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  • 2022-05-13
  • 发表了主题帖: 家居环境实时监测系统总体设计

      引言     家居环境是指家庭团聚、休息、学习和家务劳动的环境。家居环境条件的好坏,直接影响着居民的发病率和死亡率。城市居民每天在室内工作、学习和生活的时间占全天时间的90%左右,因此,居室环境与人类健康和儿童生长发育的关系极为密切。近年来,急性传染性非典型肺炎(SARS)、H1NI猪流感及超级细菌的出现,都说明室内环境健康的重要性。因此,“健康家居”、“智能家居”的新概念突显其重要意义,也就是家居应将安全、健康、舒适放在首位。   加强对家居环境的环境状况(包括有害气体含量、空气湿度、室内温度、火灾引起的烟雾等)的实时监测与治理,可为人们提供一个安全、健康、舒适的生活环境。     系统总体设计     本系统主要是对家居环境中的温度、湿度、烟雾浓度、一氧化碳浓度、甲烷浓度进行实时的监测。系统的主要工作有:自动进行数据采集、处理、指标分析,实时的将指标信息显示在液晶屏和远程监控网页上,当温度过高,烟雾浓度、有害气体浓度超标时,进行本地声光报警提示并发送远程报警信息到远程监控主机。根据需要,本环境监测系统主要包括三部分:前端信息采集端、信息处理中心、远端监控端。   前端信息采集端:因WIA-PA无线传感网络具有网络拓扑维护灵活、快速;自适应跳频模式与重传机制,保障通信可靠性更加有效;支持网内报文聚合,降低网络开销,延长电池寿命;兼容IEEE802.15.4标准,可以使用现有商品器件,易于实现;兼容无线HART标准,支持HART命令,很容易升级传统仪表为其增加无线通信功能;用户可以方便的使用、管理,无需较高的专业知识。因而这里采用的是基于WIA-PA标准自主研发的WIA-PA工业无线传感网络中的温度、湿度、烟雾、一氧化碳、甲烷等传感器分布在家居环境内,采集各种环境变量信息并将信息发送到无线网关处。   信息处理中心是以GM8120为核心处理器的室内中心控制机,主要负责环境信息的接收、处理、转发、本地实时显示、异常报警,报警信息的远程发送。   远程监控端即智能家居远程监控主机,远程监控主机在接收到来自室内中心控制机转发的环境信息后将实时的在远程监控页面上显示传感器数据指标;当接收到远程报警时,进行远程的报警提示并将报警信息的存储到相应的数据库中。系统网络拓扑图如图1所示。        图1 系统网络拓扑图     硬件平台   硬件平台采用以GM8120 Soc为核心处理器的硬件系统。室内中心控制机硬件结构图如图2所示。        图2 室内中心控制机硬件结构图     其中GM8120核心处理器具有以下功能特点:   • 1.8V内核供电,3.3V外部I/O供电;   • 具备8KB的I-Cache和8KB的D-Cache/MMU;   • 外部存储控制器(SDRAM控制和异步SRAM/ROM/Flash控制器);   • LCD控制器;   • 具有PLL片上时钟发生器;   • 视频捕捉接口:CCIR-656和CCIR601接口;   • MPEG-4和JPEG编/解码引擎;   • 10M/100M以太网卡控制器;   • 外部存储接口整合High Speed USB2.0 OTG控制器与PHY的IP;   • 通用异步收发器UART、串行的I2C和I2S接口;   • 32位看门狗定时器;   • 具有日历功能的RTC;   • 调试接口JTAG;   • SD卡接口;   • 16个通用I/O口和4通道外部中断源。   同时GM8120还是一款针对在Internet上传送音/视频数据的,内核为ARM9、支持MPEG-4编/解码且MPEG-4实时编码/解码可以达到30fps、分辨率可以达到D1,是目前业界少见的高集成度硬件MPEG4编/解码芯片。因而是一款比较适合做室内中心控制机的核心处理芯片。     软件实现方案     硬件平台搭建好以后,进行本系统的软件开发环境的搭建,开发ARM-Linux,首先需要建立一个配套的开发环境,主要包括操作系统的移植、配置、编译、调试环境等。系统程序用C语言和Linux函数在Source Insight中编写实现,在虚拟机中进行程序的编译、调试和下载。   智能家居的家居环境实时监测报警系统中的核心是室内中心控制机。室内中心控制机主要负责家居环境信息的接收、转发、处理,并协调、控制各模块正常工作的重要设备。因而室内中心控制机主要有以下功能模块:室内中心控制机系统初始化模块、环境信息捕获模块、环境信息处理模块、环境信息实时显示处理模块、信息异常声音报警模块、环境信息异常图像显示模块。其中室内中心控制机的软件架构图如图3所示。        图3 室内中心控制机软件架构图     系统初始化模块:对室内中心控制机的硬件所有接口进行配置及各变量的初始化。   环境信息捕获模块:室内中心控制机通过监听UDP端口,捕获WIA-PA无线网关发送来的采集到的家居空气、环境信息数据,将收到的数据传送给环境信息处理模块。   环境信息处理模块:对收到的传感器数据进行解析、加工处理,计算各传感器的值。一方面将处理后的信息发送给远程监控中心,使得远程监控中心的数据信息也能实时的更新。另一方面将处理后的数据发送给环境信息实时显示处理模块,实现家居环境信息在室内中心控制机上的实时显示。   环境信息实时显示处理模块:对环境信息处理模块传送过来的数据进行界面显示处理。   信息异常声音报警模块:当室内温度过高或烟雾浓度、有害气体含量超标时,室内中心机发出语音报警提示引起系统用户的注意。   环境信息异常图像显示模块:当室内温度过高或者烟雾浓度、有害气体含量超标声光报警时,室内中心机发出声光报警的同时弹出报警图像操作界面,等待用户通过操作室内中心控制机触摸屏查看信息或者取消报警信息等。   系统初始化完成以后,室内中心控制机创建数据接收线程获取家居环境信息。传感器会发送两种数据包:一个是入网包,一个是数据包。收到入网包后,通过解析确定是哪个传感器上线,然后在室内中心机的相应界面上显示相应传感器的名称。收到数据包后,进行数据包的处理提出有效数据信息,计算出传感器的值,并在室内中心控制机上进行传感器数值的实时显示。同时将收到环境信息发送到远程监控中心,进行信息的及时更新和显示。当室内温度过高或者烟雾浓度、有害气的含量超标时,室内中心控制机将进行实时的本地报警同时将报警信息发送到远端监控主机上。室内中心控制机软件主流程图如图4所示。        图4 室内中心控制机软件流程图     系统功能测试     环境实时监测系统的主要功能测试:主要对环境监测值实时显示和环境值异常时的报警功能进行测试。   硬件组成:室内中心控制机、WIA-PA网关、交换机;WIA-PA温/湿度传感器、WIA-PA甲烷传感器、WIA-PA一氧化碳传感器、WIA-PA烟雾传感器、路由器各两个。   软件组成:将写好的室内控制中心机程序下载到室内中心控制机中,确保室内中心机能正常工作,同时将各WIA-PA传感器的程序和WIA-PA网关的程序下载到各自的硬件系统中确保能正常使用。同时将远程监控中心的管理软件打开。   系统测试的地点选择在按家居环境布局的展示厅。在展示厅的入门处安置一个室内中心控制机。将WIA-PA网关放置在门后的交换机箱内,按照房间(客厅、厨房)的布局,布置各传感器,在客厅中安放WIA-PA路由器及WIA-PA温、湿度传感器、WIA-PA烟雾传感器、WIA-PA一氧化碳传感器;在厨房中安放WIA-PA路由器、WIA-PA温、湿度传感器及WIA-PA甲烷传感器。系统测试环境图如图5所示。        图5 系统测试环境图     测试过程:将远程监控主机与室内中心控制机通过网线相连,然后打开WIA-PA无线网关与WIA-PA路由器、各种传感器。在室内中心控制机家居安防主界面下点击无线测量值按钮,进入到环境信息监测数据显示界面,在室内中心控制机界面上可以看到房间信息、传感器数据信息以及经过计算的各传感器的采集值。   将10℃~100℃的电热丝调至不同的温度,放在温度传感器下,可以看到室内中心控制机和远程监控中心的页面上温度传感器的数值不断地实时刷新改变;当温度传感器的值超过事先设定的阈值后,室内中心控制机会实时的发出本地声光报警,同时发出远程报警信息,远程监控页面上也出现了温度异常报警提示,同时查看数据库,发现有报警信息的存储。其中环境信息实时显示和报警界面显示如图6所示。        图6 环境测量实时显示报警界面     结论     通过系统功能测试发现,基于WIA-PA无线传感网络的家居环境实时监测系统能较好的实现对家居环境信息的实时采集;室内中心控制机也能实时的接收、转发、处理、显示环境信息数据,并在异常时进行本地声光报警和发送远程报警信息。远程监控页面上也能实时的进行环境信息更新,温度过高、有害气体超标报警提示和报警信息的存储。因而验证了WIA-PA无线传感网络能较好地应用于智能家居环境监测中。

