传感器，能够与环境交互。
3）社会特征
·物体与其它物体、计算设备以及人们进行通信；
·物体能够相互协作创建组或网络；
·物体能够初始化交互
4）自治特征
·物体的很多任务能够自动完成；
·物体能够协商、理解和适应其所在的环境；
·物体能够解析所在环境的模式，或者从其它物体处学习；
·物体能够基于其推理能力做出判断；
·物体能够选择性地演进和传播信息。
5）自我复制和控制特征
·物体能够创建、管理和毁灭其它物体。
综上所述，物联网以互联网为平台，将传感器节点、射频标签等具有感知功能的信息网络整合起来，实现人类社会与物理系统的互联互通。
将这种新一代的信息技术充分运用在各行各业之中，可以实现以更加精细和动态的方式管理生产和生活，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。
2物联网体系构成
根据国际电信联盟的建议，物联网自底向上可以分为以下的过程：
2.1感知：
该层的主要功能是通过各种类型的传感器对物质属性、环境状态、行为态势等静态／动态的信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识，针对具体感知任务，常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线计算与控制，并通过接入设备将获取的信息与网络中的其它单元进行资源共享与交互。
2.2接入：
该层的主要功能是通过现有的移动通信网（如GSM网、TINS（网）、无线接入网（如WiMAx）、无线局域网（WiFi）、卫星网等基础设施，将来自感知层的信息传送到互联网中。
2.3互联网：
该层的主要功能是以IPv6／IPv4以及后II）（Post-IP）为核心建立的互联网平台，将网络内的信息资源整合成一个可以互联互通的大型智能网络，为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高效、可靠、可信的基础设施平台。
2.4服务管理：
该层的主要功能是通过具有超级计算能力的中心计算机群，对网络内的海量信息进行实时的管理和控制，并为上层应用提供一个良好的用户接口。
2.5应用：
该层的主要功能是集成系统底层的功能，构建起面向各类行业的实际应用，如生态环境与自然灾害监测、智能交通、文物保护与文化传播、运程医疗与健康监护等。
基于目前物联网的发展现状，特别是针对传感器网络的技术复杂性和非成熟性，深入开展传感网的核心技术研究。
预计未来将进一步推进芯片设计、传感器、射频识别等技术的发展，在此基础上逐步开展感知层的网络（核心为传感器网络）与后IP网络的整合，扩展服务管理层的信息资源并探索商业模式，并以若干个典型示范应用为基础推进物联网在各个行业的应用。
同时，在各个层面开展相关标准的制定。
3传感器网络
物联网由传感器网络、射频标签阅读装置、条码与二维码等设备以及互联网等组成。
当前各项技术发展并不均衡，射频标签、条码与二维码等技术已经非常成熟，传感器网络相关技术尚有很大发展空间，本文以传感器网络为例，分析其中涉及的关键技术，其结构如图3所示。
传感器网络中所包含的关键内容和关键技术主要有数据采集、信号处理、协议、管理、安全、网络接入、设计验证、智能信息处理和信息融合以及支撑和应用等方面。
智能感知技术：
数据采集是物联网实现“物物相联，人物互动”的基础。
采集设备一般拥有MCU控制器；由于低成本限制，因此一般采用嵌入式系统；物联网的规范要求整个终端设备必须是智能的，因此信息采集设备一般都有操作系统。
为了获得各种客观世界的物理量，如温度、湿度、光照度等等，传感器技术也是数据采集技术中的重要一支。
因此，物联网的数据采集技术包括传感器技术、嵌入式系统技术、采集设备以及核心芯片。
无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。
无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。
在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：
一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。
网关节点往往个数有限，而且常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式（如Internet、卫星或移动通信网络等）与外界通信。
而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。
因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。
具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。
传感器网络节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块单元4部分组成，如图1所示。
图1 无线传感器网络节点典型组成
无线传感器网络典型节点：
传感器网络节点作为一种微型化的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础层支撑平台。
因为无线传感器网络大部分是采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大，更换电池非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，从无线传感器网络节点的硬件设计到整个网络各层的协议设计都把节能作为设计的目标之一，尽可能延无线传感器网络的寿命。
由于具体的应用背景不同，目前内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。
典型的节点包括Mica系列、Sensoria WINS、Toles、μAMPS系列、XYZnode、Zabranet等。
实际上各平台最主要的区别是采用了不同的处理器、无线通信协议和与应用相关的不同的传感器。
常用的无线通信协议有802.11b、802.15.4（ZigBee）、Bluetooth、UWB和自定义协议；处理器从4位的微控制器到32位ARM内核的高端处理器都有所应用。
还有一类节点是用集成了无线模块的单片机，典型的是WiseNet。
典型无线传感器网络节点如表1所列。
本文介绍了无线传感器网络的概念、特点以及无线传感器网络节点的组成，重点分析比较节点各组成单元各种常用芯片的特点，并且始终将低功耗作为比较的重要标准之一。
典型无线传感器网络节点比较
目前，国内外研究员已经开发出多种无线传感器网络节点，其实这些节点的组成部分是类似的，只是其应用背景不同，对节点性能的要求也不尽相同，因此所采用的硬件组件有很大差异。
3.1 处理器单元
处理器单元是传感器网络节点的核心，和其他单元一起完成数据的采集、处理和收发。
EM6603是4位微控制器，功耗很低，但处理能力也非常有限。
Berkerly大学研制的Mica系列节点大多是采用Atmel公司的微控制器。
其中，Mica2节点采用Atmel增强型微控制器 ATmega128L。
该微控制器拥有丰富的片上资源，包括4个定时器、4 KB SRAM、128 KB Flash和4 KB EEPROM,拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，方便无线芯片和传感器的接入；有6种电源节能模式，方便低功耗设计。
采用该处理器的另外一个优点是：
编译器
很多，其中GCC（WIN****R）是完全免费、开放的软件。
由于以上优点和Mica2节点的影响，在实际的无线传感器设计中应用很多。
但是从低功耗角度来讲，该芯片并不是最佳选择。
如表1所列，就低功耗而言，MSP430F1xx MCU系列提供业界较低的电流消耗，工作电压为1.8 V，实时时钟待机电流的消耗仅为 1.1 μA，而运行模式电流低至 300 μA （1 MHz），从休眠至正常工作整个唤醒过程仅需6 μs。
PIC系列微控制器也有低功耗的产品问世。
Toles节点和ZebraNet节点就是采用MSP430系列的微控制器，功耗非常低。
在某些数据量大的应用中，高端的处理器也有应用。
例如μAMPS1节点采用StrongARM处理器SA1110，功耗为27～976 mW。
该处理器支持DVS节能，可以降低功耗450 mW左右；关掉无线模块功耗可以降低300 mW。
μAMPS2采用的处理器是DSP。
XYZnode采用的处理器是OKI公司的ARMTDMI内核的ML67Q5002，该处理器也支持DFS（动态频率调节），工作电流为15～72 mA，频率为1.8～57.6 MHz。
表1
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