物联网大作业Word下载.doc
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接入网络即为现有的各种通信网络,包括有线电话网、移动通信网等。
用户通过接入网络将数据传入互联网。
应用层的主要作用是对数据进行管理和处理,并与物联网的各种应用相结合。
物联网应用层包括中间件和物联网应用两个部分。
中间件是一个独立的软件或服务程序,用于将一些公用能力统一封装以提高应用的发效率。
物联网应用即各种供用户使用的应用,如家庭安防等。
3、物联网国内外发展现状：
自物联网的概念问世以来,物联网已经得到了很大的发展,被应用于交通、物流、电力、工业等很多领域。
目前美欧及日韩等发达国家在物联网应用的广度和深度等方面处于领先地位。
在国内,物联网的应用总体还处于发展初期,虽然国内开展了一系列物联网有关的项目,在电力、医疗卫生、公共服务等领域取得了一些进展,但总体来说,国内物联网技术跟发达国家相比还有很大差距。
二、智能家居：
1、简介：
现代智能家居系统一般可以分为内网、外网和网关三部分。
其中内网是负责连接各种家电和其他设施的局域网,外网一般是小区局域网,Internet等,功能是实现远距离传输,网关的作用是连接内网和外网,实现外网对内网的控制。
智能家居系统结构如图所示。
智能家居系统结构图
智能家居发展大致经历了4代。
第一代主要是基于同轴线、两芯线进行家庭组网,实现灯光、窗帘控制和少量安防等功能。
第二代主要基于RS-485线,部分基于IP技术进行组网,实现可视对讲、安防等功能。
第三代实现了家庭智能控制的集中化,控制主机产生,业务包括安防、控制、计量等业务。
第四代基于全IP技术,末端设备基于Zigbee等技术,智能家居业务采用“云”技术,并可根据用户需求实现定制化、个性化。
这与物联网的兴起密不可分。
目前智能家居系统的功能主要由以下几个方面:
家电智能控制:
对家电进行自动控制,如根据室内温度自动关空调或调解空调的工作状态。
灯光智能控制:
根据室内的光线强度自动调节照明设备的开关或照明强度。
以保持室内光线在合适的亮度。
家庭智能安防功能:
目前家庭安防系统的主要功能是监控火警、煤气泄漏和非法闯入等。
一旦出现以上情况,安防系统将有助于事件得到紧急处理以降低损失。
几种短距离通信技术的比较
在智能家居系统中,所有节点都在一所住宅之内,节点与节点之间的距离一般在十几米之内,最多不会超过数十米,节点与节点之间通信的时候只需传递很少量的信息,所以对系统的传输距离、资源大小和带宽没有太多的要求,但是对网络大小有一定的要求。
此外,节点一般以电池供电,节点的功耗以及电池的使用寿命是我们关注的对象。
通过对表中各种无线网络对比可知,ZigBee工作时功耗低,电池的使用寿命长,适用于低数据量的传输,且它的1米到100米左右的传输距离对于一般的智能家居系统来说已经足够,是搭建智能家居系统的理想网络。
因此,本文选择基于ZigBee来设计简单的智能家居系统。
2、ZigBee技术简介
ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议,其目的是适用于低功耗,无线连接的监测和控制系统[14]。
它是由ZigBee联盟推出的。
ZigBee协议的基础是IEEE无线个域网工作组所制定的IEEE802.15.4技术标准。
IEEE802.15.4是ZigBee协议的底层标准,它主要规范了无线网络的物理层和MAC层的协议,其标准是由国际电工学协会IEEE组织制定并推广的。
ZigBee和IEEE802.15.4标准都适用于低速率数据传输,最大传输速率只有250KBpS,与目前其他常用的无线技术相比,ZigBee的缺点在于理论最大传输距离相对较近,但是对于数据采集和控制信号来说,传输距离并非考虑重点,首要考虑的因素是成本、功耗等。