  • 2022-05-12
  • 发表了主题帖: 基于蓝牙协议的无线网络化传感器设计

      摘要:以传感器接口标准IEEE1451. 2为基础,介绍了无线网络化传感器实现的一些具体技术要点,提出了一种基于蓝牙协议的无线网络化传感器结构模型,并给出了基于该模型开发的一个实验室远程测温装置的具体软、硬件实现,最后探讨了该装置在病人远程监护中的应用。     在测控系统中,传感器作为信息采集必不可少的装置,实现其网络化是当前的热点研究问题。当前大多数测控系统中,传感器多是采用有线方式,但是在一些特殊情况下,有线线缆连接显然会造成很多不便,不能够满足现实需要。随着新兴无线技术(如蓝牙技术)的发展以及其芯片价格的降低,无线方式在很多场合都得到应用以取代原有的有线接口方式。无线网络化传感器势必成为传感器发展的一个重要方向。笔者在介绍IEEE1451. 2和蓝牙技术的基础上,提出了一种基于蓝牙协议的无线网络化传感器结构模型,并着重讨论基于该模型开发的模拟实验装置的实现及其在病人远程监护中的应用。     1 基于IEEE1451. 2和蓝牙协议的无线网络化传感器     1. 1 IEEE1451. 2标准   IEEE1451. 2作为智能传感器接口模块标准,它提供了将传感器和变送器实现网络化的接口标准,采用通用的A /D 或D /A 转换装置作为传感器的I/O 接口,将各种传感器模拟量转换成标准规定格式的数据,连同一个小存储器———传感器电子数据表( TEDS,transducer electronic data sheet)与标准规定的处理器目标模型———网络适配器(NCAP, network capable ap2p lication p rocess)连接,如此,数据可以按网络规定的协议连接入网络。该标准的结构模型提供了一个连接智能变送器接口模型( STIM, smart transducer interfacemodule)和NCAP的10线标准接口———变送独立接口(TII, transducer independence interface) 。其工作流程是敏感元件输出的模拟信号经A /D转换及相应数据处理(滤波、校准)后,由网络处理装置根据程序设定和(TCP / IP)将其封装成数据帧,通过网络接口传到网络上。   1. 2 蓝牙技术   蓝牙技术作为一种新的短距离无线通信协议,提供了一种无线数据与语音通信的开放标准,它具有许多特有的优势:很强的移植性,可应用于多种通信场合;硬件应用简单,成本低廉,实现容易,且易于推广;蓝牙功耗低,对人体危害小;蓝牙采用扩频跳频技术,抗干扰能力强,增加了信息传输的安全性。蓝牙技术正以其特有的优势引起许多专家学者的广泛关注。   1. 3 传感器结构模型   基于IEEE1451. 2的有线网络化传感器结构模型包含STIM、TII和NCAP 三部分。而本设计的基于IEEE1451. 2和蓝牙协议的无线网络化传感器,采用蓝牙模块替代TII实现无线连接,类似于实现了一个无线的STIM和无线NCAP接收终端的模式,它们以点对多点方式在蓝牙匹克网以主从方式实现相互通信。   STIM通过无线的NCAP接入以太网( Ethernet)或In2ternet,同时NCAP通过分配的IP地址与网络相连,如图1所示。与典型的有线方式相比,上述无线网络模型增加了两个蓝牙模块,对于蓝牙模块部分,标准的蓝牙对外接口电路一般使用RS232或USB 接口,而TII是一个控制链接到它的STIM的串行接口,因此必须设计一个类似于TII接口的蓝牙电路,构造一个专门的处理器来完成控制STIM和转换数据到蓝牙主控制接口(HCI, host control interface)的功能。硬件实现上可以采用接口模块,软件实现上可以采用标准的STIM软件模块: STIM 模块、STIM 传感器接口模块、TII模块、TEDS模块以及地址和函数模块。          2 模拟实验装置的实现     下面以实验室开发的模拟装置为例来说明该传感器的实现。该装置的结构框图如图2所示,利用前端无线STIM中的 定时采集温度传感器中的温度值,经蓝牙无线网络将数据传送至NCAP。NCAP将存放于特定的位置,当有浏览器要查看该数值时,将该数值嵌入到相应的网页程序中,并对整段程序进行TCP /IP封装处理,传送到客户端的浏览器上。          2. 1 STIM的实现   STIM中MCU 采用的是AD 公司的微转换芯片ADμC812。该芯片内有一个8052兼容的,遵从IEEE1451. 2标准,利用芯片ADμC812内部的640 B的数据存储器作为可重复写的TEDS存储,利用内部的一个通道12位的ADC实现A /D转换以及通过芯片内的UART串行口实现与蓝牙模块的通信。蓝牙模块选用的是支持点对多点的爱立信ROK 101 008 系列,同时该模块自带射频微带天线。ROK 101 008 蓝牙模块内部结构遵从蓝牙规范1. 1,其内部基带控制器同样提供了UART接口。蓝牙模块内部提供了主机控制器接口(HCI)来实现对蓝牙硬件访问的统一接口,结合RS232串口就可以实现主控制器和主机之间在传输层上的数据通信,基带和射频则提供了上层的链接和服务。同时,ADμC812还应完成对温度传感器的初始化、数据采集和处理。   (1)温度传感器DS18B20接口和驱动。   温度传感器选用的是DS18B20, 该温度芯片是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,主要由4部分组成: 64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列号是该DS18B20 的地址序列码, ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20 的目的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤:初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。