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第二章 物联网核心技术:怎样掌握物联网发展的热门技术?(2 / 3)

当移动设备到达原本网络之外的位置时,IPV6的自动配置功能可以获得一个漫游地址,并通过此地址和网络上的任意节点进行数据传输。这样,移动终端就可以在不中断连接的情况下,在不同的网络之间进行移动,可达性也非常好。

第六,QoS服务加强版保证传输质量。QoS可以看成是一种识别、标注并设置优先级的技术或机制。IPV6可以通过流标签标注来加强QoS服务,并能体现实时性、优先级等质量需求。此外,根据传感器数据传输的特点,QoS可以完美实现差异化服务,并合理分配带宽。

进入4G时代,接入网络的智能手机、传感终端、智能家电的数量逐渐增多,随着云计算和大数据助力物联网,未来的每一个终端都可以作为一个服务器,存储大量的数据信息,这就需要借助IPV6来解决拓展问题,很多国家的网络运营商都在从终端研发、网络规划和软件开发等方面推动IPV6与物理网系统的完全融合,利用IPV6提升物联网基础通信能力,借助其特点延伸物联网技术的应用能力。可以说,IPV6的出现,对于物联网系统的完善和物联产业的发展具有很高的参考价值和积极的推动作用。

3.无线传感网络:信息采集的保障

随着信息时代的到来,传感器技术成为了获取数据和信息的最重要方法,而无限传感网络更是成为了物联网系统的核心组成部分,它实现了信息的采集、分析和传输三大功能,与计算机技术和通信技术共称为信息技术的三大支柱。

无线传感网络的官方定义为:“由大量无处不在的、具有通信与计算能力的微小传感器节点,密集布设在无人值守的监控区域而构成的能够根据环境自主完成指定任务的自治测控网络系统。”由定义可以知道,无线网络可以由大量静止或移动的传感器组成,而节点是其基本结构,整个无限传感网络由传感器节点、网关节点、传输网络和远程监控中心四个基础节点组成。

传感器节点是一个小型的嵌入式系统,它是传感网最基础的平台,由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成。其硬件结构图如下:

图2-3-1 传感器节点的硬件结构

其中,传感器模块由传感器和转换器组成,负责感知被监控对象的数据信息。处理器模块包括处理器和存储器,负责存储采集信息并控制整个传感网络节点的工作。无线通信模块就像一个收发装置,负责完成节点间的通信工作。而能源供应模块就是一个小型的电池,负责各节点的能源供给。

网关节点又叫汇聚节点,就是将众多的传感器节点所监测到的数据进行汇总,再通过传输网络传送到控制服务器,是传感网与互联网的连接纽带。由于传输需要,该节点无论是处理能力、通信能力还是存储能力都较传感器节点要强。

传输网络和远程监控中心的结构较简单,传输网络负责传感器与监控服务器之间,以及传感器之间的互传信息,并建立合适的通信路径。而远程监控中心则是对无线传感器网络进行管理和配置,并发布测控任务。

无线传感网络的各个节点协同操作,不仅可以探测磁场、地震、温度、光照度、噪音、物体的各项属性,还能在航空、军事、救灾、环境保护、医疗等应用领域发挥重要作用。当然,完成这些复杂的工作还需要技术的支持,经简略划分,无线传感网络主要用到以下关键技术:

第一,定位技术。为实现秘密检测,无线传感网络系统的体积通常都很小,这导致其内部资源和能量的储存量较少。因此,无限传感网的定位技术必须具有灵活、低复杂度算法、高鲁棒性等特点,以便延长网络寿命,减少能源消耗。

第二,数据融合技术。在无线传感网络的应用中,每个传感器都能采集到大量的数据和信息,有用户需要的数据,也有不需要冗余信息。这时候,就需要数据融合技术将采集到的数据进行分析处理,整合出更加符合用户需求的高效信息。该技术优势主要体现在以下几个方面:

(1)节省能量。很多时候,相邻的两个传感器之间所采集的数据非常相近,如果将这些冗余的数据全部传输,无疑会增加传输网络的负担,损耗更多的能源,所以要依靠数据融合来清理重复的数据信息。

(2)信息获取准确。传感网络周围的环境千遍万化,传感器节点所采集的数据也未必准确,通过对某一区域的所有传感节点进行数据融合,有利于获取更加可靠的信息。

(3)能提高数据收集速度。在无线传感网络中,数据传输通道的大小使固定的,数据融合之后,体积变小,减少了传输延迟,在一定程度上提高了数据收集的效率。

第三,QoS建设技术。QoS在上文提到过,是一种保障网络服务质量,解决网络堵塞和延迟的一种核心技术,无线传感网络中的QoS,会根据用户具体应用的不同,结合其网络特征完成设计。目前,QoS技术的目标是实现带宽的最优化利用、能源使用的最低化和QoS的最合理控制。

第四,同步管理技术。在传统的无线网络中,主要考虑的还是时间同步,如网络时间协议(NTP)就可以解决全局时间同步的问题。在无限传感网络的应用中,时间同步也是最重要的,难点是每个传感器都有自己的本地时钟,不同节点的频率不尽相同,而且还受到温度和磁场的影响。这时候,就需要时间同步管理机制为传感网中的所有节点提供相同的时间标准,而结合无线传感网络的体积特点,时间同步设备必须要在大小、成本、能耗方面控制得相当到位。

