物联网领域应用的典型案例

第十章第十章 物联网领域应用的典型案例物联网领域应用的典型案例 美国未来学家美国未来学家托尔勒托尔勒说过：谁掌握了信息，谁控制了网说过：谁掌握了信息，谁控制了网络，谁就将拥有整个世界。络，谁就将拥有整个世界。物联网技术集信息与网络之大成，使得我们可以在任何物联网技术集信息与网络之大成，使得我们可以在任何时间和地点看到整个世界。时间和地点看到整个世界。无论任何技术，无论任何技术，应用应用是决定其成败的关键。物联网的丰是决定其成败的关键。物联网的丰富内涵正催生出非常多的外延应用。物联网的应用以富内涵正催生出非常多的外延应用。物联网的应用以“物物”或者物理世界为中心，涵盖很多领域，具有多样化、规模或者物理世界为中心，涵盖很多领域，具有多样化、规模化和行业化的特点。化和行业化的特点。10.1 10.1 现代交通领域的应用现代交通领域的应用10.1.1 信息采集技术信息采集技术侵入式交通信息采集侵入式交通信息采集电感线圈电感线圈气电管气电管压电薄膜交通传感器压电薄膜交通传感器移动称重传感器移动称重传感器磁力检测传感器磁力检测传感器非侵入式交通信息采集非侵入式交通信息采集微波雷达微波雷达红外线车辆检测传感器红外线车辆检测传感器视频图像车辆检测传感器视频图像车辆检测传感器超声波车辆检测传感器超声波车辆检测传感器车辆自动识别车辆自动识别RFID系统系统用于车辆检测的微波雷达传感器安装示意图 主动红外线检测的安装示意图交通信息采集的新技术交通信息采集的新技术 全球定位系统全球定位系统(GPS)激光传感器激光传感器移动电话移动电话基于GPS的交通参数信息采集系统结构10.1.2 网络传输技术网络传输技术(1)移动通信移动通信(2)卫星传输卫星传输(3)因特网传输因特网传输(4)光纤网络光纤网络 在智能交通系统中几种主流的短距离无线通信技术包括在智能交通系统中几种主流的短距离无线通信技术包括WPAN技术、技术、Wireless USB技术、技术、IEEE 802.15.4/ZigBee、RFID技术。技术。(5)短距离无线网络短距离无线网络基于ZigBee技术的路段网络结构示意图电子不停车收费系统的网络架构10.1.3 监测疲劳驾驶的体域网案例监测疲劳驾驶的体域网案例 据统计在特大交通伤亡事故中，据统计在特大交通伤亡事故中，疲劳驾驶疲劳驾驶原因占很大比例。原因占很大比例。疲劳驾驶不但会影响司机的视觉、反应和判断能力，而且影疲劳驾驶不但会影响司机的视觉、反应和判断能力，而且影响司机的警觉性和对问题的处理能力。特别是由于疲劳而产响司机的警觉性和对问题的处理能力。特别是由于疲劳而产生的短暂生的短暂“微睡眠微睡眠”期增多，是交通事故发生的重要诱因。期增多，是交通事故发生的重要诱因。采用布置在驾驶员身上的采用布置在驾驶员身上的体域网体域网，可以有效监测驾驶员的生，可以有效监测驾驶员的生理状态。理状态。可穿戴式体域网的组成示例头戴式脑电图系统的构造头戴式脑电图系统的构造 头戴式脑电图系统的供电装置头戴式脑电图系统的供电装置头戴式无线脑电图监测系统10.2 现代农业领域的应用现代农业领域的应用 物联网技术能实时提供物联网技术能实时提供地面信息地面信息（空气温湿度、风速风向、（空气温湿度、风速风向、光照参数、光照参数、CO2浓度）、浓度）、土壤信息土壤信息（土壤温湿度、张力、墒情）（土壤温湿度、张力、墒情）、营养信息（、营养信息（pH、EC值、离子浓度）、值、离子浓度）、有害物有害物监测与报警（动监测与报警（动物疾病和植物病虫害）、物疾病和植物病虫害）、生长信息生长信息（植物生理生态信息、动物健（植物生理生态信息、动物健康监测）等，帮助农民及时发现问题，并准确地确定发生问题的康监测）等，帮助农民及时发现问题，并准确地确定发生问题的位置，实现无处不在的数字农业。位置，实现无处不在的数字农业。10.2.1 Ko pro精准农业系统精准农业系统 2008年年Crossbow公司公司推出了专门为精准农业设计的推出了专门为精准农业设计的Ko pro专业套件。专业套件。