其工作流程是: 初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输,工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。操作时必须先启动DS18B20开始转换,再读出温度转换值。其硬件接口如图3所示。          (2)蓝牙模块ROK 101 008初始化。   蓝牙模块上电即让其完成初始化工作,使其能与信号范围内蓝牙建立连接通道。这一过程主要通过单片机对蓝牙模块发送HC I指令完成。HCI指令包括指令分组,数据分组和事件分组,具体的格式为: 操作码+参数总长+参数0 +.。.参数N 。   下面给出主从设备间实现ACL数据连接的HCI指令(字符对应指令的操作码,由前10位和后6位两部分组成,括弧内为该指令的参数) : 从设备上电后实现查询使能进行复位Write_ scan_enable ( 0x03 ) 。主设备发送查询HC I指令Inquiry(0x9c8b33, 8, 0) ,假定从设备地址为0x00000000000,则建立ACL 连接的HC I指令为Creat_Connection (0x000000000000, 0x18, 0, 0, 0, 0) ,从设备接收连接请求指令为Accep t_connection _ request( 0x111111111111, 0 ) , 假定主设备地址为0x111111111111。这样主从设备之间就建立了ACL数据连接。如Inquiry对应操作码为x0001, 0x01。具体的HCI指令参见蓝牙规范。   2. 2 NCAP的实现   NCAP的功能为实现蓝牙模块对以太网( Ether2net)的接入,同样选用ROK 101 008系列蓝牙模块,如此可以实现多个STIM对同一NCAP的连接。采用8位W77E58 和TCP / IP协议栈芯片W3100A一起实现对以太网( Ethernet)的接入的网络化接口。   (1)协议栈芯片W3100A初始化。   W3100A是一TCP / IP协议栈芯片,包含的各协议层有: TCP、IP、UDP、ICMP和以太网协议的数据链路DLC和MAC 协议, 其工作方式类似于Windows的Soket AP I,为便于实现对传感器的访问,可以将传感器设计为具有Web服务器功能。W3100A 支持全双工模式,内部带有双口的SRAM数据缓冲区,其封装是64脚的LQFP,提供了并口和串口两种方式实现与MCU的通信。MCU和W3100A的硬件接口如图4所示。其中, RTL8201 芯片为以太网物理层选用设备。   W3100A提供M II接口与RTL8201 相连, 其中引脚RX_CLK, RXDV, RXD [ 0∶3 ]以及COL用于数据的接收,而TX_CLK, TXE, TXD [ 0 ∶3 ]用于数据的发送。   MCU中提供模拟的I2 C接口与W3100A 通信。          芯片W3100A正常工作必须对其完成相应的初始化。初始化主要是对必要的寄存器进行相应的设置,这些寄存器包括: 网关地址寄存器GAR、子网掩码寄存器SMR、硬件地址寄存器SHAR以及IP地址寄存器SIPR等。上述寄存器被设置后通过执行控制寄存器CR的0位Sys_init激活芯片。   (2)WEB服务功能实现。   协议栈芯片W3100A从硬件上实现了TCP / IP协议,因此将该装置集成Web服务功能显然比较容易,即在无线NCAP上应实现相应的HTTP协议,NCAP在网络功能上相当于“网关”。要实现远程浏览器与传感器交互, 可以利用传感器NCAP 中增加了的E2 PROM ( FM24C04 ) 来存储相应的网页文件。交互时, HTTP通过统一资源定位器URL ( uniform resourcelocator)来确定传感器应该为浏览器提供哪些资源。   网页文件存放在传感器中的FM24C04里。当监测中心的浏览器发出页面请求时, NCAP 上的处理器在TCP打包的时候,把来自STIM端的监测值嵌入到相应的网页文件中的特殊标志处,再为该网页文件添加相应的HTTP头,返回给请求的用户,如此用户可以在浏览器上看到实际的监测值。因此要实现Web功能,软件上要在NCAP上完成HTTP协议,硬件上增加了一块E2 PROM ( FM24C04) 。     3 模拟装置在病人监护系统中的应用     将上述网络化传感器(实验装置)用于病人监护中,病人就可以在异地(如家里)通过其身上携带的传感器来采集和检测某一信号,同时该传感器将信号通过Ethernet或Internet传送到监测中心。病人远程监护系统结构示意图如图5所示。          利用模拟装置中的WEB 功能,本方案采用B /S(浏览器/服务器)方式实现远程监测中心PC机对传感器的访问。如此可以最大程度地降低监测中心PC机的要求,也免去客户端软件的设计。监测PC只要通过其浏览器(如IE)即可方便实现对传感器的信息进行查询和监测。下面为存储在温度传感器中的一个简单的动态网页程序,其中的“@”用来在网页中插入温度的标志,网页文件存放在传感器中的E2 PROM里。当监测中心的浏览器发出页面请求时, NCAP上的处理器在TCP打包的时候,把来自STIM端的监测值嵌入到相应的网页文件中的“@”处,再为该网页文件添加相应的HTTP头,返回给请求的用户,如此用户可以在浏览器上看到实际的监测值。       < TITLE >实时温度监视< /TITLE >   < /HEAD >     < center >病人现在的温度是: < font size = + 2 color = #FF99FF > @ < / font > < / center >   < /BODY >   < /HTML >     4 结束语     笔者提出的基于蓝牙协议的无线网络化传感器设计,信息传输安全可靠,可行性强。其无线的特殊优势,能够满足某些特殊情况的需要,具有广阔的应用前景和良好的市场价值。开发的模拟实验装置如再进一步通过临床验证与完善,即可用于病人远程监护系统实现人体体温的实时检测、监护、记录和储存。如在此基础上增加血压、心率等传感器之后,即可实现对人体的血压、心率等实施监护与记录处理。

