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物联网综合论述及终端技术

来源:物联网产业      作者:谢中业      2010/6/12 20:21:09
    导言

  物联网的概念是在1999年提出的,但他发展迅速,已经成为继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。世界各国的未来信息化发展战略,均从不同概念向物联网演进。在中国,物联网技术已从实验室阶段走向实际应用,国家电网、机场安保、物流等领域已出现物联网身影。专家预计,物联网技术将用三至五年普及,将会发展为上万亿规模的高科技市场。而我国目前在传感网领域走在世界前列,中国与德国、美国、英国等一起成为国际物联网标准制定的主导国。物联网是由传感设备、终端、信息处理中心和用户组成网络,本文将简述物联网终端技术及应用。

  一、什么是物联网及物联网终端

  物联网


  目前业界对物联网还没有一个完全统一的概念,但普遍认可的概念是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统(GPS)、激光扫描器、环境传感器、图像感知器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。笔者根据上述定义,按照网络内数据的流向及处理方式将物联网分为三个层次:一是传感网络层,即以二维码、RFID、传感器为主,实现对“物”或环境状态的识别; 二是传输网络层,即通过现有的互联网、广电网、通信网或者下一代互联网(IPv6),实现数据的传输和计算;三是应用网络层,即输入输出控制终端,包括电脑、手机等终端。

  物联网终端

  物联网终端是物联网中连接传感网络层和传输网络层,实现采集数据及向网络层发送数据的设备。它担负着数据采集、初步处理、加密、传输等多种功能。

  二、物联网终端的基本原理及作用


  原理:

  物联网终端基本由外围感知(传感)接口,中央处理模块和外部通讯接口三个部分组成,通过外围感知接口与传感设备连接,如RFID读卡器,红外感应器,环境传感器等,将这些传感设备的数据进行读取并通过中央处理模块处理后,按照网络协议,通过外部通讯接口,如:GPRS模块、以太网接口、WIFI等方式发送到以太网的指定中心处理平台。

  作用:

  物联网终端属于传感网络层和传输网络层的中间设备,也是物联网的关键设备,通过他的转换和采集,才能将各种外部感知数据汇集和处理,并将数据通过各种网络接口方式传输到互联网中。如果没有他的存在,传感数据将无法送到指定位置,“物”的联网将不复存在。

  三、物联网终端的分类

  1、从行业应用分

  主要包括工业设备检测终端,设施农业检测终端,物流RFID识别终端,电力系统检测终端,安防视频监测终端等,下面就几个常用行业介绍一下终端的主要特点。

  工业设备检测终端:

  该类终端主要安装在工厂的大型设备上或工矿企业的大型运动机械上,用来采集位移传感器、位置传感器(GPS)、震动传感器、液位传感器、压力传感器、温度传感器等数据,通过终端的有线网络或无线网络接口发送到中心处理平台进行数据的汇总和处理,实现对工厂设备运行状态的及时跟踪和大型机械的状态确认,达到安全生产的目的。抗电磁干扰和防暴性是此类终端考虑的重点。

  设施农业检测终端:

  该终端一般被安放在设施农业的温室/大棚中,主要采集空气温湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、光照传感器、气体含量传感器的数据,将数据打包、压缩、加密后通过终端的有线网络或无线网络接口发送到中心处理平台进行数据的汇总和处理。这种系统可以及时发现农业生产中不利于农作物生长的环境因素并在第一时间内通知使用者纠正这些因素,提高作物产量,减少病虫害发生的概率。终端的防腐、防潮设计将是此类终端的重点。

  物流RFID识别终端:

  该类设备分固定式、车载式和手持式,固定式一般安装在仓库门口或其他货物通道,车载式安装在物流运输车中,手持式则由使用者手持使用。固定式一般只有识别功能,用于跟踪货物的入库和出库,车载式和手持式中一般具有GPS定位功能和基本的RFID标签扫描功能,用来识别货物的状态、位置、性能等参数,通过有线或无线网络将位置信息和货物基本信息传送到中心处理平台。通过该终端的货物状态识别,将物流管理变得非常顺畅和便捷,大大提高了物流的效率。