所以目前ZigBee技术的主要应用于要求低速率、低功耗和低成本的领域。
此外,使用ZigBee技术还有一个好处,它的网络可以很大,可以实现数千个传感器节点间的通信,可以通过接力传输的方式将数据通过一个传感器节点传输到下一个节点,这样能够提高通信效率。
对于一般的无线网路来说,通信距离越大,相应电路就越复杂,发送功率也就越高,成本也就越高。
而具有高效、低成本等优点的短距离接力传输方式为无线网络提供了一种理想的解决方案,相对于其他现有的无线通信技术,ZigBee技术的低功耗、低成本等特性使得它成为适合传感器网络的标准,
3、ZigBee协议框架
ZigBee协议是专门为低速率传输网络制定的无线网络协议,它在物理层、MAC层和数据链路层上都采用了IEEE802.15.4协议标准,并对他进行了完善和扩展。
ZigBee各层规范均由ZigBee联盟制,协议的整体框架结构如图所示。
Zigbee协议框架图
ZigBee协议栈由一组子层构成,每个子层为其上层提供服务:
数据服务有数据实体提供,而其他服务则由管理实体提供。
每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口,并且为每个SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。
ZigBee的通信频率是由物理层来规范的。
ZigBee为不同的国家和地区规定了不同的工作频率,分别为2.4GHz和868/915MHz。
因此,ZigBee定义了两个物理层标准:
2.4GHz和868/915MHz物理层。
其中2.4GHz为全球统一的免费的无线网络频段,速度传输速率为250kb/s,传输速率较大,通信延时较小。
而868MHz和915MHz频段分别针对美国和欧洲市场,868MHz上的传输速率为20kb/s,916Mhz上的传输速度为40kb/s,他们的传输速率相对较小,但是避开了其它设备在2.4GHz频段的干扰,因此对接收设备的灵敏度要求较低,且有较大的通信距离。
介质接入控制子层（MAC）通过CSMA机制对各个信道进行调配与切换,它的主要功能是对数据包进行分段和重组,以及确保数据包按正确顺序传输。
网络层的主要作用是为MAC层能够正常工作提供必要的函数,以及位应用层提供合适的服务接口。
网络层通过网络层数据实体提供数据传输服务,通过网络层管理服务实体提供网络管理服务。
柯络管理服务主要包括初始化一个网络、连接网络、路由发现等,数据传输服务包括指定拓扑传输路由等。
ZigBee应用层包括应用支持层（APS）,ZigBee设备对象（ZDO）和设备绑定表（AF）。
其中APS层有维持绑定表和给提供数据传输途径给相互绑定的设备等功能。
设备绑定表的作用是根据各个设备职能和需求自动配置设备,并存储它们的配置信息。
ZDO完成定义各个设备在整个网络中的角色（比如ZigBee协调器）,发起和响应绑定请求等功能,以及在设备之间建立安全机制等。
此外ZDO还有发现网络中的设备己经决定向这些设备提供哪些服务的功能。
4、总体设计方案
目前常用的智能家居系统采用的网络架构多为基于互联网的采集控制系统。
典型的基于物联网的采控系统结构如图所示,网络分为局域网和互联网两部分,连接方式有有线连接和无线连接方式两种。
在如图所示的智能家居系统中,带有传感器的末端节点负责监测和采集相应的数据,并通过ZigBee网络将采集到的数据传送到家庭网关,网关通过短信将信息转发到用户手机或者通过Internet将数据发送至用户PC机。
反之,用户可以通过同样的方法将命令发送至家庭网关,由网关转发至相应的末端节点。