  • 2022-05-11
  • 发表了主题帖: 传感网都有哪些技术呢?

    很多人在看到传感网时脑子里不觉的就会联想到物联网,对于传感网和物联网之间的关系也存在不同的声音。有一种声音是传感网是包含于物联网中的,而还有一种声音是传感网和物联网是同一种东西,就好比传感网是大名,物联网是小名那样。不管是否是不是同一个东西,既然这么难以明确的区分开,想必两者之间肯定有很多相似的地方,接下来就围绕传感网做一个详细的分享。 一、什么是传感网? 对于一个事物往往是从解读它的概念以及理解它的定义开始的,那么什么是传感网呢? 传感网是指随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点,通过自组织的方式构成的无线网络。换一种说法就是由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。其目的在于协作地感知、采集并处理网络覆盖区域内感知对象所产生的信息,并将信息发送给观察者。 那么其内部具体怎么样一个工作流程呢?首先通过一张图片来进行一个抽象的理解。 从上面的传感网结构图可以看出,感知网由传感器,感知对象和终端用户三个基本要素构成。检测区域或者监测对象周围有大量的传感器节点,这些节点通过自组织方式形成一个感知网络,再将这些传感器节点采集到的数据经过多跳通信的方式进行传输和处理,然后传递到汇聚节点。当汇聚节点离管理节点比较远时,便可通过移动通讯网络、互联网或者是卫星将信息汇集到网络服务器,最终发送给终端用户。 二、传感网都有哪些技术呢? 传感网的主要技术包括:拓扑控制、MAC 协议、路由协议、定位技术、时间同步和数据管理技术等。 01、拓扑控制 拓扑控制是在保证网络连通性和覆盖性的前提下,充分考虑无线传感器网络各类特点,根据不同应用场景,通过节点发射功率调节、邻居节点选择以及节点休眠调度,形成优化的网络结构,以保证完成预定任务。 02、MAC 协议 MAC(medium accesscontrol),介质访问控制,MAC 协议是无线传感网的关键技术之一,决定了无线信道的使用方式,其性能直接影响了整个网络的性能。它是保障无线传感网高效通信的关键技术之一。传感器节点的能量、存储、计算和通信带宽等资源有限,单个节点的功能比较弱,而传感网的强大功能是由众多节点协作实现的。多点通信在局部范围需要 MAC 协议协调无线信道分配,在整个网络范围内需要路由协议选择通信路径。在设计传感网的 MAC 协议时,需要着重考虑以下几个方面: 1)节省能量。传感器节点一般是由电池提供能量,而且电池能量通常难以进行补充,为了长时间保证传感器网络的有效工作,MAC 协议在满足应用要求的前提下,应尽量节省节点的能量。 2)可扩展性。由于传感器节点数目、节点分布密度等在传感网生存过程中不断发生变化,节点位置也可能移动,还有新节点加入网络的问题,因此传感网的拓扑结构具有动态性。MAC 协议也应具有可扩展性,以适应这种动态变化的拓扑结构。 3)网络效率。网络效率包括网络的公平性、实时性、网络吞吐量以及带宽利用率等。 03、路由协议 数据包的传送需要通过多跳通信方式到达目的端,因此路由选择算法是网络层设计的一个主要任务。路由协议主要负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点,它主要包括两个方面的功能: 1. 寻找源节点和目的节点间的优化路径。 2. 将数据分组沿着优化路径正确转发。 无线传感器与传统的无线网络协议不同之处,它受到能量消耗的制约,并且只能获取到局部拓扑结构的信息,由于这两个原因,无线传感器的路由协议要能够在局部网络信息的基础上选择合适路径。传感器由于它很强的应用相关性,不同应用中的路由协议差别很大,没有通用的路由协议。无线路由器的路由协议应具备以下特点: (1)能量优先。需要考虑到节点的能量消耗以及网络能量均衡使用的问题。(2)基于局部拓扑信息。无线感知网络(WSN)为了节省通信能量,通常采用多跳的通信模式,因此节点如何在只能获取到局部拓扑信息和资源有限的情况下实现简单高效的路由机制,这是 WSN 的一个基本问题。(3)以数据为中心。传统路由协议通常以地址作为节点的标识和路由的依据,而 WSN 由于节点的随机分布,所关注的是监测区域的感知数据,而不是具体哪个节点获取的信息,要形成以数据为中心的消息转发路径。(4)应用相关。设计者需要针对每一个具体应用的需求,设计与之适应的特定路由机制。 04、定位技术 定位技术相对而言应该是最好理解的,在大部分传感网应用场合里必须要知道节点的具体位置才是有意义的。通过人工测量或配置来获取节点的精确坐标的方法往往是不可行的,这时传感网能够通过网络内部节点之间的相互测距和信息交换,形成一套全网节点坐标进行精确位置数据输出。新型无线传感器网络定位方法, 主要包括基于移动锚节点的定位算法、三维定位算法和智能定位算法。 05、时间同步 在无线传感网络中,各节点相互独立并且以无线的方式进行通信,由于各节点都采用各自的本地时钟模块进行计时,而这种计时模块功能主要是由晶体振荡器提供的,由于晶振频率的误差以及初始计时时刻的不同,则会导致节点时钟时间和本地时钟无法同步,这就会造成传感网应用无法正常运行也会大大降低其他的服务质量。从此可以看出时间同步技术在无线传感网络中占有非常重要的地位。 现如今已有的时间同步技术有很多种。其中发明比较早的是 RBS 协议、HRTS、FTSP、GCS 时间同步模型和 LTS 时间同步模型等。心比较新的时间同步技术有:TBEC、基于分簇的 WSN 时间同步解决方案、基于耦合振荡器模型的 WSN 时间同步算法模型、萤火虫同步算法和协作同步等。 06、数据管理技术 在整个传感网工作流程中都会产生相应的数据,而传感网的意义也是能产生有效的数据,所以怎么样对数据进行管理也显得尤为重要。可以这么说无线传感网络是以数据为中心的网络,把传感器视为感知数据流或感知数据源,把传感网视为感知数据空间或感知数据库,把数据管理和查询处理作为网络的应用目标。传感网的任何应用都离不开数据的收集、存储、查询和分析。 由于传感网能量、通信和计算能力有限,所以产生的数据一般情况下不会都发送到汇聚节点进行处理,而是尽可能在数据汇入汇聚节点之前就进行处理。目前传感网数据管理模式主要是 3 钟:集中式、半分布式以及分布式。 三、是特点更是挑战 传感网是具有很鲜明特性的,主要可以总结为无中心和自组网特性、网络拓扑的动态变化性、传输能力的有限性、能量的限制以及安全性的问题等。这些特性即使传感网的特点也是它要面临的挑战。 这些特点向传感网的未来提出了一系列具有挑战性的问题,也可以总结为这几点: 一是通信能力有限,如何在有限通信能力的条件下高质量地完成感知信息的处理与传输,是我们面临的挑战之一; 二是计算能力有限,如何在网络工作过程中节省能源,最大化网络的生命周期,是我们面临的第二个挑战; 三是电源能量有限,如何使用大量具有有限计算能力的传感器进行协作分布式信息处理? 四是传感器数量大、分布范围广导致传感网维护十分困难甚至不可维护,传感网络的软、硬件如何具有高鲁棒性和容错性? 五是感知数据流巨大,研究出强有力的分布式数据流管理、查询、分析和挖掘方法也是一个大的挑战。 挑战和机遇也是并存的,挑战有多大机遇也就有多大,不畏惧挑战而是牢牢地抓住时代赋予的机遇。

  • 2022-04-28
  • 回复了主题帖: 使用氮化镓(GaN)提高电源效率

    学习了~~~mark一下

  • 回复了主题帖: 一文了解GaN应用领域

    感谢楼主分享,跟着学习了

  • 回复了主题帖: 氮化镓有哪些关键要点儿?你都了解吗?

    谢谢楼主分享。GaN在RF领域能用在什么应用上啊。我感觉GaN我看到更多的还是在手机充电器上

  • 回复了主题帖: 如果当年信号调制是这样的,你还学不会吗?

    我感觉我已经都还给老师了。这些动图可以说非常生动形象了。

  • 回复了主题帖: 【安信可NB-IoT开发板EC-01F-Kit测评】+阿里云连接上传光照度数据

    谢谢楼主分享~~

  • 回复了主题帖: 【安信可NB-IoT开发板EC-01F-Kit测评】+小试串口助手连接阿里云

  • 回复了主题帖: 还记得那个鬼市淘的中兴(ZTE)电源吗-被我零零碎碎的时间给DIY好了

    这个有意思~~变废为宝啦~

  • 回复了主题帖: BPM短波接收模块

    这个还真没接触过

  • 回复了主题帖: CST仿真教程文档全集

    谢谢分享,收藏啦

  • 回复了主题帖: 你用数字人民币了吗?

    我这的超市推活动呢。建行生活上注册再弄上建行的数字人民币钱包,送了一堆卷。可以直接超市购物用。超市也是狗的很,哄那些老头老太太来注册,然后给他们说注册了就可以一块钱买纸,2块钱买个1L的油,,实际就是他们东西偷偷提价并让这些不太懂的人买某些特定的滞销品。然后凑建行生活上注册送的卷。。。 然后别的么,感觉就是也没啥用途,反正就是有支付宝有微信够用的,也没觉得数字人民币有啥优势。我和我妹两手机操作测试了一下碰一碰的功能。感觉不好使,两个手机都离线状态下反正就是没碰成功。