   2、从使用场合分

  主要包括以下三种:固定终端,移动终端和手持终端。

  固定终端

  应用在固定场合,常年固定不动,具有可靠的外部供电和可靠的有线数据链路,检测各种固定设备、仪器或环境的信息,如前面说的设施农业、工业设备用的终端均属于此类。

  移动终端

  应用在终端与被检测设备一同移动的场合,该类终端因经常会发生运动,所以没有太可靠的外部电源,需要通过无线数据链路进行数据的传输,主要检测如图象、位置、运动设备的某些物理状态等。该类终端一般要具备良好的抗震、抗电磁干扰能力,此外对供电电源的处理能力也较强,有的具备后备电源。一些车载仪器、车载视频监控、货车/客车GPS定位等均使用此类终端。

  手持终端

  该类终端是在移动终端基础上,进行了改造和升级,他一般小巧、轻便,使用者可以随身携带,有后备电池,一般可以断电连续使用8小时以上。有可以连接外部传感设备的接口,采集的数据一般可以通过无线进行及时传输,或在积累一定程度后连接有线传输。该类终端大部分应用在物流RFID识别、工厂参数表巡检、农作物病虫害普查等领域。

  3、从传输方式分

  主要包括以太网终端、WIFI终端、2G终端、3G终端等,有些智能终端具有上述两种或两种以上的接口。

  以太网终端

  该类终端一般应用在数据量传输较大、以太网条件较好的场合,现场很容易布线并具有连接互联网的条件。一般应用在工厂的固定设备检测、智能楼宇、智能家居等环境中。

  WIFI终端

  该类终端一般应用在数据量传输较大、以太网条件较好,但终端部分布线不容易或不能布线的场合,在终端周围架设WIFI路由或WIFI网关等设备实现。一般应用在无线城市、智能交通等需要大数据无线传输的场合或其他应用中终端周围不适合布线但需要高数据量传输的场合。

  2G终端

  该类终端应用在小数据量移动传输的场合或小数据量传输的野外工作场合,如车载GPS定位、物流RFID手持终端、水库水质监测等。该类终端因具有移动中或野外条件下的联网功能,所以为物联网的深层次应用提供了更加广阔的市场。

  3G终端

  该类终端是在上面终端基础上的升级,增加了上下行的通讯速度,以满足移动图像监控,下发视频等应用场合,如:警车巡警图像的回传、动态实时交通信息的监控等,在一些大数据量的传感应用,如震动量的采集或电力信号实施监测中也可以用到该类终端。

  4、从使用扩展性分

  主要包括单一功能终端和通用智能终端两种。

  单一功能终端

  该类终端一般外部接口较少,设计简单,仅满足单一应用或单一应用的部分扩展,除了这种应用外,在不经过硬件修改的情况下无法应用在其他场合中。目前市场上此类终端较多,如汽车监控用的图像传输服务终端、电力监测用的终端、物流用的RFID终端,这些终端的功能单一,仅适用在特定场合,不能随应用变化进行功能改造和扩充等。因功能单一,所以该类终端的成本较低,也比较好标准化。

  通用智能终端

  该类终端因考虑到行业应用的通用性,所以外部接口较多,设计复杂,能满足两种或更多场合的应用。它可以通过内部软件的设置、修改应用参数,或通过硬件模块的拆卸来满足不同的应用需求。该类模块一般涵盖了大部分应用对接口的需求,并具有网络连接的有线、无线多种接口方式,还扩展了如蓝牙、WIFI、Zigbee等接口,甚至预留一定的输出接口用于物联网应用中对“物”的控制等。该类终端开发难度大,成本高,未标准化,目前市面很少。