本文主要介绍该系统的局域网部分,局域网部分主要包括家庭网关和一些末端节点,末端节点为带有功能各异传感器的监控节点或者控制相应智能家电操作的控制节点,这些节点被安放在住宅内重要的位置,监控节点主要有室内舒适度监控节点和家庭安防系统监控节点。
物联网采集控制系统
室内舒适度监控包括主要温度传感器模块和湿度传感器模块等,而家庭安防系统监控包括或火警监测模块。
空气煤气含量检测模块和红外幕帘传感器模块等。
如图展示了智能家居系统的各个监控模块。
智能家居系统中的监控模块
5、展望：
一个简单的基于物联网的智能家居系统,能够实现一些简单的监控、自动调节、报警、控制功能,但是系统还有很多需要改进的地方,需要日后进行更深一步的研究。
（1）在节点的使用寿命问题上,选用更加耐用的传感器,改进节点的硬件和软件设计,以延长节点的使用寿命。
（2）在节点的供电问题上,可以利用大自然中的光、热等进行能量转化后给节电供电,以使节点持续工作,这方面需要设计合适的电路,同时又要考虑到降低电路成本的问题。
（3）在降低能耗方面,可以选择更耗能更好的芯片,或者设计更优化的算法,减少网络中数据的传输,以降低能耗。
（4）系统的功能可扩展性方面,可以新增一些其它的功能,由于各种终端节点原理相似,所以加入一些新功能相对简单。
（5）在数据传输准确性和安全性方面有待于进一步研究。
三、在汽车制造业采购物流方面应用：
1、技术基础：
物联网是一次技术革命,代表未来计算机和通信的走向,其发展依赖于在诸多领域内活跃的技术创新。
物联网的支撑技术则融合了传感器技术、射频识别、ZigBee技术、智能服务等多种技术;
RFID是一种非接触式自动识别技术,可以快速读写、长期跟踪管理、在智能识别领域有着非常看好的发展前景;
以短距、低功耗为特点的传输网络的出现使得搭建无处不在的网络变为可能;
以微机电系统（MEMS）为代表的传感器技术拉近了人与自然世界的距离;
智能服务技术则为发展物联网的应用提供了服务内容。
（1）RFID技术
RFID技术作为本世纪最有发展前途的信息技术之一,己得到全球业界的高度重视;
中国拥有产品门类最为齐全的装备制造业,又是全球IT产品最重要的生产加工基地和消费市场,同时还是世界第三大贸易国。
这些都为中国电子标签产业与应用的发展提供了巨大的市场空间,带来了难得的发展机遇,RFID技术的应用必将成为中国信息产业发展和信息化建设的一个新机遇、成为国民经济新的增长点。
未来的十年内,所有的东西都将会被植入RFID标签。
虽然这项技术的有效范围一般都很短,但是其应用的方面却是相当广泛,比如说征收车辆过路费、无线触式安全通道、汽车定位（利用内置感应标签的钥匙）,以及医院病人或者家畜的身份识别等。
下面将对RFID进行全面介绍。
①RFID简介
RFID（RadioFrequencyIdentification）无线射频识别技术,是开始兴起于20世纪90年代的一种非接触式自动识别技术,其基本原理是利用射频信号通过空间親合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的。
它是一种利用射频方式进行非接触式双向通信的自动识别技术,具有非接触操作、多识别目标、物体高速识别、抗干扰能力、具备耐久性等相关特征,展示了其巨大的发展潜力,成为21世纪最有发展前途的信息技术之一。
电子标签是RF1D的通俗叫法。
与目前广泛使用的自动识别技术例如摄像、条码、磁卡、IC卡等相比,RFID技术具有很多突出的优点:
a. 非接触操作,长距离识别（几厘米指几十米）,因此完成识别工作时无须人工干预,应用便利。
b. 无机器磨损,寿命长,并可工作于各种油渍、灰尘污染等恶劣的环境。
c.可识别高速运动物体,并可同时识别多个电子标签。
