第3章物联网关键技术

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物联网的核心是把物联到网上。物联网的系统架构自下而上分别是：底层——利用RFID等无线通信技术、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息，感知世界的感知层主要完成信息的采集、转换和收集，中间层——用来传输数据的网络传输层，主要完成信息传递和处理，上层——把感知层得到的信息进行分析处理的应用服务层，主要完成数据的管理和数据的处理，并将这些数据与行业应用相结合，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等实际应用。

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3.1 感知技术

射频识别

是一种利用无线射频技术去识别目标对象并获取相关信息的非接触式的双向通信技术，其系统由一个阅读器和若干标签组成

工作过程

RFID标签与条形码相比具有读写距离远、储存量高等特性，另外RFID 技术具有以下特点：

(1) 快速扫描。

(2) 数据读写功能。

(3) 电子标签的小型化。

(4) 耐环境性。

射频识别的典型应用

供应链管理领域

智能电子车牌

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传感器：节点结构

传感器的分类

传感器可根据不同分类方法进行分类。

按所属学科分为物理型、化学型、生物型。

按传感器转换过程中的物理机理分为结构型传感器和物性型传感器。

根据作用原理，可分为应变式、电容式、压电式、热电式、电感式、电容式、光电式、霍尔式、微波式、激光式、超声式、光纤式、生物式及核辐射式传感器等。

根据功能用途，可分为温度、湿度、压力、流量、重量、位移、速度、加速度、力、热、磁、光、气、电压、电流、功率传感器等。

还可以根据功能材料,输入量，输出参数，测量目的等进行分类。

传感器的性能指标

衡量传感器指标包括重复性、线性度、迟滞、稳定性、分辨率、温稳定性、寿命、多种抗干扰能力等。

传感器技术应用

机械制造、环境保护、医疗卫生、传感器技术的安全机制、物理攻击防护、密钥管理、数据融合机制、节点防护、安全路由

超材料传感新技术

超材料（matamaterials）是人造电磁材料，由一些周期性排列的材料组成，可显著提高传感器的灵敏度和分辨率，实现基于传统材料传感器难以实现的功能，在传感器设计方面开启新的篇章。

生物传感器

分析生物的重要方法是采用生物传感器获取生物数据，生物传感器属于交叉学科，涉及到生物化学、电化学等多个基础学科。

能源技术

锂原电池、锂离子电池、锂聚合物电池、锂亚电池+电容电池、锂离子超级电容电池

3.2 通信组网技术

物联网传输层技术根据距离主要可以分为近距离无线通信技术和远距离无线通信技术。其中，近距离无线通信技术主要包括RFID、NFC、ZigBee、BTA-OI（β自组网）、Bluetooth、WiFi等，典型应用如智能交通、智能物流等。广域网通信技术一般定义为LPWAN(低功耗广域网)，典型应用如LoRa、NB-IoT、2G/3G蜂窝通信技术、LTE、5G技术等。

Bluetooth

蓝牙技术(Bluetooth)是一种近距离无线数字通信的技术标准。蓝牙技术是低功率短距离无线连接技术，能穿透墙壁等障碍，通过统一的无线链路，在各种数字设备之间实现安全、灵活、低成本、小功率的话音和数据通信。其目标是实现最高数据传输速度1Mb/s(有效传输速度为721kb/s)、最大传输距离为10米，采用2.4GHz的ISM(工业、科学、医学)免费频带不必申请即可使用，在此频段上设立79个带宽为1MHz的信道，每秒钟频率切换1600次、扩频技术来实现电波的收发。

ZigBee

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，它源于蜜蜂的八字舞，蜜蜂（bee）是通过飞翔和“嗡嗡”（zig）抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在的方位信息， ZigBee协议的方式特点与其类似便取名为ZigBee

ZigBee技术采用 AES加密（高级加密系统），严密程度相当于银行卡加密技术的12倍，因此其安全性较高，同时，ZigBee采用蜂巢结构组网，每个设备能通过多个方向与网关通信，从而保障了网络的稳定性，ZigBee设备还具有无线信号中继功能，可以接力传输通信信息把无线距离传到1000米以外。另外，ZigBee网络容量理论节点为65300个，能够满足家庭网络覆盖需求，即便是智能小区、智能楼宇等只需要1个主机就能实现全面覆盖，ZigBee也具备双向通信的能力，不仅能发送命令到设备，同时设备也会把执行状态和相关数据反馈回来。ZigBee采用极低功耗设计