  5、从传输通路分

  主要包括数据透传终端和非数据透传终端。

  数据透传终端

  该类终端将输入口与应用软件之间建立起数据传输通路,使数据可以通过模块的输入口输入,通过软件原封不动的输出,表现给外界的方式相当于一个透明的通道,因此叫数据透传终端。目前,该类终端在物联网集成项目中得到大量采用。优点是很容易构建出符合应用的物联网系统,缺点是功能单一。在一些多路数据或多类型数据传输时,需要使用多个采集模块进行数据的合并处理后,才可通过该终端传输。否则,每一路数据都需要一个数据透传终端,这样会加大使用成本和系统的复杂程度。目前市面上的大部分通用终端都是数据透传终端。

  非数据透传终端

  该类终端一般将外部多接口的采集数据通过终端内的处理器合并后传输,因此具有多路同时传输优点,同时减少了终端数量。缺点是只能根据终端的外围接口选择应用,如果满足所有应用,该终端的外围接口种类就需要很多,在不太复杂的应用中会造成很多接口资源的浪费,因此接口的可插拔设计是此类终端的共同特点,前文提到的通用智能终端就属于此类终端。数据传输应用协议在终端内已集成,作为多功能应用,通常需要提供二次开发接口。目前市面上该类终端较少。

  除上面所述,还有很多种终端分类方法,在此就不一一赘述。

  四、物联网终端的推广及效益分析

  1、终端推广的最大障碍——终端的标准化:

  目前物联网技术在中国的蓬勃发展,使我们看到了未来广阔的市场,据专家估计,未来 3~5年内随着我国物联网技术的推广和普及,终将形成一个万亿级规模的大市场。现今,制约物联网技术大规模推广的主要原因则是终端的不兼容问题,不同厂商的设备和软件无法在同一个平台上使用,设备间的协议没有统一的标准。因此,在物联网的普及和终端的大规模推广前必须解决标准化问题,具体表现为以下几个方面:

  硬件接口标准化:

  物联网的传感设备由不同厂商提供,如果每家的接口规则或通讯规则都不同,便会导致终端接口设计的不同,而终端不可能为每个厂商都预留接口,所以需要传感设备厂商和终端厂商一同制定标准的物联网传感器与终端间的接口规范和通讯规范,以满足不同厂商设备间的硬件互通、互连需求。

  数据协议标准化:

  数据协议指终端与平台层的数据流交互协议,该数据流可以分为业务数据流和管理数据流。中国移动与爱立信合作制定的WMMP协议就是一个很好的管理协议,它的推广和普及必将带动数据协议的标准化进程,方便新研发终端的网络接入及管理。物联网的发展需要国家相关部门主导,相关行业联合制定出类似WMMP更完善的通用协议,以满足各种应用和不同厂家终端的互联问题,扩大未来物联网的推广。

  2、终端的推广参考及效益分析

  目前,物联网终端的规模推广主要局限在国家重点工程的安保、物流领域,“感知中国”中心和一些示范区工程上,没有在其它领域大规模使用的主要原因:其一是物联网的概念及其带来的效益还不完全为人所知,其二是在一些行业或企业应用中,推广方和使用方还很难找到各自的盈利点和盈利模式,这其中的一个重要原因就是系统的高成本和运行的高费用,而且有些系统实际使用时也并未达到预期的目标,使得使用方失去热情。因此,深入剖析行业应用和降低系统成本——尤其是运行成本将是物联网大规模推广的必由之路。而降低成本的基本条件是:降低终端成本、传感器成本和部署成本,这些都需要大批量的生产和使用才可以实现。随着物联网各种技术的成熟和终端的标准化,物联网中各环节的成本会大大降低,同时,随着行业应用面的不断拓展,更深层次需求的不断发掘,物联网行业将很快成为利润丰厚的“大蛋糕”。

  结尾:无论有多大困难,物联网仍在悄然渗透到你我之间,物联网终端会渐渐的成为我们周围司空见惯的设备。根据专家估算,到物联网时代,终端联网量与个人PC机联网量之比会达到或超过30:1,终端的大量使用将带动电子及相关产业的蓬勃发展。让我们共同期待着“物联网时代”早些到来!