第五,网络安全技术。无线传感网络的无线传输通道相对于有线传输通道有其局限性,那就是安全系数低,很容易意被黑客窃取数据,或进行信息篡改、恶意攻击。而无线传感网络又不能像其他网络那样设计空间复杂度大的密匙,因为其计算能力和存储能力都无法达到。所以,在设计无限传感网络的安全系统时,必须要考虑安全管理、点对点消息认证、完整性鉴别、能量有限性等问题。目前,最常用的安全系统是基于块加密和定制流加密的RC4/6等算法。

第六,无线通信网络技术。无线传感网络不光有其自组织性,而且是通过多个节点的多跳通信,这使得无线通信技术成为了区别于其他通信技术的全新研究领域。此外,无线通信网络的优劣在一定程度上决定了无线传感网络应用的成与败。

第七,嵌入式实时系统软件技术。无线传感器的各个节点就是嵌入式系统,同时,传感器各节点的信息采集等功能要求整个网络系统要对外部的事件进行实时反应。所以,无线传感网络节点的设计既要满足嵌入式系统的要求,又要有实时系统的特性。

4.传感器技术:感知领域的“法宝”

传感器的官方定义为:“能感受规定的被测量事物,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。”从定义可以得知,传感器的主要作用就是感知和采集被测量的事物,并按照一定的规则将其稳定地输出。传感器的构成有很多种,没有明确的结构标准,一般情况下,传感器由两部分组成,分别是预变换器和变换器,有的时候也称为敏感元件和变换元件。结构图如下:

图2-4-1 传感器结构图

传感器可以完成数据从非电量(即非电气量,如温度、压力、速度、位移、应变、流量、液位等)向电量的转换,但并非所有的非电量都可以采用技术手段直接转变为电量,有的必须要进行预变换,就是将等待测量的非电量先转化为容易变为电量的另一种非电量,而这项工作需要依靠预变换器,即敏感元件,敏感元件能直接感知被测量失误、并输出转换后的中间变量。

变换元件包括转换元件和变换电路,是传感器的核心部件,它可以将敏感元件输出的非电量直接转换成电量,所以又称为变换器。例如,变换器可以把位移量转化为电阻,把温度转化为基于电势能的热电偶变换器。

传感器必须包含这些基本结构,但并不排斥其他功能或组件——可以是内置电源的系统,也可以是无源的网络;可以是存在反馈机制的闭环系统,也可以做成开环。所以,其组成可简单也可复杂,分类方法也有很多种。按照输入被测量,可以分为机械量、热工量、热性参量和状态参量;按信号变换特征,可分为结构型和物性型;按照能量关系,可分为能力转换型和能量控制型;按工作原理,可分为电学式传感器、磁学式传感器、光电式传感器、电势型传感器、电荷传感器、半导体传感器、谐振式传感器和电化学式传感器。

传感器的内部构造和附加功能虽然不尽相同,但每个传感器有两个基本的特性,分别为静态特性和动态特性。

第一,静态特性。当被测量的事物处于一个稳定状态时,传感器输入值和输出值之间的关系曲线图或数学表达式被称为传感器的静态特性。需要注意的是,定义中的稳定状态并不代表静止状态,而是指事物不随时间变化的一种暂时稳定的状态。例如,某物体的电流、温度在一定时间内不发生变化,我们就说它在这个时间段内达到了稳定状态。而采用试验方法确定传感器静态特性的过程就称为静态校准,在使用了标准的仪器进行校准后,所得到的校准曲线就被看成该传感器的实际特性,主要包括以下几个方面:

(1)线性度。人们为了标注、处理数据更加方便,希望传感器的输入和输出呈线性关系,并能正确反应被测量物的实际数值,也就是真值。但实际上,这种情况是不会出现的。我们假定传感器没有任何迟滞和蠕变现象,则其静态特性可用方程式表示为:

Y\u003da0+a1x+a2xn+……+anxn

其中,x表示输出量,y表示输入量,a0表示零位输出,a1表示传感器的灵敏度,而a2~an则表示非线性项的待定常数。该多项式有四个曲线图,代表了四种可能出现的情况:

图2-4-2 传感器静态特性的四种情况

从左到右,第一种为理想曲线,其输出公式非常简单,就是多元一次方程:y\u003da1x,而传感器的灵敏度则可以表示为:a1\u003dy/x\u003dk\u003d常数。第二种和第三种情况就必须采用多元多次方程,分别表示为:y\u003da1x+a3x3+a5x5+……和y\u003da1x+a2x2+a4x4+……最后一种是普遍情况,包含了各种不确定性,其方程式就是上面提到过的Y\u003da0+a1x+a2xn+……+anxn。

(2)重复性。重复性的官方定义为:“传感器在相同的工作条件下,被测输入量按同一方向做全程连续多次重复测量时,所得输出值(校准曲线)的一致程度。”它反映了传感器的精确度,计算公式为:ΣR\u003dλS/YFoRo\u003d100%。公式中的YFoRo表示理论满量程输出值,计算公式为:YFoRo\u003d|(xm-x1)×k|。

其中,x1表示测量下限的输入值,xm对应于测量上限的输入值,而k则表示理论特性直线的斜率。

(3)迟滞性。迟滞的官方定义为:“传感器在正(输入量增大)、反(输入量减小)行程期间,输入、输出曲线不重合的程度。”迟滞是传感器的一项重要性能指标,迟滞越小的传感器性能越高。当然,迟滞不可能为零,因为机器内部的轴承之间的灰尘、摩擦以及元件的老化、磨损等都是导致迟滞现象的原因,而这些因素是不可能完全避免的。迟滞的大小可以通过试验获得,计算方法就是用输出值在正、反行程间的最大差值除以理论满量程输出值,然后乘以100%。