第二章 物聯網核心技術:怎樣掌握物聯網發展的熱門技術?(1 / 3)

從專業意義上說,物聯網就是一種通過射頻識別裝置、無限傳感網絡、GPS、激光掃描儀等傳感設備,按照一定的規則和協議把任何物體與網絡連接在一起,進行數據交換和通信,以實現各種智能化識別、傳輸、監控、定位和監測的網絡。所以對物聯網係統來說,最重要的是技術,離開了技術,物聯網難免會淪為無根之木、無源之水。

物聯網所涉及的技術種類繁多,跨越了多個領域。單論關乎其命脈的核心技術,就有應用技術、網絡技術、感知技術、識別技術四大類和識別和感知技術是物聯網係統的皮膚和神經,它們賦予世間萬物以名稱和屬性。網絡技術是物聯網的傳輸通道,它用最先進的協議和規則將數據壓縮優化,是萬物連接的橋梁。而應用技術和自然科學掛鉤,通過對信息和數據的運算、推導,使物聯網係統得到應用和實踐。

物聯網的核心技術環環相扣,在促進萬物互聯的同時,也加速了技術領域之前的融合。其中,一個技術標準和規範、一個應用係統,甚至是一個應用部件、一項算法都是密切研究的對象。

1.三大熱門技術推動物聯網革命

推測物聯網的影響範圍非常困難,因為物聯網技術無處不在,並逐漸滲透到了我們意想不到的範圍和區域,但是要了解其革命發展的推動力則相對容易,家居自動化、工業物聯灣和無人駕駛汽車就是物聯網時代最熱門的三大技術。

一﹒家居自動化

在家居自動化方麵,穀歌的技術絕對居於世界前列,收購nest公司更是如虎添翼。在穀歌的帶領下,各大科技公司都開始把智能家居的研發和推廣當成了一項核心戰略,而這項戰略的發展前景相當之大。據統計,在一個普通家庭,可以相互連接的物體就多達500個。家居智能化最重要的一個環節就是環境控製係統,在服務器控製核心的作用下,由傳感器檢測室內的空調和加濕器等設備,對室內的溫度、濕度以及光照強度進行智能調節,最終達到控製室內環境的作用。環境控製係統主要由三部分組成:

(1)溫度控製。首先要配備測溫電路,一般采用單總線數字溫度傳感器對溫度的信息進行處理和分析,實現對環境溫度的智能控製。溫度控製係統將數字電路和傳感器集成在了一個芯片上,下圖為單總線數字溫度傳感器的原理圖:

圖2-1-1 單總線數字溫度傳感器原理圖

如圖所示,傳感器有四部分組成,分別為配置寄存器、非揮發溫度報警觸發器、溫度傳感器和64位ROM(隻讀存儲器)。

(2)濕度控製部分。這一係統主要由兩部分組成,非別為加濕器和排氣扇。一般采用濕度傳感器進行濕度的檢測和分析,濕度傳感器內部具有經過激光調整的互換型集成電路,它的輸出電壓和RH值(溶液中氫壓的負對數值,是表示溶液氧化還原電位的一種方式)呈現一種線性關係,具有精確高、響應迅速以及漂移小等特點。

(3)光照強度控製部分。在光照測量環節,一般選擇大電流和大勢能的矽光電池為光照傳感器的轉換元件,將光照強度轉化為電流信號,再通過一定的數據運算轉化為電壓信號並輸出。通常,光照強度主要通過步進電機和控製百葉窗的閉合來調整。

下麵是智能家居係統的整體功能圖:

圖2-1-2 智能家居係統整體功能圖

上圖幾乎涵蓋了智能家居係統的所有功能,當然,大部分的家庭隻安裝了部分功能。在智能家居的實際應用中,無線網關和無線智能調控是最常用的。無線網關可以將無限傳感器以及無線探測器所檢測到的所有信息發送到控製服務器,再由控製服務器通過無線網關發送到用戶的手機、電腦等設備上。例如,家裏無人時,屋門被打開,門磁探測器就會將信息通過無線網關發送到用戶的手機,用戶看到信息後自主選擇控製指令,包括屋門自動上鎖和觸發報警器。

