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无线物联网平台技术及其在安全领域中的应用

本文将对物联网理念、架构与物联网中的嵌入式系统等技术平台作探析,并对基于无线感测网络的物联网在安全与自动化领域中应用作分析说明。

【安防知识网】众所周知,信息获取、传输和处理是信息产业领域的三大支柱,最新型的结合和体现则是无线物联网平台技术。当今,无所不在的物联网(The Internet of Things)通信时代已来临,世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可通过因特网进行信息交换。物联网已被专家认为是继互联网后的又一次科技革命,不管是“智慧地球”,还是“感知中国”的新提法的问世,都意味其将是当下最热门最具竞争性的产业。那么什么是物联网的新理念呢?

  物联网的新理念

  物联网是互联网发展新阶段

  物联网是通过传感器、视频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的—种网络概念。应该说,互联网是连接虚拟信息空间,而物联网是连接现实物理世界,其是互联网发展新阶段,等于“传感网+互联网”,其互联网是人人互联(网络中的客流),而传感网则是物物互联(网络中的物流)。

图1 物联网结构示意框图

  物联网基本架构

  目前,业界普遍认同物联网在体系架构上主要包括三大部分。

  首先是感知层,通过智能卡、RFID电子标签、识别码、传感器等,承担信息的采集;其次是网络层,包括无线网、移动网、固网、互联网、广电网等,其承担信息的传输;第三是应用层,完成信息的分析处理和决策,及实现或完成特定的智能化应用和服务任务,以实现物与物、人与物之间的识别与感知,发挥智能作用。图1为物联网结构示意框图,从中可知完整的构建物联网无线平台,它融合了最新多种无线技术:ZigBee/WiFi/GPRS/3G等。

[nextpage]  构建物联网的基本技术

  · 感知层:感知设备是物联网整个产业链的基础,涵盖原材料开发、研发设计、IC制造、封装测试、产品应用和配套服务,传感设备的需求量将是整个链条中总量最大的环节。各种传感设备,包括RFID、二维码、传感器、摄像头、GPS等又形成各自相对完整的产业链;

  · 传输层:数据的传输与处理是物联网产业链的中间环节,涵盖传输材料、光传输设备、网络通信、数据存储、数据处理与服务和信息安全等。具体而言,这一环节可分为两个部分:第一部分是把传感器、智能终端联接起来的网络设备,包括传感器的通信模块、路由器,交换机、光传输设备、移动通信设备、各类无线基站等构成的端到端的通信网络;第二部分是网络的运营支撑系统,包括由各种类型的计算机和相应的管理软件构成的各类管理平台和业务平台。目前在网络层,出现下一代互联网IPV6技术,在计算机应用层面出现了云计算等新型的运算模式。未来还将不断涌现出大量的新技术、新产品、新架构,使这一层成为物联网的热点领域之一;

  · 应用层:物联网的产业化应用是产业链的下游,对其发展至关重要,环节涉及智能手机、PC等各种电子产品和行业应用软件,涵盖电子元器件、集成电路、整机设计、代工制造和应用服务等;

  · 全程安全:涵盖保护隐私和数据安全的各种软、硬件设备和服务。

  关于物联网中的嵌入式系统

  物联网的感知层、传输层和应用层中都会用到嵌入式系统,最能体现物联网的智能感知特点的是感知层的无线数据采集和传输,主要有RFID和无线传感网络(又称无线感测网络,包括ZigBee/WiFi/GPRS/3G多种无线技术)。每个RFID读写器、网关、传感器节点都至少有一个或大或小的嵌入式系统,如RFID读写器中的主控制器都是嵌入式处理器。同样,每个无线传感器中也需要一个小型嵌入式系统。

  目前,国外在无线传感器网络方面的应用主要包括:环境监测、医疗监控、电力安全监控、工业控制、车位管理、智能家居、安防保卫、通信领域及感知城市等众多领域。这些应用有着较好的用户基础,用户认识度较高,如智能家居与建筑的“舒适环境”、“生命安全”与“节能”等几方面可能成为与老百姓生活相关的最早物联网行业应用。而基于无线感测网络的感测辨识是目前体积小、功能强、成本低的新技术,尤其是感测辨识(Sensing&ID)是当今与人们生活密切相关的新技术,将在多个领域中感受最深。为此本文将在下面对以安全与自动化领域中的无线感测网络应用问题进行研讨。