d.读写器具有不直接对最终用户开放的物理接口,保证其自身的安全性。
e.数据安全方面除了电子标签的密码保护外,数据部分可用一些算法实现安全管理。
f.读写器与标签之间存在相互认证的过程,实现安全通信和存储。
目前RFID技术在工业自动化、物体跟踪、物流管理等方面有着广泛的应用。
RFID系统由以下三个部分组成,如图所示。
RFID系统
a.电子标签:
由親合元件及芯片组成,且每个电子标签具有全球惟一的的识别号（ID）,无法修改、无法仿造,这样提供了安全性。
电子标签附着在物体上标识目标对象。
电子标签中一般保存有约定格式的电子数据,在实际应用中,电子标签附着在待识别物体的表面。
b.天线:
在电子标签和读写器间传递射频信号,即电子标签的数据信息。
C.读写器:
读取（或写入）电子标签信息的设备,可设计为手持式或固定式。
读写器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据,从而达到自动识别物体的目的。
通常读写器与计算机相连,所读取的电子标签信息被传送到计算机上,进行下一步处理。
② RFID的特征
a.数据的读写（ReadWrite）机能:
只要通过RFID阅读器即可不需接触,直接读取信息至数据库内,且可一次处理多个标签,并可以将物流处理的状态写入标签,供下一阶段物流处理使用。
b.容易小型化和多样化的形状:
RFID在读取上并不受尺寸大小与形状的限制,不需为了读取精确度而配合纸张的固定尺寸和印刷品质。
此外,RFID电子标签更可往小型化与多样化形态发展,以应用于不同产品。
C.耐环境性:
纸张一受到脏污就会看不到,但RFID对水、油和药品等物质却又强力的抗污性。
RFID在黑暗或脏污的环境之中,也可以读取数据。
d.可重复使用:
由于RFID为电子数据,可以反复被覆写,因此可以回收标签重复使用。
如被动式RFID,不需要电池就可以使用,没有维护保养的需要。
e. 穿透性:
RFID若被纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质包覆,也可以进行穿透性通信。
不过如果是铁质金属,就无法进行通信。
f.数据的记忆容量大:
数据容量会随着记忆规格的发展而扩大,未来物品所需携带的资料辆愈来愈大,对卷标所能扩充容量的需求也增加,对此RFID不会受到限制。
h.系统安全:
将产品数据从中央计算机中转存到工件上将为系统提供安全保障,大大地提高系统的安全性。
i.数据安全:
通过校验或循环冗余校验的方法来保证射频标签中存储的数据的准确性。
③ RFID的工作原理
通常情况下,RFID的应用系统主要由电子标签读写器和RFID卡两部分组成。
其中读写器一般作为计算机终端,用来实现对RFID卡的数据读写和存储,它是由控制单元、高频通信模块和天线组成;
而RFID卡则是一种无源的应答器,主要是由一块集成电路（IC）芯片及其外接天线组成,其中RFID芯片通常集成有射频前端、逻辑控制、存储器等电路,有的甚至将天线一起集成在同一芯片上
RFID应用系统的基本工作原理是RFID卡迸入读写器的射频场后,其天线获得的感应电流经升压电路作为芯片的电源,同时将带信息的感应电流通过射频前端电路检得数学信号送入逻辑控制电路进行信息处理;
所需回复的信息则从存储器中获取经由逻辑控制电路送回射频前端电路,最后通过天线发回给读写器。
（2）EPC网络技术
RFID电子标签的物流管理系统是通过物联网（EPCNetwork）系统实现的,物联网系统比传统的物流管理的智能化程度要高得多,它通过互联网上的ONS服务器和PML服务器可以对全世界所有的物品进行全方位的管理和流动。
物联网的工作工程如下:
