物聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用解析

近十年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,特別是對傳感網(wǎng)研究的逐步深入,人們對物聯(lián)網(wǎng)的認(rèn)識及應(yīng)用都提升高度，大家普遍認(rèn)為，物聯(lián)網(wǎng)將是下一個經(jīng)濟(jì)發(fā)展的增長點(diǎn)和支撐點(diǎn)。全國各地對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也極其重視。僅以江蘇省為例，該省的規(guī)劃內(nèi)容之一便是，至2012年，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模要達(dá)到1200億人民幣，到2015年，預(yù)計達(dá)到4700億人民幣。由此可見,物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展空間有多大。移動支付是物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用。事實(shí)上，在電信重組后，電信運(yùn)營商均確定了企業(yè)主流3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此，以移動通信為平臺的移動支付市場將有巨大的發(fā)展?jié)摿?，與此同時,移動支付技術(shù)也給芯片設(shè)計、制造、封裝及制卡等廠商帶來了豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。

1  物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)方案

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)是RFID電子標(biāo)簽技術(shù)。移動支付作為物聯(lián)網(wǎng)的一個分支，也稱為手機(jī)支付，其實(shí)質(zhì)是允許用戶使用其移動終端（通常是手機(jī)）對所消費(fèi)的商品或服務(wù)進(jìn)行賬務(wù)支付的一種服務(wù)方式。為此，可以考慮按基于RFID2.4GHz頻率融合手機(jī)SIM卡的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，該方案兼容13.56MHz頻率應(yīng)用方式。圖1所示是一個以校園為例的組網(wǎng)方案圖。

該方案將系統(tǒng)服務(wù)器放置在中心機(jī)房，各類消費(fèi)終端、機(jī)具結(jié)合現(xiàn)場情況布放在各自的實(shí)驗(yàn)場所。終端可支持聯(lián)網(wǎng)和脫機(jī)交易，以便覆蓋所有功能應(yīng)用。

本設(shè)計采取2.4GHz RF-SIM 卡與13.56 MHz MIFARE卡同時應(yīng)用的方案，并模擬業(yè)務(wù)應(yīng)用的各種場景。

1.1  2.4 GHz RF-SIM卡的功能

RF-SIM卡是可實(shí)現(xiàn)中短距離無線通信的手機(jī)智能卡，其專利技術(shù)是一個可代替錢包、鑰匙和身份證的全方位服務(wù)平臺。它的最大優(yōu)點(diǎn)是不需要換手機(jī)，只要在現(xiàn)有的手機(jī)上換一張智能卡就可變成類NFC手機(jī)，使用的頻率是2.4GHz,通信距離可在500cm內(nèi)自動調(diào)整，并可單向支持100Mb/s（數(shù)據(jù)廣播）。RFSIM卡在邏輯上分為標(biāo)準(zhǔn)SIM功能（GSM11.11,11.14）部分組件和模擬Mifare One邏輯加密卡的數(shù)據(jù)機(jī)制。模擬Mifare數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)并符合PBOC2.0以及EMV電子信用卡的規(guī)范要求。

CPU（中央處理器）與SIM（用戶識別模塊）卡通過智能卡協(xié)議7816來通訊，CPU（中央處理器）與RFIC（射頻集成電路，可完成對無線電波的調(diào)制與解調(diào)）通過SPI接口通信。SIM（用戶識別模塊）卡部分用于正常的手機(jī)移動通訊和鑒權(quán)，僅用作與手機(jī)的物理連接。而內(nèi)置軟件則用于管理高安全度的RFID、基于mifare模擬邏輯加密卡、可內(nèi)置e-credit電子信用卡和EMV電子錢包等，可使用微型RF模塊并通過內(nèi)置的天線與外部設(shè)備進(jìn)行通訊。SIM芯片與2.4GHz芯片融合可形成具備射頻通信能力的2.4GHzRFSIM卡的通訊流程為：接到信息→接收到至讀寫器的尋卡信息→發(fā)送ACK→收到Nu11后發(fā)送認(rèn)證信息→接收讀寫器的認(rèn)證信息→讀寫是否合法,如合法則進(jìn)入到“認(rèn)證結(jié)束,接收其它命令”環(huán)節(jié)，如不合法,則重新接收信息并重新開始。

