物联网四班大作业
班级：02121427 姓名：董国庆 学号：0121427
关于物联网技术在智能家居、 汽车制造业采购物流及无线环境检测的应用
一、物联网概述
1、物联网的定义：
物联网的概念最早是在1999年被提出的,它的英文名是Internet of Things(IOT),也称为WebofThings。2005年,在突尼斯举行的信息社会世界峰会上,国际电信联盟在于突尼斯举行的信息社会世界峰会上,发布了《ITU互联网报告2005:物联网》,正式提出了“物联网”的概念。博欣将物联网定义为通过各种信息传感设备、装置和技术,实时采集所有需要监控、连接、互动的物体和过程,采集其光、声、热、电、力学、生物、化学、位置等各种人们需要的信息,再结合互联网形成一个巨大的网络,以实现物体与物体,物体与人、物品与网络之间的连接,方便识别、管理和控制。 2、物联网网络结构
目前一般讲物联网网络架构分为三个层次,分别为感知层、网络层和应用层。其结构如图所示。
物联网网络架构
感知层的主要作用是完成数据的釆集,包括传感器和短距离传输M络两个部分。传感器部分实现了对数据的采集,而短距离传输网络负责将传感器釆集到的数据传输到网关。
网络层的主要作用是传递信息,它是基于现有的通信网络和互联网建立的,包括接入单元和接入网络两个组成部分。接入单元负责接收感知层发送过来的数据,并将数据传输至接入网络。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,
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