  5、从传输通路分

  主要包括数据透传终端和非数据透传终端。

  数据透传终端

  该类终端将输入口与应用软件之间建立起数据传输通路,使数据可以通过模块的输入口输入,通过软件原封不动的输出,表现给外界的方式相当于一个透明的通道,因此叫数据透传终端。目前,该类终端在物联网集成项目中得到大量采用。优点是很容易构建出符合应用的物联网系统,缺点是功能单一。在一些多路数据或多类型数据传输时,需要使用多个采集模块进行数据的合并处理后,才可通过该终端传输。否则,每一路数据都需要一个数据透传终端,这样会加大使用成本和系统的复杂程度。目前市面上的大部分通用终端都是数据透传终端。

  非数据透传终端

  该类终端一般将外部多接口的采集数据通过终端内的处理器合并后传输,因此具有多路同时传输优点,同时减少了终端数量。缺点是只能根据终端的外围接口选择应用,如果满足所有应用,该终端的外围接口种类就需要很多,在不太复杂的应用中会造成很多接口资源的浪费,因此接口的可插拔设计是此类终端的共同特点,前文提到的通用智能终端就属于此类终端。数据传输应用协议在终端内已集成,作为多功能应用,通常需要提供二次开发接口。目前市面上该类终端较少。

  除上面所述,还有很多种终端分类方法,在此就不一一赘述。

  五、物联网终端的推广及效益分析


  1、终端推广的最大障碍 ——终端的标准化:

  目前物联网技术在中国的蓬勃发展,使我们看到了未来广阔的市场,据专家估计,未来3~5年内随着我国物联网技术的推广和普及,终将形成一个万亿级规模的大市场。现今,制约物联网技术大规模推广的主要原因则是终端的不兼容问题,不同厂商的设备和软件无法在同一个平台上使用,设备间的协议没有统一的标准。因此,在物联网的普及和终端的大规模推广前必须解决标准化问题,具体表现为以下几个方面:

  硬件接口标准化:

  物联网的传感设备由不同厂商提供,如果每家的接口规则或通讯规则都不同,便会导致终端接口设计的不同,而终端不可能为每个厂商都预留接口,所以需要传感设备厂商和终端厂商一同制定标准的物联网传感器与终端间的接口规范和通讯规范,以满足不同厂商设备间的硬件互通、互连需求。

  数据协议标准化:

  数据协议指终端与平台层的数据流交互协议,该数据流可以分为业务数据流和管理数据流。中国移动与爱立信合作制定的WMMP协议就是一个很好的管理协议,它的推广和普及必将带动数据协议的标准化进程,方便新研发终端的网络接入及管理。物联网的发展需要国家相关部门主导,相关行业联合制定出类似WMMP更完善的通用协议,以满足各种应用和不同厂家终端的互联问题,扩大未来物联网的推广。

  2、终端的推广参考及效益分析

  目前,物联网终端的规模推广主要局限在国家重点工程的安保、物流领域,“感知中国”中心和一些示范区工程上,没有在其它领域大规模使用的主要原因:其一是物联网的概念及其带来的效益还不完全为人所知,其二是在一些行业或企业应用中,推广方和使用方还很难找到各自的盈利点和盈利模式,这其中的一个重要原因就是系统的高成本和运行的高费用,而且有些系统实际使用时也并未达到预期的目标,使得使用方失去热情。因此,深入剖析行业应用和降低系统成本——尤其是运行成本将是物联网大规模推广的必由之路。而降低成本的基本条件是:降低终端成本、传感器成本和部署成本,这些都需要大批量的生产和使用才可以实现。随着物联网各种技术的成熟和终端的标准化,物联网中各环节的成本会大大降低,同时,随着行业应用面的不断拓展,更深层次需求的不断发掘,物联网行业将很快成为利润丰厚的“大蛋糕”。

  结尾

  无论有多大困难,物联网仍在悄然渗透到你我之间,物联网终端会渐渐的成为我们周围司空见惯的设备。根据专家估算,到物联网时代,终端联网量与个人PC机联网量之比会达到或超过30:1,终端的大量使用将带动电子及相关产业的蓬勃发展。让我们共同期待着“物联网时代”早些到来!
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