  • 回复了主题帖: 【涂鸦BK7231N】开箱体验

    看上去不错,等着看楼主的后续分享呀

  • 回复了主题帖: 锂电池智能保护板低功耗蓝牙技术方案介绍

    谢谢楼主分享,跟着学习了

  • 2022-04-26
  • 发表了主题帖: 物联网的历史演进、应用和安全要求

    毫无疑问,安全是物联网的一个大问题,越来越受关注。由于篇幅有限和笔者知识范围,我们仅专注于物联网的基本安全要求,并针对每个特定的安全要求单独提及了已知的攻击方式。 历史及其演进 物联网一词是从 RFID(射频识别)技术演变而来的,在二战期间,英国研究人员建设了“Identify Friend or Foe”简称IFF,即敌我识别;每当一架英国飞机收到来自英国陆军雷达的信号时,飞机就会通过RFID广播一个信号,将飞机识别为朋友。从 1950 年到 1960 年,来自美国、欧洲和日本的研究人员成功地使用射频能量远程识别物体。很快,随着防盗系统的发展,这项技术被商业化。1970 年代,洛斯阿拉莫斯国家实验室部署了一种设备,用于监测放射性物质并使用转发器运输车辆。该技术在 1980 年代中期商业化。 美国农业部面临识别牛的问题,比如奶牛,需要确定每一头牛是否获得了正确的药物剂量,并确保没有奶牛错误地获得双倍剂量。洛斯阿拉莫斯国家实验室通过使用带有 UHF 无线电波标签的无源 RFID 来唯一标识每头奶牛,从而解决了这个问题。此后,许多公司开发了这样的系统,使用封装在玻璃中并注入牛皮肤的较小转发器;这项技术一直沿用至今。Kevin Ashton在 1999 年首次在智能交通系统的背景下创造了“物联网”一词,很快万物互联的时代开始了。1998年美国麻省理工大学的Sarma 和 Brock 通过标签将实物对象连接到互联网,将 RFID 塑造成一种交互技术。带有卡的 I 频率转发器也被用于实施对建筑物的控制访问。除此以外,无线自组织(wireless ad-hoc)和传感器网络可以被认为是没有 IP 地址的物联网的祖先。 二十一世纪的第一个十年是微电子和通信时代;WSN 和无线 Ad-hoc 网络正在兴起。WSN 通过提供自由的无线通信、从区域感知和收集数据的能力,为人们与其周围环境之间的交互提供了广泛的支持。通常,这种网络的部署会收集数据并将其传输到接收器。物联网的当今定义是“Anything”, “Anytime” and “Anywhere”,即万物互联。 物联网的不同应用 物联网的历史和发展表明,从一开始,这项技术就被认为适合商业应用。与不同事物连接和交互的特性使物联网适用于各种应用程序,可用于解决许多现实生活中的问题。下面总结了它的一些实际应用。 医疗保健:医疗保健监控系统,远程医疗,医生可以远程监控患者。 智能家居:为了改善生活质量,洗衣机、烤面包机、咖啡机、空调、电视、冰箱、安全摄像机等家用电器可以使用智能手机、平板电脑或连接Internet 的笔记本电脑操控。 可穿戴设备:这些设备植入了传感器和执行器,可以通过蓝牙等技术进行通信。它们通常戴在手腕上或通过智能手机连接到身体内以跟踪人类活动。 农业:为了提高作物产量和经济收益,引入了智慧农业。农业物联网用于灌溉控制、监控仓库和农场动物。 智能供应链管理:为了降低运营成本,对实时数据进行适当管理,并实现原材料供应商、托运人、生产商和客户之间的多方安全通信,物联网进入潜力应用场景。 智能电网:由于物联网实现了智能电表和远程电源插座之间的通信],它以最低的成本提供高品质的能源,分析消费模式和实现负载平衡。 工业互联网和智能制造:在工业中使用物联网可以实现更好的电力管理、资源优化,这有助于降低成本。物联网的一些应用涉及使用机器人来提高准确性和智能物流管理。 智慧城市:物联网的这种应用涉及解决医疗保健、水、能源、交通管理等领域问题的所有服务,从而实现智慧城市。 智能交通:物联网通过连接运输车辆、路边资产、交通信号灯和动态交通管理系统,在实现快速和安全交通方面发挥着重要作用。 联网汽车:在这个主题下,汽车和其他车辆以及周围的事物相互连接以共享车辆内部和外部的数据,以提高旅行时的安全性和豪华性。 智能安全:在学生安全、建筑物安全系统和灾害管理方面的应用,物联网帮助发挥更好的安全效果。 环境保护:物联网可以在环境监测中发挥重要作用,因为无线传感器网络可用于监测空气和水质、天气和土壤状况。 物联网的分类组成 上一节中提到的应用程序包含大量各种各样的东西。在本节中,我们将它们分为不同的类别;这些设备如下所述。图 1展示了不同的物联网设备和平台。 - 传感器是用来“感知”的设备;传感器的主要任务是感知物理环境中的事件或变化,并引导另一个小装置或计算机系统。 物联网设备和平台 - WSN 无线传感器网络是一组部署在广泛地理区域内的专用传感器,用于监测和记录物理条件的变化。他们将收集到的数据发送到一个中心位置。 - RFID是一种借助射频将数据收集到计算机系统的技术 - Actuators执行器,将信号转换为某种运动,如线性、旋转等,对物理世界有期望的刺激。传感器/执行器网络 (SANET) 无线传感器和执行器网络 (WSAN) 是一些可以感知环境变化并使用执行器采取适当行动的网络。 - 物联网设备 可穿戴设备:此类别包括可穿戴在身上,也可进行通讯的设备。 嵌入式系统:包括具有传感器、执行器和处理器的对象,这些对象由软件系统和 API 控制,它们共同创建了一个连接的环境。 智能设备:电子设备,通常连接到其他设备,可以交互和自主运行。 - 通信设备能够使用有线或无线介质与其他设备通信。通常,它们拥有丰富的计算资源并支持 GPS 等技术。 - 物联网平台即服务 (PaaS) 允许租用适用于各种物联网应用的云基础设施。 物联网安全要求 到现在为止,读者可能已经对物联网的发展历程、物联网中有哪些不同的“事物”以及物联网的实际应用有了一个清晰的认识。在关注安全问题之前,让我们讨论基本的安全要求和可以对它们进行的攻击。物联网的主要安全要求如下所述: - 保密性:信息不得透露给任何未经授权的实体。由于连接的设备可能会传输机密数据,因此保密性至关重要。 - 完整性:指物联网系统中使用的资产的安全性。敏感数据也存储在 IOT 本地设备上。这些数据包括敏感数据和个人数据、医疗记录、制造数据、媒体解密密钥、日志等,这使得完整性成为主要的安全要求。 - 授权:确定个人或计算机是否可以访问资源或问题指令。如果未经授权的人这样做,可能会导致物联网系统出现故障。 - 可用性:或者,当授权实体请求访问任何资源时,它必须始终是可访问的,否则这可能会导致与功能和服务质量相关的几个问题。 - 真实性:当设备向远程服务器请求服务时,身份验证变得很重要。来源信息必须经过身份验证;这种验证通常通过涉及身份证明的身份验证技术完成。 - 不可否认性:当两个物联网实体在它们之间传递消息时,发送后不得否认;此属性通常是使用受信任的第三方来实现的。 - 问责制:确保每个用户或设备的每个操作都可以得到照顾,以便可以轻松找到错误的实体。换句话说,它有助于确认关注“谁做了什么”。 - 可靠性:是确保物联网系统一致可靠地工作以提供各种服务的要求。它是指保证物联网系统行为稳定的属性。 - 隐私性:物联网中的隐私是指对用户隐私数据泄露的控制。它是物联网背景下的重要属性。 - 物理安全:大多数物联网设备都是远程部署的,因此需要物理保护来保护它们免受未经授权的物理访问、损坏和侧信道攻击。 下图清楚地说明了主要的安全要求以及对它们的相应攻击。 物联网中的安全要求和攻击方式     来源: 今日头图