NFC

NFC近场通信技术，是一种短距离的电子设备之间非接触式点对点数据传输（小于10厘米）交换数据高频无线通信技术，向下兼容RFID

NFC的数据的传输速度有106 Kbps、212Kbps或者424 Kbps三种远小于 Bluetooth V2.1 （2.1 Mbit/s）

IEEE 802.11ah

802.11ah采用900MHz频段，运行速度大大降低，达到150kbps和18Mbps之间的速度，合适于短时间数据传输的低功率设备

IEEE802.11ah定义的物理层汇聚过程(Physical Layer Convergence Procedure, PLCP)协议数据单元(Protocol Data Unit, PDU)PPDU的结构分为2种：一种是2MHz及其以上带宽的发送帧格式，类似IEEE802.11ac。另一种是IEEE802.11ah为了提高覆盖范围而提出的1MHz带宽发送帧。

802.11ah的应用场景

LoRa

为用户提供一种简单的能实现远距离、低功耗、节点容量大的系统，进而扩展传感网络。主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等

5G

第五代移动通信标准。5G实现了从移动互联网向物联网的拓展。由于5G的到来，未来增强现实、虚拟现实、在线游戏和云桌面等设备上的传输速率将会得到极速提升。从性能角度来说，5G目标是接近零时延、海量的设备连接，为用户提供的体验也将会更高。

5G网络开启新的频带资源，使用毫米波（26.5～300GHz）以提升速率。之前的毫米波仅在卫星和雷达系统上应用； 5G网络基站是大量小型基站,功耗比现在大型基站低，从布局上来看，基站的天线规模大增，形成阵列，从而提升了移动网络容量，发送更多的信息；5G采用网络功能虚拟化（NFV）和软件定义网络（SDN），第一次真正将智慧云和云端处理的有价值的信息传输到智能设备端。手机和电脑的应用水平将借力云端获得更强大的处理能力，而不再局限于设备本身的配置。

3GPP对5G定位是高性能、低延迟与高容量，主要体现在毫米波、小基站、Massive MIMO、全双工以及波束成形这五大技术上。

5G支持

典型高速率、低时延业务

虚拟现实VR/增强现实AR

无人驾驶

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）是IoT领域基于蜂窝的窄带物联网的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，是一种低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT只需要180KHz的频段，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络中。特点是覆盖广、速率低、成本低、连接数量多、功耗低等特点。由于NB-IoT使用的授权License频段，因此可以采取带内、保护带或独立载波等这三种部署方式

NB-IoT的网络结构

3.3 应用服务技术

云计算

云计算是一种基于互联网的计算方式，利用这种方式，远程用户计算机等设备终端可以共享基于互联网的软硬件资源和信息。继大型计算机到客户端－服务器的大转变之后，云计算是又一次巨变，同时也是互联网信息时代基础设施与应用服务模式的重要形态，也是新一代信息技术集约化使用的趋势。

云计算的三种服务层次

云计算的技术层次

云计算的优点及存在的问题

云计算的优点：降低成本、配置灵活、速度更快、潜在的高可靠性高安全性

云计算存在的问题：物联网与云计算——物联网规模发展到一定程度之后，必然要与云计算相互结合起来。云计算将用户和计算、数据中心进行解耦，软件就是服务的商业模式

大数据

大数据（big data/mega data）是指超大的，几乎不能用现有的数据库管理技术和工具处理的数据集。

物联网中的大数据特点

数据量更加丰富、数据传输速度更快、数据更加多元化、数据更加真实、大数据与物联网

人工智能

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是计算机科学的一个分支，它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统。它旨在了解智能的实质，并生产出一种能够像人类智能那样以相似的方式做出反应的智能化机器，该领域包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。人工智能是对人思维过程的模拟，对规律的应用也只限于人类的认知范围，但是，人工智能不是人的智能，却能够能像人那样思考、甚至在速度、广度超过人的智能。