  无线感测网络在安全与节能领域中的应用

  随着无线网络通讯与嵌入式模块技术的发展,它是解决新挑战与广泛应用的有效途径,构建出许多典型的应用方案。值此仅以环保、安全、节能、电力安全监控几个方面作分析说明。

[nextpage]  环保-环境

  通常人们可以把室内环境分为两种,即热环境及光环境。传统上热环境的舒适大都需要依靠空调来维持,可使用ISO—7730标准所指出的热环境舒适评估指标,来衡量室内环境的热舒适度。影响热环境舒适的因素有温度、湿度、风速等,而影响光环境的因素有自然光与人工照明灯具等。只需要在适合的地方装设光传感器,就可以知道整体空间的光线明亮度为何。而温度、湿度、风速及亮度等物理量的传感器都已经发展得很成熟,不仅体积小,性能也十分稳定。通过传感测量是给智慧建筑作为调整室内环境的依据,达到热环境与光环境舒适的目的。图2为温度、湿度、风速传感器与符合ZIGBEE标准的无线通讯芯片CC2420组合在一起的无线感测网络示意图,它可装设在建筑中不会破坏大楼壁面的美观,而舒适环境的存在取决于 CC2420收发机芯片的应用。

图2 无线感测网络示意图

  生命安全

  无线感测网络在工业与生活安全中的应用,举例如下。

  1、安全定位

  以煤矿安全为例,煤矿安全管理是一项复杂的系统工程,目前传统的安全管理方式是以人为主要因素,即缺乏定位与定量,故准确性差,越来越不适应于生产的发展,必须采用先进的方法和手段才能更好地解决生命安全保障问题。希望未来煤矿安全系统是能够事先预测事故的发生,掌握事故规律,做出定性和定量的判断。用最新的ZigBce无线网络技术和射频集成芯片的无线感测网络技术,来设计煤矿管理服务系统中事故地定位技术。

  典型的是采用了CC2420B芯片进行设计和开发。用CC2420DB板写入不同的代码,分别作为协调器、路由设备、终端设备来组成无线感测网络。其终端设备可以采用FFD(全功能设备),也可以采用RFD(精简功能设备)。如果是RFD,则此设备只能充当接收终端,而不再能转发数据;而路由设备必须是FFD,用于接收与转发信息;协调器必须是FFD(全功能设备),同时也是整个网络的灵魂,向计算机传输数据。图3为无线感测网络应用于定位的网络模型示意图。

图3 无线感测网络应用于定位的网络模型示意图

  该安全定位技术系统所实现的主要功能可在事故预警、定位显示、灾后急救信及禁区报警方面获得应用。

  2、生命安全

  以往建筑的安全多半是指有关灾害预防或阻挡恶劣气候的功能,而智能建筑更延伸于生命安全,它不仅仅是一般基本的生命安全,还加入了生活上的安全照顾。

  由于无线感测网络易于布建,所以在收集声音或影像相关的信息十分方便,而这些影音信息可以作为判断居住者是否安全的依据,例如在独居老人或有小孩的家庭中,这样的讯息便相当重要。除了生命与生活的安全,智慧建筑也可以提供心理与健康的照顾,如由身体配戴简易的传感器,便可以收集到人体健康的相关信息。这些资料可以用医疗设备测试数据作对照分析,并依据分析的结果可以提供出与健康相关的诊断与建议。

[nextpage]  用电节能

  无线感测网络也可应用在办公、机房照明与空调节能中。

  1、照明节能

  由于智能建筑整合了建筑环境信息与自动控制,所以能精准地掌握各项设备的使用状态。经由无线感测网络,可以收集到各种设备的用电状态,而这些设备的用电情况也与使用者行为有很大的关系,经由分析这些用电行为,就可以找出更节能的调控策略。举例来说,办公室计算机的用电情况,可以反映使用者是在工作、休息或是离开的状态,在知道使用者的行为后.便可以调整该位置的照明设备。当工作时开启照明,休息时调暗亮度,在人离开后便自动关闭灯具电源来节省用电量。除这类设备的控制管理外,用电资料也可以用在大楼冷气的控制上。尤其在夏天的时候,实时的冷气用电量可以帮助使用者了解如何避免在尖峰 时段过度使用空调,进而控制电费达到节能的目的。图4为实现节能策略的流程图。其节能照明流程控制为通过数据采集、数据分析、节能建议到节能控制四个步骤实现。

图4 无线感测网络在节能应用中的流程示意

  2、空调节能

  通过连锁酒店客房利用率应用 Connect@WAN VPN构建的无线感测网络实现对房间温度的控制,达到节能目的。

  通常房间加热和制冷费用占了酒店宾馆成本的很大一部分,尤其对连锁酒店来说尤为突出,因为房间温度基本上是由客人根据自己的喜好设定的。为了减少这部分开支,连锁酒店和暖通公司合作建设一个控制系统与酒店管理软件相连来控制每个房间的温度。新的系统基于酒店客房利用率,从而可以防止房间无人时仍然在加热或制冷;也可以在客人入住前开始房间加热或制冷。图5所示为无线感测网络对连锁酒店客房房间温度控制方案示意图。在该图5应用方案中,每个暖通单元都连接到可以调节房间温度的控制器,其设定温度则基于从酒店管理软件中获取的客房利用率信息。而主能源管理服务器和酒店管理服务器安装在中心站点,必须可以和远程暖通控制器相连。