  • 发表了主题帖: 物联网的总体架构和关键要素

    从国家信息化的主要使命来看,我国推动物联网发展的主要目的是,在国家统一规划和推动下,在农业、工业、科学技术、国防以及社会生活各个方面应用物联网技术,深入开发、广泛利用信息资源,加速实现国家现代化和由工业社会向信息社会的转型。 从国家发展物联网的内涵看,物联网总体架构是以物联网技术广泛应用为主导,信息资源的开发与利用为核心,信息基础设施为载体,物联网技术开发和产业为支撑,物联网人才为依托,政策、法规、标准、安全为保障的综合体系。 1.物联网技术的广泛应用 将物联网技术广泛应用于政治、经济、文化、社会和军事等领域。 2.信息资源的开发与利用 信息革命是以利用信息来提高生产力作为标志的,信息资源已成为推动国民经济与社会发展的基础性资源、无形资产、社会财富和战略性要素,在经济发展和社会生活各方面显现出越来越重要的作用,它已成为全球化形式下国际竞争的重点。 利用物联网技术提升全社会信息资源的开发利用水平,是增强综合国力的必然选择。 因此,借助物联网发展浪潮进一步强化全社会的信息意识,发展壮大信息资源产业,着力开发和有效利用生产、经营活动中的信息资源,推进政府信息公开和政务信息共享,增强公益性信息服务能力,扩展服务范围,进一步完善法律法规和标准化体系,是今后信息资源开发和利用的重点。 3.信息基础设施 从世界各国的信息化发展历程看,一个共同的规律是,在整个信息化的过程中,不断完善综合信息基础设施,构筑适应未来信息传输的通信网络,在此基础上广泛开展信息技术应用和信息资源的开发利用。 物联网是继互联网之后发展起来的新型网络,它和互联网的一个重要区别是所连接的东西多了,理论上讲,所有的物都可以连进去。 物联网的一个重要特征是把实时嵌入系统和传感网紧密结合起来,传感网是物联网的基础,是物联网的组成部分。 因此,物联网是由自我标识、感知和智能的物理实体基于通信技术相互连接形成的网络,这些物理设备可以在无须眉人工干预的条件下实现协同和互动,为人们提供集约和智慧服务。 物联网的未来将是由可唯一标识的物理实体通过标准协议形成的全球性网络。 在物理世界的实体中只要部署具有一定感知能力、计算能力的各种信息传感设备,然后通过网络设施即可实现信息获取、传输和处理,从而实现大范围或广域的人与人、人与物、物与物之间信息交换和共享需求的互联。 可见,传感网的功能主要是实现传感器的互联和信息的收集,而物联网则是一个或多个基础网络的融合,其功能可实现对所有物品的智能化识别和管理。 4.物联网技术开发及其产业 物联网技术开发是物联网总体架构的关键要素之一。 它的创新和持续发展将使它成为通用性技术,渗透到国民经济和社会、政治、文化、军事等各个领域,并引发新一轮的产业革命。 制造业和服务业是它的两大业态,而末端设备或子系统、通信连接系统以及管理和应用系统等三层构成了核心产业链。 物联网产业将从促进国民经济快速增长的先导产业发展为支柱产业,同时将成为调整经济结构、促进国民经济增长方式转变的核心产业。 因此,物联网产业在国家信息化进程中将发挥越来越重要的支撑作用,不断提高物联网产业素质和竞争力,是今后的重点任务。 5.物联网人才 发达国家经济和社会信息化发展的历程有一个共同规律,即在工业化中后期,随着物质性经济规模扩张的减缓和第三产业比例的增加,技术进步和人力资源积累将起到比物质资本更重要的作用,传统工业吸纳劳动力的能力会越来越有限,而第三产业,尤其是信息服务业逐渐成为就业的重要渠道,整个社会人才就业结构将发生根本性变化,这将使信息化人才成为推动生产力发展的关键要素。 而物联网人才是信息化人才的重要组成部分,加强物联网人才队伍建设,对加速服务业的发展、提高国民信息能力、构建国家物联网发展综合体系,具有十分深远的战略意义。 6.推动物联网发展的政策、法规和标准环境 建立一个促进物联网发展的政策、法规环境和标准体系,是推动国家物联网快速、有序、健康发展的重要保障。 法律法规和政策是对社会信息环境实施管理和控制的两种最主要的手段。 通过运用法律手段,限制和约束社会信息行为,以保护物联网发展环境的健康发展; 而信息政策是通过行政手段,鼓励和支持社会信息活动,以达到促进物联网发展的目的。 标准是对重复性事物和概念所做的统一规定,它以科学技术和实践经验的综合成果为基础,经有关方面协商一致,由主管机构批准,以特定形式发布,作为共同遵守的准则和依据。 从长久发展来看,当物联网从初级发展阶段走向基于多种网络融合的全球网络基础设施时,网络之间的兼容性和标准化至关重要,需要各领域各行业通力合作,标准化组织需要站在全局的高度进行统筹协调和规范。 加快制定物联网技术标准、推进物联网法制建设是今后国家发展物联网的重要任务之一。 因此,需要加强建设跨行业、跨领域的物联网标准化协作机制,加强对物联网系统总体框架的各个关键要素、参考模型等标准,物联网网络管理、信息安全、传感器网络等关键技术标准的制定,为实现不同领域、不同行业物联网协同融合奠定基础,并积极参与国际标准化制定工作。 7.信息安全 根据国家标准化管理委员会的定义,信息安全指为信息系统而采取的技术和管理的安全保护,保护计算机硬件、软件和数据不因偶然的或恶意的原因而遭到破坏、更改和泄露。 信息安全是国家安全的重要组成部分,是物联网发展的基本保障。国家信息化领导小组第三次会议通过的《关于加强信息安全保障工作的意见》,是在今后的一个历史时期内,指导我国信息安全保障工作的纲领性文件。 文件明确指出了我国信息安全保障工作的建设方针与任务,坚持积极防御、综合防范的方针,全面强化管理,改进技术手段,建立健全信息安全保障系统和防范机制的思想和思路应当在物联网发展中得到广泛重视。 值得特别指出的是,当把感应器嵌入和装备到国家重要的基础设施上时,如果没有安全策略和技术的相应保障,是很容易遭到恶意的攻击和破坏的。 因此,当物联网在全世界互联成一个广域网时,系统安全性将直接关系到国家安全。 又比如,在基于位置服务的系统中,在实时采集用户的位置信息时,这种具有泛在性和移动性的环境必然出现新的安全问题。 此外,还可能发生用伪造的末端替换等手段侵入系统造成真正的末端无法使用的问题。 为了避免整个物联网大系统遭到破坏和信息泄露,需要在物联网整体架构的各个层面实施全方位的安全保护。 因此,在进行物联网总体架构的顶层设计时,信息安全保障体系是设计的关键内容之一。   来源: BoT AIOS联盟研究中心