無限智能調控用到上文提到過的溫度傳感器和濕度傳感,可以自動調節室內的溫度和亮度,衍生出來的功能有調節空氣質量、門閥等。

二﹒業互聯網技術

在信息時代,投資者多傾向於投資與工業互聯網有關的項目,工業互聯網將傳感器和軟件係統合二為一,使機器設備之間可以互相通信和傳輸數據。特別是生產和製造業,工業互聯網可以增加工作效率,減少停工時間,從而提高企業的利潤。據統計,未來,工業互聯網將會使全世界的GDP總值增長10~15萬億,通用電氣、英特爾以及德國寶馬都是推動工業互聯網發展的先行者。

工業互聯網與物聯網技術密不可分,最簡單的體現就是生產的智能化。通過射頻識別和傳感技術,生產設備可以收到用戶對產品的個性化需求,然後按照一定的規則和特點進行按需生產。要全麵了解工業互聯網,需要明確其三大元素。

(1)智能機器。用顛覆性的方法將現實世界的機器、團隊、網絡和設備通過傳感器和軟件應用程序連接在一起,其中也用到了智能機器人技術。

(2)高級分析。使用基於數學和物理的預測法、分析法和材料科學、電氣工程和其他關鍵學科,來研究智能係統和智能機器的融合與運作方式。

(3)工作人員。主要是建立工作人員之間的實時連接,讓他們可以隨時傳輸各自所得到的數據和信息,以支持更加智能的服務、安全、設計和維護操作。

以上三大元素結合起來,將會為企業的發展贏得重大的機遇。例如,原始的統計方法主要是曆史數據收集技術,這種方法的缺點就是將數據的獲取、決策和分析分開進行,導致效率得不到提高。伴隨著工業互聯網技術的發展。實時數據的處理能力得到大幅度提升,高頻率的數據被找出後,可以立即利用智能機器進行高級分析,再加上工作人員的協同合作,極大地提高了數據利用率。

三﹒無人駕駛技術

無人駕駛技術可以應用於各種運動的載體,目前,發展潛力最大的當屬無人駕駛汽車技術,該技術的目標是完全取代駕駛員。無人駕駛汽車領域的“領頭羊”依然是穀歌,據悉,穀歌無人駕駛車已經獲得了加利福尼亞州立法獲批,而且在2012年5月8日,美國內華達州為穀歌無人駕駛汽車頒發了一張合法的車牌,隻不過,無人駕駛汽車的車牌是紅色的。此前,穀歌無人汽車隻在內華達州上路了三個月,這充分表明了無人駕駛技術的巨大前景和價值。

實驗表明,穀歌的無人駕駛汽車比普通汽車的安全係數更高,可安全行駛113萬公裏,而普通汽車平均行駛100萬公裏就會出現一次交通事故。除了幫助我們減少車禍死亡率,無人駕駛汽車還能幫助我們保護地球。由於無人駕駛汽車在節能、製動以及加、變速等方麵都進行了優化,其燃油利用效率、有害氣體控製效率都比傳統汽車要高很多。據麥肯錫谘詢公司統計,穀歌無人駕駛汽車每年可以幫助減少千萬噸有害氣體的排放。

穀歌無人駕駛汽車的技術原理是這樣的:在行駛開始時,車頂上的掃描器會發射64束激光射線,激光碰到車輛周圍的物體就會反射回來,這時,車內的測距儀就會計算出物體與車子的距離。而另一套安裝在底部的係統會測量出車輛在多個方向上的加速度、角速度等數據,然後再結合定位係統提供的數據計算出車輛的位置,所有計算出來的數據與車載攝像機捕獲的圖像最後一起輸入計算機,軟件就會以極高的速度處理這些數據。這樣,係統就可以非常迅速地對環境做出判斷。因此,無人駕駛技術絕對可以稱得上是物聯網的殺手級應用。