图5 无线感测网络对连锁酒店客房房间温度控制方案

  该方案特点是,远程站点采集信息不是使用传统的专线或电话拨号方式来获得,而是使用了无线蜂窝技术的无线感测网络。其采用的 Connect WAN VPN(Digi公司产) 是一款无线虚拟专用网(VPN)路由器,使用标准10/100M自适应以太网连接到暖通控制器,它使用高速GSM(GPRS/EDGE)或CDMA(1xRTT)无线蜂窝数据网络实现无线广域网连接,可能提供多种优势方便地和已有的IP网络基础设施集成,部署快速方便;高性价比的通讯费用支出,连锁酒店仅当使用时才付费;而Connectware@Manager 远程管理软件(随产品附带) 提供了方便的远程故障诊断和在连接中断时更短时间的维修。

  由于采用无线蜂窝网络使连锁酒店可控制每个房间的温度,大幅度减少加热和制冷费用。通过在客户到达时就为房间提供适宜的温度,连锁酒店同时还提升客户服务水平。至此使用无线蜂窝数据网络连接暖通系统,实现远程能源管理控制系统对用电的节能并提高设备使用的安全性。

[nextpage]  基于GPRS技术的物联网无线平台在远程监控中的应用

  既然作为一个完整的构建物联网无线平台,它融合了最新的多种无线技术,除了ZigBee/Wi-Fi外还有GPRS/3G等。本文仅以基于GPRS技术的物联网无线平台在电力安全监控与石油管线监控中的应用作分析。

  传统工业无线通信面临新挑战,即为分布各地的设备如何联网而烦恼、为延绵数公里的通信线缆如何铺设费神、为如何与移动设备通信苦恼,是否对分布在现场的仪器仪表迸行远程智能监控,是否能对改变现有的通信方式而无需大动干戈等。

  如今基于GPRS网络技术与嵌入式设备或模块的远程监控技术带来的技术可应对上述挑战。即随着无线通信技术发展,GPRS产品在数据传输领域的应用日益广泛,尤其是嵌入式GPRS设备或模块的出现,更促进GPRS通信方式应用及这项业务的发展。本文仅对基于GPRS网络技术的嵌入式(智能型)无线测控设备、嵌入式GPRS无线数传模块DTU的应用作介绍。

  在石油管线远程监控系统中的应用

  下面以嵌入式无线测控设备ZWG—5311L型为例,对应用作说明。

  1、特征

  该型用于各种物理信号的测量,并将测量结果通过GPRS通信方式发送至远程数据中心。可轻松实现远程数据采集功能,节省大量人力物力和宝贵的时间。其特性为:有对电流、电压、电阻、温度、压力等丰富的采集方式;可设置采样值触发上线、定时上线等灵活的上线机制;具有对GPRS数据报警、短信报警等多重报警方式;为5V-35V宽范围供电,双电源冗余的高可靠电源与<1mA低功耗休眠电流;支持本地、远程和短信配置而且配置便捷。

  2、应用

  石油生产及输送设施是国家的命脉,却一直被不法分子窃取破坏,造成大的生命和财产损失,所以对石油设施的安全监控成为政府和企业的当务之急,以往监控需要耗费大量人力巡检,还存在反应不及时、易漏检的问题。采用远程监控设备后,相关工作人员可实时了解各节点的信息,如压力、温度等参数,且可在远程监控设备中设置报警值,若管线出现异常情况,设备将启动报警机制,监控中心计算机会收到相应报警数据包,同时工作人员的手机也会收到相关报警短信,大大提高系统可靠性。此外,设备还具低功耗休眠功能,完全适合野外电池供电的场合。该系统同样适用城市供水、供暖等系统(图6为石油管线远程监控系统示意图)。

图6 石油管线远程监控系统示意图

[nextpage]  嵌入式GPRS无线数传模块DTU在电力监控(抄表)中的应用

  电力载波集中器通过电力猫定期读取载波电表的用电量(即抄表),并将数据进行协议封包和加密。前期处理工作完成后,集中器开始检测GPRS DTU在线状态(通过检查串口DCD上线指示信号是否为低电平),检测到上线后,可通过DTU向管理工作站的数据中心服务器发送数据。服务器收到数据后返回应答信号,并进行下一步处理。整个过程中,集中器无需对DTU进行任何拨号操作和其它额外状态管理,只需检查DTU是否在线,即是否和服务器保持连接,完全可把DTU当成“无线的串口”使用,这个“无线串口”无任何协议,完全透明传输。可根据用户要求修改产品接口形式和功能(图7为嵌入式DTU在电力抄表中应用方案示意图)。

图7 嵌入式DTU在电力抄表中的应用方案示意图

  结语

  上述只是对基于无线感测网络的物联网智慧建筑中应用一个方面的分析,也是最能体现物联网感知层智能感知特点的无线数据采集和传输。

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