  • 发表了主题帖: 终于有人把智能制造与工业4.0讲明白了

    一智能制造与工业4.0 智能制造在国际上尚无公认的定义,通常被认为是新一代信息通信技术与先进制造技术的深度融合。 智能制造的概念始于20世纪80年代末,纽约大学P.K.Wright教授和卡内基梅隆大学D.A.Bourne教授出版了Manufacturing Intelligence一书,首次提出智能制造的概念,并指出智能制造的目的是通过集成知识工程,制造软件系统、机器视觉和机器控制,对制造技术人员的技能和专家知识进行建模,以使智能机器在没有人工干预的情况下进行小批量生产。 随着时代的发展和技术的进步,智能制造也不断被赋予新的意义,目标变得更加宏大。我国是制造业大国,制造业是国民经济的主体,当前我国制造业面临着提高生产制造效率、节能减排、产业结构调整的战略任务。《智能制造发展规划(2016—2020年)》指出: 推进智能制造,能够有效缩短产品研制周期,提高生产效率和产品质量,降低运营成本和资源能源消耗,加快发展智能制造,对于提高制造业供给结构的适应性和灵活性、培育经济增长新动能都具有十分重要的意义。 制造业从传统模式向数字化、网络化、智能化转变,从粗放型向质量效益型转变,从高污染、高能耗向绿色制造转变,从生产型向“生产+服务”型转变。在此转变过程中,智能制造是重要手段。 智能制造较为普适的定义是: 面向产品的全生命周期,以新一代信息技术为基础,以制造系统为载体,在其关键环节或过程,具有一定自主感知、学习、分析、决策、通信与协调控制能力,能动态适应制造环境的变化,从而实现某些优化目标。 上述定义对智能制造提出了明确的目标和期望—高效率、低成本和高质量,并对其实现路径提出了方法论的指导。强调自主感知,通过万物互联,连接一切可数字化的事物,利用数据和算法获得智能。 智能制造不仅要采用新型制造技术和装备,还要将快速发展的信息通信技术渗透到工厂,在制造领域构建信息物理系统(Cyber Physical System,CPS),改变制造业的生产组织方式和人际关系,带来研发制造方式和商业模式的创新转变。 工业4.0是基于工业发展的不同阶段做出的划分。按照目前的共识,工业1.0是蒸汽机时代,工业2.0是电气化时代,工业3.0是信息化时代,工业4.0是利用信息技术促进产业变革的时代,也就是智能化时代。 这个概念最早由德国政府提出,并在2013年的汉诺威工业博览会上正式推出。随着新一轮技术浪潮的到来以及国际科技竞争日益加剧,作为工业化强国,德国敏锐地感觉到新机遇、新挑战,为此及时制定并推进产业发展创新战略,其目的是提高德国工业的竞争力,在新一轮工业革命中占领先机。 工业4.0自推出以后,迅速在全球范围内引发了新一轮的工业转型竞赛。德国学术界和产业界认为,工业4.0概念是以智能制造为主导的第四次工业革命,旨在通过信息通信技术和信息物理系统相结合的手段,推动制造业向智能化转型。 德国主要从以下几个方面采取措施,推进工业4.0。         建立指导框架,2013年以来,德国陆续出台了一系列指导性规划框架,如《数字化行动议程(2014—2017)》《高技术战略2025》,支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。         推进数字化进程,数字化是实现工业4.0的基础条件,通过嵌入式处理器、传感器和通信模块,把各要素联系在一起,使得产品和不同的生产设备能够互联互通并交换信息,未来智能工厂能够自行优化并控制生产过程。工业4.0还将进一步实现工厂、消费者、产品信息数据的互联,从而重构整个社会的生产方式。它的本质是以万物互联为基础,通过物联网和互联网等相关技术,将传统工厂关注的制造环节向前端设计环节以及后端服务环节不断延伸。         打造标准,把不同产业领域以及环节之间的隔阂打通,实现关键术语、规格标准等语义统一化和标准化。正是通过标准的推广和应用,技术创新得以迅速扩散,并提升生产力。此外,还包括完善人才培养,强化创新合作等。 为了更广泛地指导不同行业开展工业4.0实践,2015年德国提出了工业4.0参考架构模型(Reference Architecture Model Industrie 4.0,RAMI 4.0),对工业4.0理念进行了进一步的明确和阐述。RAMI 4.0采用三维模型表达工业4.0的空间,从3个维度进行描述,每个维度均不同程度地对已有工业标准体系进行了扩展和延伸,如图1-1所示。 ▲图1-1 工业4.0参考架构模型(经德国工业4.0组织授权引用) 第一个维度(横轴)功能层,参考了IEC 62264企业信息集成标准。该标准定义了由现场设备到运营管理系统的层级划分,界定了企业控制系统、管理系统等的集成化标准。 RAMI 4.0在其基础上,在底层增加了“产品”,在顶层增加了“跨企业互联”,由个体工厂拓展至连接世界,从而体现工业4.0针对产品服务和企业协同的要求,形成“产品-现场设备-控制与监控网络-车间-工厂-企业-跨企业互联”的完整链条。 第二个维度(横轴)为生命周期和价值链,参照IEC 62890标准体现的从虚拟原型到实物制造的产品全生命周期理念,描述了产品、机械装备和工厂的生命周期与增值过程紧密结合在一起的过程。 第三个维度(纵轴)是信息物理系统的核心功能,资产处于底层,可以是机器、设备、零部件及人等各种实体对象,连同其上层集成一起被用来对各种资产进行数字化的虚拟表达;通信层用于处理通信协议;信息层对数据进行分析处理;功能层是企业运营管理的集成化平台;业务层是指各类商业模式和业务流程,体现制造企业的各类业务活动。 资产构成工业4.0基本单元(物理的/非物理的)的实体部分,RAMI 4.0提出资产管理壳(Administrative Shell)的概念,每个实体资产在数字空间均有对应的管理壳(即数字映射),管理壳构成工业4.0基本单元的虚拟部分,实体通过管理壳接入工业4.0体系。 二OT与IT融合之路 长期以来,操作运营技术(Operation Technology,OT)和信息技术(Information Techno-logy,IT)是相互隔离的,各自有着不同的目标,沿着不同的路径发展,彼此之间的鸿沟阻碍了工厂充分利用已掌握且尚未发掘的重要信息。 关于OT与IT融合的争论一直不断,主要体现在两个方面:一是围绕概念,要求澄清OT和IT的概念、界线;二是在公司组织和规划实施层面,由哪个部门组织牵头,在多大范围内实施融合,预期产生什么收益。 维基百科对OT的定义如下:专门用于直接监控或控制物理设备(诸如阀门、泵等)来检测物理过程,或使物理过程发生变化的硬件和软件。 例如现场控制、检测相关的技术,包括可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、分布式控制系统(Distributed Control System,DCS)、数据采集与监控系统(Supervisory Control And Data Acquisition,SCADA),以及各种仪器仪表、传感器、机器设备等,也包括背后隐含的生产过程、生产工艺与知识。 OT直接面对工业生产的物理设备和过程,保证其安全、稳定地运行,首要目标是保质保量完成产品生产,长期以来采用专用的系统、网络和软件。从这个意义上,与IT相比,OT的开放性和标准化有待改善和提升。IT主要指用于管理和处理信息所采用的各种技术,它应用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装和实施信息系统及应用软件。 IT代表了计算机业,例如计算、存储、网络、云计算、数据库等,像企业资源计划系统(Enterprise Resource Planning,ERP)、产品生命周期管理系统(Product Lifecycle Management,PLM)、客户关系管理系统(Customer Relationship Management,CRM)、供应链管理系统(Supply Chain Management,SCM)等常用的企业运营管理系统,均属于IT范畴。图1-2列举了常见的OT与IT。 ▲图1-2 OT与IT 界定完概念,再来看公司组织、规划、实施层面,即在多大范围内实施融合,预期产生什么收益。