1.2  13.56 MHz MIFARE卡的功能

13.56MHz卡的通信特征是：通信協(xié)議釆用的是ISO14443-A,支持106Kb/s數(shù)據(jù)傳輸速率，該卡實(shí)際上是Triple-DES協(xié)處理器，程序存儲器是32KX8bitROM,數(shù)據(jù)存儲器為8KX8 bit E²PROM,可完成10萬次擦寫，能滿足10年數(shù)據(jù)保存指標(biāo)，識別一張卡只需3ms（包括復(fù)位應(yīng)答和防沖突），擦寫時間僅為2.4ms,典型交易過程低于50ms,讀寫距離在100mm以內(nèi)。

1.3  終端選型與技術(shù)特性

應(yīng)用終端采用雙模制式,可以同時支持2.4GHz和13.56MHz雙頻段。終端結(jié)構(gòu)可通過傳統(tǒng)13.56MHz應(yīng)用終端進(jìn)行改造，并聯(lián)2.4GHz讀卡模塊即可實(shí)現(xiàn)雙模制式。13.56MHz讀卡模塊和2.4GHz讀卡模塊并聯(lián)可以嵌入到POS機(jī)內(nèi)，并通過RS232協(xié)議跟POS機(jī)進(jìn)行通訊；RF-SIM卡與讀卡模塊通過Nordic公司開發(fā)的無線傳輸協(xié)議Gazell進(jìn)行通訊。

終端一般統(tǒng)一通過TCP/IP與后臺直接進(jìn)行通信，可以免除工作站的配置。保障終端與后臺通信的有效性和實(shí)時性；同時支持2.4GHzRF-SIM卡與13.56MHzMl卡;從而可以保障2.4GHzRF-SIM系統(tǒng)在校園運(yùn)營的良好過渡。

2  物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1  RFID技術(shù)及其應(yīng)用

RFID技術(shù)是通過無線電波的方式把存儲在RFID標(biāo)簽中的唯一標(biāo)識碼傳送給RFID閱讀器，這樣，當(dāng)標(biāo)簽貼在被標(biāo)識物體上時，就可以對被標(biāo)識物體實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的、非直接接觸的識別?；跓o線電波傳輸周期以及傳輸通道的特性,也就可以同時實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)、大批量、快速的識別。由于頻率不同和供電方式不同所導(dǎo)致的傳輸距離、傳輸速度也不同，因而其應(yīng)用領(lǐng)域上也各有不同。

目前，RFID技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在電子不停車收費(fèi)方面。主要是用于公路、大橋和隧道的電子自動收費(fèi)系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用RFID技術(shù)，通過路側(cè)天線與車載電子標(biāo)簽之間的專用短程通訊，可在不需要司機(jī)停車和其他收費(fèi)人員采取任何操作的情況下，自動完成收費(fèi)處理的全過程。不停車收費(fèi)涉及交通基礎(chǔ)設(shè)施投資的回收，又是緩解收費(fèi)站交通堵塞的有效手段，而且在使用中，收費(fèi)卡的用量又很大，因此，各個國家都優(yōu)先進(jìn)行不停車收費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，并且積極推廣。

目前在歐美的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟和普遍,我國也已經(jīng)在廣東、四川等地的高速公路上投入應(yīng)用。比如,廈門市路橋管理有限公司在不停車收費(fèi)系統(tǒng)中應(yīng)用RFID技術(shù)，發(fā)行RFID電子標(biāo)簽共20萬張，廣東聯(lián)合電子收費(fèi)股份有限公司自2004年建立了不停車收費(fèi)系統(tǒng)，發(fā)行16萬張RFID電子標(biāo)簽，均取得了良好的使用效果。不停車收費(fèi)系統(tǒng)的實(shí)施有效地提高了車輛通過效率，可防止收費(fèi)站交通“瓶頸”的發(fā)生，同時可實(shí)現(xiàn)收費(fèi)的無人為干預(yù),有效地遏制了偷逃過路費(fèi)，收費(fèi)人員玩忽職守、循私作弊等行為，同時也降低收費(fèi)站的管理成本，更快地收回基礎(chǔ)設(shè)施的投資。