Ko pro是为作物测量、微气候研究和环境监测是为作物测量、微气候研究和环境监测而设计的农业环境无线测量系统，代表了用于而设计的农业环境无线测量系统，代表了用于精准农业精准农业监测的监测的前沿技术，通过网页浏览器为客户提供农作物健康状态和生长前沿技术，通过网页浏览器为客户提供农作物健康状态和生长情况的实时数据。情况的实时数据。Ko pro系统构成示意图Ko pro 系统的部署和使用10.2.2 农产品安全生产与物流配送农产品安全生产与物流配送 集成集成RFID、GIS、GPS和传感器网络为一体的和传感器网络为一体的农产品农产品安全生产与物流配送系统安全生产与物流配送系统，具有实时跟踪和监控功能。，具有实时跟踪和监控功能。RFID作为一种非接触式的自动识别技术，具有识别快作为一种非接触式的自动识别技术，具有识别快速准确、重复性好、穿透性强和数据容量大等优点，适用于速准确、重复性好、穿透性强和数据容量大等优点，适用于农产品物流领域的不同环节对农产品信息的监控，为构建农农产品物流领域的不同环节对农产品信息的监控，为构建农产品生产管理和质量追溯体系提供了良好的技术方法。产品生产管理和质量追溯体系提供了良好的技术方法。农产品物流过程品质的动态监测和跟踪示例10.2.3 菊花生产基地的应用案例菊花生产基地的应用案例温室控制与管理系统的组成“温室娃娃”系统及其附属设备网络系统的监控管理平台10.3 国防军事领域的应用国防军事领域的应用10.3.1 常见的地面战场微型传感器常见的地面战场微型传感器 地面侦察设备通常包括战场监视雷达、地面传感器和电子地面侦察设备通常包括战场监视雷达、地面传感器和电子侦察设备等。在陆军地面侦察设备系统中，地面传感器可侦察设备等。在陆军地面侦察设备系统中，地面传感器可以充当现代战场的隐形侦察兵。以充当现代战场的隐形侦察兵。所所谓谓地面传感器地面传感器，顾名思议就是一种专门植于地面，通过，顾名思议就是一种专门植于地面，通过对地面目标所引起的电磁、声、微震动和红外辐射等物理对地面目标所引起的电磁、声、微震动和红外辐射等物理量的变化进行探测，并转化成电信号后对目标进行侦察与量的变化进行探测，并转化成电信号后对目标进行侦察与识别的探测设备识别的探测设备。1、震动传感器、震动传感器震动传感器类似于记录地震和原子弹爆炸震波的地震仪，这震动传感器类似于记录地震和原子弹爆炸震波的地震仪，这种传感器在侦察目标时，主要是通过装置的震动探头种传感器在侦察目标时，主要是通过装置的震动探头(也叫也叫拾拾震器震器)来捕捉人员或车辆活动造成的地面震动信号。来捕捉人员或车辆活动造成的地面震动信号。目前电子市场上常见的震动传感器产品及型号包括：美国目前电子市场上常见的震动传感器产品及型号包括：美国ADI公司的公司的ADXL系列加速度传感器系列加速度传感器(单轴向、双轴向、三轴向单轴向、双轴向、三轴向)、飞思卡尔公司的、飞思卡尔公司的MMA62xxQ系列系列MEMS加速度传感器等。加速度传感器等。2、声响传感器、声响传感器声响传感器是一种通过对声源目标发出的声响信号进行接声响传感器是一种通过对声源目标发出的声响信号进行接收、处理后，实现对声源目标进行侦察的装置。实际上声响传收、处理后，实现对声源目标进行侦察的装置。实际上声响传感器的探测器就相当于我们生活中的感器的探测器就相当于我们生活中的“话筒话筒”。声响传感器的最。声响传感器的最大优点是分辨力强，它能鉴别目标的性质。大优点是分辨力强，它能鉴别目标的性质。3、磁性传感器、磁性传感器磁性传感器的探测器为磁性探头，磁性探头工作时在周围磁性传感器的探测器为磁性探头，磁性探头工作时在周围形成一个静磁场。当形成一个静磁场。当铁磁金属铁磁金属制成的物体，如步枪、车辆等进制成的物体，如步枪、车辆等进入这个静磁场时，就会感应产生一个新的磁场，干扰了原来的入这个静磁场时，就会感应产生一个新的磁场，干扰了原来的地球静磁场，由于目标的运动变化所产生的干扰使磁场发生变地球静磁场，由于目标的运动变化所产生的干扰使磁场发生变化，产生电信号，实现对携带武器的人员和运动车辆的探测。化，产生电信号，实现对携带武器的人员和运动车辆的探测。4、红外传感器、红外传感器红外传感器是一种能够感应目标辐射的红外传感器是一种能够感应目标辐射的红外线红外线，并将其，并将其转换成电信号后对目标进行探测和识别的设备。