2.IPV6:物聯網建設的通信基礎

一提到物聯網的核心技術,很多人首先想到了各種識別技術、傳感技術、大數據以及雲計算。其實,在物聯網的網絡領域,計算機IP協議的創建與管理更為重要。早期,因特網使用的IP協議為IPV4,但隨著世界網絡的充分開發,物聯網終端接入用戶的猛增導致IPV4協議的地址幾乎耗盡,IPV4的地址長度為32位,一共可以分配2^32-1個地址,大約可以供42億用戶連接網絡。而現在全球已經有73億人口,接入網絡的用戶隻會增加,不會減少。如果這個問題得不到解決,就等於在通信基礎上“革”了物聯網的命。當然,依靠網絡地址轉換以及網關等地址複用技術,可以在短時間內緩解地址使用危機,但加大了各種中間狀態的維護,增大了傳輸成本,也造成了性能上的瓶頸。

為了徹底解決IPV4存在的問題,IPV6應運而生,其地址長達128位,有2^128-1個地址,可以徹底解決IPV4地址不足的問題。有科學家開玩笑說:“這樣,世界上的每一個粒子都可以被安排一個IP地址。”不僅如此,IPV6還可以實現主機地址自動配置、安全認證和加密等多項技術。不論是物聯網係統的各個接入層,還是其骨幹網路、智能服務器或者傳感器終端,都離不開IPV6,IPV6帶來的海量地址空間和快速通信特性為物聯網的發展創造了良好的通信條件。具體來說,IPV6對物聯網的影響,主要體現在六個方麵:

第一,地址增加,豐富物聯需求。IPV6的地址長度決定了它可以不受限製地提供IP地址,這樣,每個設備都可以直接選定地址,確保了終端與終端相連的可能性。此外,IPV6還引入了任播地址技術,實現了數據包的快捷服務,也有效滿足了物聯網數據和應用的移動性需求。

第二,自動配置易於即插即用。隨著互聯網上各種信息資源的豐富,對即插即用和自動配置的需求日益增加。從PS2接口的鍵盤升級到USB接口以後,我們不用重啟電腦就可以隨意插拔鍵盤。同理,IPV4升級到IPV6以後,內置地址實現了自動分配,我們無需再打開網絡設置,進行繁雜的IP地址輸入操作。隻需要將網線連上,就會被自動分配一個全球惟一的IPV6地址,在物聯網設備上真正實現了即插即用。

在未來,不僅僅是電腦,當空調、電冰箱、電視和手機都使用IP地址進行互聯的時候,IPV6的作用將會深刻體現。在由大規模節點組成的傳感器網絡中,通常一個終端需要在不同的網絡間移動。傳統的IPV4協議需要人工進行複雜的設置和轉換,而基於IPV6協議的終端則可以進行自動配置和網絡切換。

第三,提供更加高效的傳輸。IPV6所傳送的數據包遠遠超過了64K,這就表示物聯網內的各種應用可以利用最大傳輸單元,獲得最快、最準確的數據傳輸。在設計上,IPV6采用簡單的報頭結構,采取更加優化的分段方法,加快路由器數據包的處理速度和強度,提高轉發的效率,從而從根本上解決數據吞吐量問題。從另一方麵來說,簡化的IPV6數據封裝對係統處理能力的要求降低,可以在低消耗下傳輸更多的數據,降低了大量傳感器的能耗成本。

第四,強大的安全機製。IPSec代表了端對端的安全防護措施,在IPV4中為可選項,其防護能力並不完善。而在IPV6協議中,IPSec成了強製的選項之一,其內置的安全擴展組件使端到端的連接、驗證以及網絡之間的通信加密變得非常容易。此外,由於地址的惟一性和嵌入式安全,IPV6能夠保證數據的完整性與機密性,提供完整的訪問機製,在保障終端之間的安全服務的同時,減少對網絡傳輸速率的影響。IPV6的這種安全機製加強了網絡層對於安全的監督能力,保障了物聯網通道的安全性,同時也為虛擬專用網絡等安全應用提高了可操作性。

第五,滿足移動應用。物聯網係統除了可以在任何時間實現物物相連之外,在任何地點,甚至是在不同網絡接入點切換時也能保持連接不斷。IPV4在切換網絡時要進行非常複雜的設置,並且會使網絡斷開一段時間,而IPV6在移動過程中可以利用內置的自動配置轉交地址,不需要任何第三方。這種機製可以使每個通信節點與移動節點直接互動,避免了配合路由過程中的額外開銷,有了IPV6的支持,移動IP結構的效率大幅度提高。

上一章 書頁/目錄 下一頁