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物联网热点问题研究

木马童年 2019-6-9 22:00 14 0

  摘 要: 从物联网的定义出发,引出了物联网感知层研究中亟待解决的若干问题。“物联网”的“物”体现在对物体信息的感知,这可由无线传感网和RFID技术实现,属于感知层研究的内容。对于无线传感网来说,目前需要 ...

  摘 要: 从物联网的定义出发,引出了物联网感知层研究中亟待解决的若干问题。“物联网”的“物”体现在对物体信息的感知,这可由无线传感网和RFID技术实现,属于感知层研究的内容。对于无线传感网来说,目前需要解决的问题包括能量的获取与控制,这可以从增加能量供应和控制能量消耗两方面进行研究,其热点研究方向有超级电容、无线供电、功耗控制等;无线传感器的自动组网技术包括Ad hoc网络和ZigBee协议研究两个热点方向,分别对应不同的应用场景。对于RFID来说,亟待解决的问题包括天线设计、声表面波技术、碰撞算法等,此外,文中还在感知层研究中研究了一些共性的问题,如电磁波传播特性、节点定位、超宽带技术、网络安全等。中国论文网 https://www.xzbu.com/8/view-3660883.htm  关键词:物联网;感知层;WSN;RFID

中图分类号:TP393 文献标识码:A 文章编号:2095—1302(2012)10—0073—04

0 引 言

物联网(Internet of Things)的概念于1999年由麻省理工学院自动标识中心(MIT Auto—ID Center)首先提出;2005年国际电信联盟(ITU)发布名为“The Internet of Things”的年度报告,对物联网的概念和内涵进行了更深刻地定义;2009年1月,IBM公司提出“智慧地球”的构想,物联网成为其中关键的一部分;奥巴马就职后,“智慧地球”作为国家层级的发展战略被确定下来,从而使物联网技术引起全球的广泛关注。与国外相比,我国物联网技术的发展在2009年温家宝总理视察无锡微纳传感网工程技术研发中心并发表重要讲话后迅速升温,并在最近几年内取得了重大进展[1—2]。

经过近几年的讨论,现在学术界对物联网的定义多倾向于三层结构的网络[3—4],从下至上依次为感知层、网络层和应用层。

感知层是物联网与现实世界的接口,它通过各种手段从现实世界中获取信息并将这些信息通过技术手段处理后提供给上层使用。现阶段的感知层技术研究多集中于无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)和RFID(Radio Frequency Identification)等方面。

网络层的作用是将感知层产生的相对原始的数据从网络中的数据源透明地传输到用户处。物联网中的网络层是广义的,它包含数据的存储、处理功能。现阶段网络层技术研究的热点是云计算、IPv6、高速和海量数据传输等。

应用层是物联网与使用者的接口,基于网络层提供的数据为用户提供服务。应用层的研究与物联网的具体应用的领域关联性较强,中间件技术是目前应用层研究的重点。

从字面上可以直观地看出,物联网与互联网的最大区别是,物联网中将一个可识别的个体背后的信息来源从人扩展到了人和物,这个小小的改变使得物联网与互联网相比有了质的不同,本文仅就感知层研究中所面临的问题进行分析。

物联网是物的网络,因此在物联网中,首先要解决的问题是如何将物的信息接入网络,这属于感知层的研究范围。目前,感知层研究的热点集中于无线传感器网络和RFID两种技术。

1 无线传感器网络

WSN是无线传感器所组成的网络,这是对传统有线的、孤立的传感器的改进。在WSN中,具有自主供电能力的传感器通过自带的无线通信系统进行自动组网,各传感器通过自组的网络与感知层以上的系统进行信息交换,从而完成信息的采集工作。为了实现这样的目标,通常需要对以下的问题进行研究。

1.1 能量的获取与控制

WSN中的节点是能量受限的,这限制了节点性能的提升。为了解决这个问题,可以从开源和节流两个方面进行考虑。

1.1.1 开源

所谓开源,即尽可能地增加节点的能量供应,这可以从两个方面来进行:

一是提高节点电池的容量,使其能够支持更大功率的应用,这方面的研究热点是超级电容。超级电容原理与普通电容类似,均是通过导体的表面来存储电荷,但它与普通电容的区别是其可通过技术手段扩大储能面积,庞大的表面积加上非常小的电荷分离距离使其储能容量远大于普通电容,其功率密度也远大于普通电池,可达300~5 000 W/kg。目前,对超级电容技术的研究热点集中于提高容量、降低价格、降低环境敏感程度等方面。

二是采用无线供电技术对节点进行远程供电。无线供电(Wireless Power)的概念并不新鲜,早在20世纪初,Nicola Tesla就进行过远距离无线输电的实验研究。根据电力传输媒介的不同,无线供电可分为微波供电、磁场谐振耦合供电和其他方式供电三种。

微波供电使用电磁波进行能量传输[5—7]。

电磁波技术有较深厚的理论研究基础,采用微波供电技术的能量转换效率可达80%以上,其传输距离可达千米以上,但由于电磁波固有的发散特性,致使很多能量不能被接收天线有效接收,因而会导致能量传送效率不高。

磁场谐振耦合(Strongly Coupled Magnetic Resonances)技术[8—10]由MIT的André Kurs、Aristeidis Karalis等人于2007年首先提出,这种技术使用磁场作为能量传递的媒介,其基本原理与变压器类似,图2所示为磁场谐振耦合原理图。

图2中,LS为发送线圈,LD为接收线圈。根据变压器原理可知,当V1频率与发射回路、接收回路的固有频率一致时,接收回路和发射回路进入谐振状态,此时两回路均为纯电阻电路,等效阻抗最低,因此,线圈中流过的电流最大,功率的发送效率最高。磁场谐振耦合技术由于不发射电磁波,所以不会对电子线路产生干扰,且与微波供电相比,对人体影响较小。磁场谐振耦合技术的缺点是理论基础还不够完善,目前的实验系统仅适用于1~2 m的短距离场合,且其能量传输效率对频率极度敏感。

使用其他方式进行能量传输有很多选择,比如可采用超声波、激光等作为媒介进行能量传输,但这些方式与微波供电和磁场谐振耦合供电相比,对环境的依赖程度更高,其应用面不够宽,因此,目前无线供电技术研究的热点多集中于微波供电和磁场谐振耦合供电两个方向。对于物联网来说,磁场谐振耦合供电由于成本较低、实现简单,具有更好的应用前景。

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