这种传感器转换成电信号后对目标进行探测和识别的设备。这种传感器通常分为有源式和无源式两种。通常分为有源式和无源式两种。5、压力传感器、压力传感器压力传感器的探头通常是一根极细的压力传感器的探头通常是一根极细的应变电缆应变电缆，使用时，使用时埋设在目标可能通过的路面下。当运动目标压过浅埋的应变埋设在目标可能通过的路面下。当运动目标压过浅埋的应变电缆时，电缆因受挤压而变形，从而引起电阻发生变化，产电缆时，电缆因受挤压而变形，从而引起电阻发生变化，产生的电信号起到报警作用。生的电信号起到报警作用。6、超声波传感器、超声波传感器超声波传感器一般采用独立的发射器和接收器，发射器由高超声波传感器一般采用独立的发射器和接收器，发射器由高频信号频信号(40-80kHz)来激励。通过测量发射一个超声波脉冲与接收来激励。通过测量发射一个超声波脉冲与接收反射信号所用的时间间隔，可以简单地估计出被测物体的距离。反射信号所用的时间间隔，可以简单地估计出被测物体的距离。另外，目前正在发展中的常见地面战场传感器还包括：另外，目前正在发展中的常见地面战场传感器还包括：u智能传感器智能传感器。所谓智能传感器是指探测节点带有微处理机，因。所谓智能传感器是指探测节点带有微处理机，因而兼有探测与信息处理能力。而兼有探测与信息处理能力。uCMOS图像传感器图像传感器。它利用光电器件的光电转换功能，将光面。它利用光电器件的光电转换功能，将光面上的所成像转换为与光对应的电信号图像，用以观察战场上声上的所成像转换为与光对应的电信号图像，用以观察战场上声像并存的敌方活动情况。像并存的敌方活动情况。u微量气体传感器微量气体传感器。这种传感器通过测量敌方车辆排出气体的气。这种传感器通过测量敌方车辆排出气体的气味和含量浓度，来判断车辆种类和数量。味和含量浓度，来判断车辆种类和数量。10.3.2 美军沙地直线项目案例美军沙地直线项目案例 美国陆军于美国陆军于2003年在俄亥俄州开发了年在俄亥俄州开发了“沙地直线沙地直线”（A Line in the Sand）系统，这是一个用于战场探测的传感）系统，这是一个用于战场探测的传感器网络系统项目。沙地直线项目主要研究如何将低成本的器网络系统项目。沙地直线项目主要研究如何将低成本的传感器覆盖整个战场，获得精细的战场信息。传感器覆盖整个战场，获得精细的战场信息。项目背景 沙地直线项目主要研究传感器网络在侦察沙地直线项目主要研究传感器网络在侦察入侵检测入侵检测方面的方面的应用，以及应用，以及目标分类目标分类和和跟踪跟踪等问题。美军研制的这种传感器网等问题。美军研制的这种传感器网络系统，具有密集型、分布式的特征。络系统，具有密集型、分布式的特征。研制的研制的多种异构的传感多种异构的传感器节点器节点称为称为XSM节点，节点，采用了松散连接的传感器阵列，提供现采用了松散连接的传感器阵列，提供现地探测、评估、数据压缩和发送信息的功能，整个试验工作在地探测、评估、数据压缩和发送信息的功能，整个试验工作在佛罗里达州坦帕市佛罗里达州坦帕市MacDill空军基地完成。空军基地完成。XSM节点实物图研究人员考虑到对于入侵探测这种战场应用，传感器节研究人员考虑到对于入侵探测这种战场应用，传感器节点必须承受点必须承受恶劣环境恶劣环境，如风、雨、雪、洪水、炎热、寒冷和，如风、雨、雪、洪水、炎热、寒冷和复杂地形等。复杂地形等。通过对传感器节点进行封装，能够保护这些元件中的精通过对传感器节点进行封装，能够保护这些元件中的精密电子元器件。封装性能的优劣也直接影响传感器的探测和密电子元器件。封装性能的优劣也直接影响传感器的探测和无线通信功能。无线通信功能。网络节点的封装XSM节点的封装剖视图密封形封装罩曲棍球冲压罩剖视图锥形罩剖视图沙地直线项目的传感器网络部署本章总结 通过典型领域的案例分析，可以了解物联网应用的细节。本章以物联网在现代交通、现代农业和军事领域为例，介绍了它们的具体技术内容和系统应用情况，并分别以实际案例讲解了具体系统的设计环节。尽管人们从事的物联网问题未必属于这三种领域，但仍具有参考借鉴价值，特别是一些内容属于物联网应用的前沿。通过本章内容的学习，需要掌握类似物联网的设计方法，能正确实施传感器的选型，确定出合理的网络传输方案。