2.2  傳感網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用

傳感網(wǎng)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)涉及的各項(xiàng)技術(shù)中最為關(guān)鍵的一項(xiàng)。它主要由傳感器、通訊網(wǎng)絡(luò)和信息處理系統(tǒng)三部分構(gòu)成，具有實(shí)時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)督控制等功能。應(yīng)用該技術(shù)可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時監(jiān)控各種環(huán)境、設(shè)施及內(nèi)部運(yùn)行機(jī)理等。傳感技術(shù)與其它的技術(shù)不同，它具有實(shí)時性、即時性。例如可以用手機(jī)、電腦等設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)査詢地圖、天氣等資料，前提是這些資料必須已經(jīng)存在于你所訪問的服務(wù)器上。而傳感網(wǎng)不同，如果你身處火災(zāi)現(xiàn)場,傳感技術(shù)會通過周圍已經(jīng)布好的傳感器，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況迅速為你制定出一條最佳逃生路線。，而這些路線并不是事先準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)。借助傳感技術(shù),消防員再也不用挨個房間去尋找有沒有被困的人員，從而使滅火、施救的速度大大提高，避免T無謂的時間消耗和體力消耗，為滅火和施救贏得了寶貝的時間。正因?yàn)檫@種特點(diǎn)，傳感網(wǎng)技術(shù)被美國《技術(shù)評論》評為未來改變世界十大技術(shù)之首,并指出信息時代將從“網(wǎng)絡(luò)就是計算機(jī)時代”進(jìn)入到“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器時代”。

雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因受技術(shù)等方面的制約還沒有大規(guī)模投入商業(yè)應(yīng)用，但最近幾年，隨著計算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用。

目前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用集中在環(huán)境的監(jiān)測和保護(hù)、醫(yī)療護(hù)理、軍事領(lǐng)域和一些特殊的商業(yè)化用途。相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一定會得到更大的應(yīng)用。從應(yīng)用的情況來看，北美的狀況最好，在樓宇自動化、環(huán)境監(jiān)控等方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)開始大展拳腳。

2.3  M2M技術(shù)及其應(yīng)用

M2M強(qiáng)調(diào)的是在商業(yè)活動中通過移動通訊技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用變革出既有商務(wù)模式或創(chuàng)造出新的商務(wù)模式,是機(jī)器設(shè)備間的自動通訊。從狹義上說,M2M只代表機(jī)器和機(jī)器之間的通信。目前,人們提到M2M的時候，更多的是指非IT機(jī)器設(shè)備通過移動通信網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備或IT系統(tǒng)的通信。放眼未來，人們認(rèn)為,M2M的范圍不應(yīng)拘泥于此，而是應(yīng)該擴(kuò)展到人對機(jī)器、機(jī)器對人、移動網(wǎng)絡(luò)對機(jī)器之間的連接與通信。近年來，M2M應(yīng)用遍及電力、交通、工業(yè)控制、零售、公共事業(yè)管理、醫(yī)療、水利、石油等多個行業(yè)，以及車輛防盜、安全監(jiān)測、自動售貨、機(jī)械維修、公共交通管理等,M2M可以說是無所不能。

三一重工是國內(nèi)較早應(yīng)用M2M技術(shù)提高信息化的企業(yè)，他們企業(yè)在其銷往全球各地的工程機(jī)械(關(guān)鍵部位或關(guān)鍵部件)上加裝數(shù)據(jù)采集終端，機(jī)械的運(yùn)行數(shù)據(jù)可通過電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)匯總到企業(yè)控制中心，實(shí)現(xiàn)對工程設(shè)備作業(yè)狀況的實(shí)時監(jiān)控，企業(yè)控制中心可隨時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中存在的問題，要求實(shí)現(xiàn)吊車上的智能設(shè)備控制器檢測到的油溫、轉(zhuǎn)速、工作壓力等運(yùn)行數(shù)據(jù)信息可通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時發(fā)送至企業(yè)的控制中心，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，企業(yè)控制中心將立即指導(dǎo)客戶排除故障或派出維修人員上門服務(wù)。

如果必須通過現(xiàn)場服務(wù)排除設(shè)備故障，企業(yè)控制中心會立刻通過定位系統(tǒng)搜尋客戶故障設(shè)備的確切位置以及最近的服務(wù)車輛，并計算出最佳路線，同時派一線服務(wù)工程師迅速趕往故障現(xiàn)場,并將最佳路線圖發(fā)送至工程師和司機(jī)的手機(jī)上。此外，企業(yè)控制中心還可以通過定位系統(tǒng)實(shí)時跟蹤服務(wù)車輛運(yùn)行軌跡，以確定服務(wù)人員是否在最短時間內(nèi)到達(dá)客戶現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)對客戶的快速反應(yīng)。

3  結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)是一個新興技術(shù)，常通由傳感網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)組成，近幾年來.RFID的發(fā)展十分迅速，而傳感器的發(fā)展則為物聯(lián)網(wǎng)中的傳感網(wǎng)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)。為此，文中對基于傳感網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行解析,并對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。因?yàn)槲覀冇欣碛上嘈牛S著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及對傳感網(wǎng)的進(jìn)一步深入研究，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)必將成為未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新的增長點(diǎn)和支撐點(diǎn)。