① 任何一个零售超市或物品仓库和任何一个具有RFID电子标签的物品或商品,只要经过流动（甚至不经过流动）,都可以在RFID阅读器上读出其RFID电子标签中的电子物品代码,这个电子物品代码在全球是唯一的,这个电子产品代码是传统的条形码代码的超集,读出这个代码后,既可以在本地的物品管理数据库中对这些物品进行管理,这就类似于传统的条形码物流管理系统。
但RFID电子标签使用的意义完全不同于传统的物流案例,它的伟大意义是要建立一个全球统一的物联网,将全球的物品全部通过这个物联网联系起来,通过物联网实现物品从生产到流通,再到消费的全球性的智能物品管理网络,这就是物联网网络。
② 从RFID阅读器中读出的电子物品代码经过物品管理系统向互联网上的ONS目标名字服务器发出请求,寻找相应的PML服务器,ONS目标名字服务器反馈给相应的进行物品管理的零售超市或物品仓库。
③ 零售超市或物品仓库的管理计算机将已读出的物品电子代码向指定的PML服务器查询,即可査询到制定的物品的全部信息。
这些信息通过网络协议回馈给进行物品管理的零售超市或物品仓库。
④ 进行物品管理的零售超市或物品仓库根据所查询到的物品信息对物品进行相应的处理。
比如在零售店中自动定期地检查商品的有效期等,当商品有效期快到时,自动进行订货,这样就很容易实现商品管理。
基于物联网的汽车制造企业采购物流汽车制造企业采购物流分析汽车制造企业的采购物流从系统的角度来看属于"
输入一转换一产出"
中的输入环节,是保证良好产出的基础。
一台整车由上万个处自制零部件外,外购零部件来自全国各地,甚至是国外的配套供应厂商。
采购物流涉及范围广,难度大,成本也高。
据统计,在汽车企业物流中,采购物流环节的物流成本约
占物流总成本的25--30%。
目前,我国约有100多家汽车制造企业和3000多家零配件制造企业。
其中,零配件制造企业普遍规模不大、技术水平不高、布局较为松散。
而汽车制造企业纵向一体化严重,每个大型汽车制造企业周围,都有由数目庞大的零配件制造企业群所构成的垂直分布的单一配套体系,如上海大众拥有500多家零配件供应商,一汽、东风的零配件配套体系则多达千家零配件企业,形成了以整车配套为主的"
依附式"
发展模式。
每个零配件配套体系又由数目更加庞大的原材料生产企业构成。
此外,零配件制造企业由于受到地理空间和信息传递等方面的限制,加之干线运输可靠性差的原因,在汽车制造企业周围设立中间仓库,为汽车制造企业提供及时的配送服务。
如此庞大的零配件供应群体和相应运输、配送环节,使采购网络更加复杂。
汽车制造企业的采购物流体系如图所示:
汽车制造企业的采购物流体系
传统汽车制造企业采购物流存在以下问题:
（1） 成本高
汽车制造企业由于要直接面对众多供应商,而不得不设立一套庞大的管理体系负责工位配送的管理、控制和作业,这需要汽车制造企业大量的人力、物力、财力,形成高额运行成本。
此外,由于现阶段运输企业大多处于低水平的价格竞争阶段,无法为企业提供全程跟踪的高质量的服务,使得运输成为整个物流过程中最难以控制的一个环节。
供应商由于信息不畅、加之运力没有很好整合,常会出现多车空载的现象,这些费用都是由汽车制造企业来承担,进一步提高汽车制造企业的成本。
（2） 管理难度大
在这个供应链中,仓库是整个采购物流体系中的关键节点,但由于这些仓库分别属于不同的零配件制造商或由不同的零配件制造商租赁,各仓库的条件、管理人员的素质残差不齐,管理难度非常大,起不到汽车制造企业与零配件生产供应企业之间的桥梁作用,相反却在相当大的程度上加重了零配件生产企业的负担,而汽车制造企业对零部件的资源准备状况也无法掌握,造成库存水平高,要么发生缺件引起停产
（3）效率低下