对效率、质量与成本等方面的关注,倒逼企业开始升级改造,企业IT运营管理系统对于现场工艺过程数据和设备运行数据有着强烈的需求,制造系统进行信息化升级,OT和IT由分开的两条路径逐渐走向融合。 OT和IT融合并非易事,OT和IT在企业中完全是两拨人,彼此的知识面、看待问题的思维差别很大。OT人员偏好PLC、DCS、SCADA、HMI、RTU、数据采集以及嵌入式计算技术,而IT人员擅长互联网技术,非常熟悉快速扩展网络规模、云计算基础架构、基于Web的部署和诸如SQL、Java、大数据等技术。 举个例子,OT部门收到IT部门的通知,将升级网络并在工厂中实现全新的网络安全措施,OT部门需要配合其工作。当IT人员看到现场设备上装了Windows XP系统,并且还要继续使用两三年,他们会觉得不可思议并建议立即对系统进行升级,而OT部门表示这台设备不能升级,因为设备上安装了软件许可证,并且软件不支持新的操作系统。 OT技术发展相对缓慢,更强调稳定性与可靠性,对于运行中的系统,OT人员倾向于系统保持更长时间不做变更。而IT专注于数字环境,主要考虑数据处理速度、系统可靠性和安全性等问题,IT必须接受快速创新和变革,以跟上技术的不断发展。 再举个例子,IT部门有专门的系统运维团队,在企业里属于基础设施支撑团队,离业务本身有一定距离,系统运维团队承接需求时,通常只需对方说明安装什么操作系统,要什么数据库,是否必须安装杀毒软件、部署企业策略以及IT系统归属网络等。 突然某一天老板要求生产控制系统的计算机和网络也归属系统运维团队,于是现场反馈的问题如工业组态软件无法连接实时数据库、PLC网络无法连接远程I/O站等问题也要运维团队去处理。对传统IT运维来说,一下子丈二和尚摸不着头脑,怎一个苦字了得。 即使存在这些差异,在智能制造和工业4.0时代,IT与OT融合也是必经之路,这依赖于在业务层面和技术层面进行顶层设计和组织设计乃至重组。通过提升各自的能力,从而形成一种真正具有颠覆性的技术,这正是工业物联网发挥作用的地方,它是OT与IT融合的具体实现。 技术方面,OT与IT融合仍面临着一些实际问题。首先是数据的传输接口与标准统一问题,OT常用现场总线和工业以太网(也在尝试标准以太网),对数据实时性(毫秒级或微秒级)和传输确定性要求很高,网络传输低抖动,而IT通常是非实时的,秒级响应就足够了,网络主要采用标准以太网,OT与IT融合首先要解决网络互联、数据互通的问题。 其次,以一座中等规模的典型工厂为例,它通常拥有多台购置于不同时期、来自不同供应商的设备,而不同供应商的自动化水平、软硬件平台以及通信协议均不同,导致数据的收集、整合以及场景标准化非常困难,有些设备制造商甚至将数据分析洞见作为增值服务,工厂须付费才可使用,这进一步阻碍了数据的获取。 除了差异性之外,出于工艺保密性以及安全隔离性方面的考虑,很多OT系统在设计时并未考虑对数据开放,有些制造现场在没有IT系统参与时也运营得很好,迫切性并非想象的那么高,此时需要综合考虑经济性和企业长远战略,只有对数据驱动的价值有了充分认识,才能下决心推动OT与IT融合。 三企业数字化转型 企业数字化转型是一个更大的议题,新冠疫情加速了社会数字化的进程。什么是数字化转型?有些人认为把线下活动通过互联网搬到线上,就是数字化转型了。这个认知过于粗浅。有些人将数字化转型理解为一种管理理念和数字化意识。这样说虽然没错,但比较抽象。 数字化转型是指利用现代技术和通信手段,改变企业为客户创造价值的方式。它将数字化技术融入企业产品、服务和流程当中,涉及核心业务流程、员工以及与上下游供应商合作伙伴交流方式的变革。 数字化转型至少有3个层次。         一是信息的数字化,例如模拟信号到数字信号的转换,从手工记账变为Word文档,本质上是将信息以二进制数字化的形式进行读写、存储和传递。         二是数字化提升流程效率或流程数字化,例如企业资源计划系统、客户关系管理系统、供应链管理系统和仓库管理系统等都是将工作流程进行数字化,从而提升工作协同效率、资源利用效率,为企业创造信息化价值。在这两个阶段,企业业务模式可能未发生根本性变化,例如一个汽车制造企业,它虽然实现了信息化,但仍然以销售汽车为主。         三是数字化转型,着力于实现“业务的数字化”,使公司获得新的商业模式和核心竞争力。例如借助数字化技术,汽车销售商可能变为以汽车为载体的出行服务商。大型工程机械企业为寻求新的利润增长点,提供装备租赁服务,利用工业物联网远程实时监控装备的运行状况和位置,确保租赁服务模式安全有效。在此之前,企业需要投入大量人力管理租赁设备。 进行数字化转型的原因是多方面的,这其中有来自市场、监管的压力等。市场瞬息万变,包括已经存在的或即将到来的压力,企业为应对这种变化和竞争,需要不断提升内部流程效率、加速产品创新并提供增值服务,形成持续竞争力。 对于研发制造企业,虽然数字化转型以数字化技术为支撑,但数字化技术本身不是目标,它的本质是业务转型,而业务转型须以企业战略为主导,是战略主导下的业务变革。 数字化转型应以客户需求为指引,以组织变革、流程优化、人员能力为保障,由企业文化和环境机遇来促成。它是数据驱动、智能助力的研发、生产、运营和服务改善,是OT和IT的融合,是数字化、网络化、智能化等数字化技术的应用。互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能、5G通信等,均属于数字化技术。图1-3反映了这种层级关系。 ▲图1-3 数字化转型体系 2020年9月,国务院国有资产监督管理委员会正式印发《关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知》,明确国有企业数字化转型的基础、方向、重点和举措,促进国有企业数字化、网络化、智能化发展,增强竞争力、创新力、控制力、影响力、抗风险能力,提升产业基础能力和产业链现代化水平,推动数字经济和实体经济融合发展。 国有企业应将数字化转型作为改造、提升传统动能,培育、发展新动能的重要手段,进一步强化数据驱动、集成创新、合作共赢等数字化转型理念,同时加快推进产业数字化创新,实现产品创新数字化、生产运营制造化、用户服务敏捷化以及产业体系生态化。 美国工业互联网联盟(Industrial Internet Consortium,IIC)在2020年首次发布的《工业数字化转型白皮书》中,针对工业领域,提出工业数字化转型的定义:工业数字化转型是利用物联网改进流程及运营并获得更好的结果,其特点在于IT与OT的融合。 在工业数字化转型中,基于传感器的数据以及由数据驱动的创新性应用,将影响人员、运营、业务以及物理环境,并创造更好的商业成效。《重构:数字化转型的逻辑》一书提出了数字化转型的本质在于数据+算法定义的世界中,以数据的自动流动化解复杂系统的不确定性,优化资源配置效率,构建企业新型竞争优势。 梳理一下其中的脉络,数字化转型将改变企业为客户创造价值的方式,数字化技术将降低业务转型或发展的阻力。智能制造和工业4.0是面向工业的数字化转型战略,要求OT与IT紧密融合,而工业物联网是智能制造和工业4.0的重要使能技术和关键实现路径。 关于作者:胡典钢,资深工业物联网专家,顺丰物联网平台负责人,兼任顺丰集团职业发展评审委员和ZETA联盟工业物联网高级顾问,负责顺丰物联网平台建设及产品化工作。在物联网、边缘计算、工业大数据领域从业10余年,有丰富的实践经验。 本文摘编自《工业物联网:平台架构、关键技术与应用实践》

  • 2022-04-20
  • 回复了主题帖: 二极管的并联

    PowerAnts 发表于 2022-4-20 09:55 面对这种问题,作为乙方,你应该如何回对甲方? 第一步,先简单陈述传统认识; 第二步,提出现实需求 ...
    这个逻辑就很清晰啦。做很多事情的时候都可以按这个思路去走。谢谢分享~~

  • 回复了主题帖: 二极管的并联

    PowerAnts 发表于 2022-4-20 08:50 我们先了解一下应用背景,电子设备对体积和功率密度的要求越来越严,功率器件的并联可以减小系统损耗提高效 ...
    这个糖尿病人吃糖的处理方法是认真的吗? 肯定是要告诉人某些事该怎么做比较好,但是感觉更多时候人的习惯会是不能这么做

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