由于供应商的仓库规模不大、数目繁多、信息化投入不同、标准化无法推,行政管理水平残差不齐,因此,配送质量不能保证,加上一些汽车制造企业与零配件仓库之间没有科学的供货模式和先进的网络平台。
这不仅意味着较高的人工成本,同时由于生产计划的调整和变化不能及时沟通,由于采购物流系统信息不畅,使得物流系统工作效率低下。
基于物联网技术的采购物流
2应用效果：
物网技术,可以分类识别不同原料的生产厂家和生产日期,合理安排采购批次和采购量;
同也可以监控原材料采购的质量,保证采购过程的合理和采购效率。
通过对大量复杂原料和配件的唯一标识的登记,便于后期管理和问题识别,保证了产品的生产质量和售后服务的即时跟进。
利用物联网还可以对供应商的信息进行有效管理,根据供应商在供应环节的表现,对供应商进行分类管理,针对不同等级的供应商采取不同的采购策略,从而提高企业的采购水平,培养供应商的忠诚度。
物联网技术在采购物流环节的应用,可以从以下两个方面来举例说明:
（1）原材料供应需求预测
物联网技术有利于主机厂向原材料供应商及时提供需求信息。
传统供应链条件下,制造商需求信息的收集、传递成本很高,供应商很难准确把握制造商需求,为了满足制造商即时供货需求,常造成超额生产或过量库存,尤其是在"
按订单生产"
和"
零库存"
的模式下,供应商供货压力更大,牛鞭效应尤为明显。
应用物联网技术后,给每个物品贴一个唯一识别的RFID电子标签,读写器能及时、便捷的采集制造商产品销售信息,从而及时反映制造商的市场需求,将此市场需求信息及时传递给供应商,供应商就有条件做到对制造商供货需求的真实反映、透彻了解和科学预测,从而促进协作预测、协同计划、预测与补货计划及准时制生产,使供应商与制造商间的联系更为紧密,在VMI（供应商管理库存）或JMI（联合管理库存）的实施中也能取得很好的实施效果。
在VMI模式下,供应商管理设在制造商处的原材料库存,物联网物流系统原材料供应需求预测业务流程如图所示。
当制造商处的原材料库存由供应商和制造商协同管理时,原材料需求预测系统由供应商和制造商双方共同管理、决策。
基于物联网技术的原材料供应需求预测
（2）原材料供应渠道管理.
在材料、备件种类繁多的汽车供应系统中,可运用物联网中的RFID来快速'
有效的识别物品,使原材料供应过程更准确迅速。
而且,山于RFID标签内可写上生产材料、生产円期、原厂地、检测事件等详细信息,使制造商能够很容易地追溯原材料采购的源头,有利于加强对供应渠道的控制。
物联网系统原材料供应渠道管理业务流程如图所示
基于物联网技术的原材料供应渠道管理
四、基于物联网的无线环境监测设计
设计实现物联网的无线环境监测系统，系统的硬件部分根据实验室ZigBee无线传感器网络和RFID应用系统的基础上搭建，介绍感知层Zigbee无线传感器网络和RFID系统数据上传的方式以及利用数据库
合理的存储数据。
1、无线环境监测系统结构设计：
一个完整的物联网工程应用可以将其结构划分为物联网感知层、物联网网络层和物联网应用层三层。
物联网工程应用需要获取不同类型的传感器节点的数据，要根据应用环境的不同选择适合的技术实现节点间的通信，实现感知层与互联网的连接，其中涉及多种软件和硬件技术。
为了考虑系统的结构体系，使其易于安全可靠的运行，增强可维护性，物联网
工程应用的设计也要遵循感知层、网络层和应用层三层设计的原则。
（1）感知层设计
利用单片机或嵌入式设备作为终端节点搭载由于收集物理世界数据的各种传感器、识别物体模块和控制执行模块（GPS、各种传感器、摄像头、RFID标签等）；
在单片机或嵌入式设备上配置通信模块，完成节点间通信（如RFID射频模块、ZigBee通信模块等），节点间通信方式设计，通信节点创建、获取物理
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