1、物联网工程布线技术物联网工程布线技术全册配套课件全册配套课件( (一一) )物联网工程布线技术物联网工程布线技术单元一单元一 认识物联网工程认识物联网工程LOREM IPSUM DOLOR011.1 认识物联网工程应用系统1.2 物联网工程关键技术1.3 物联网工程布线关键技术1.4 物联网的发展和应用前景1.5 典型行业应用案例1.6 思考题了解物联网基本概念以及与互联网的关系，物联网工程关键技术和布线技术，比较全面的认识物联网的发展应用和布线技术。1.1认识物联网工程应用系统在互联网、传感网、通信、射频识别等新技术的推动下，一种能够实现人与人、人与机器、人与物、物与物之间直接沟通的物联网（
2、Internet of Things）已经全面深入我们的日常生活，推动社会向前发展。在互联网时代，不仅人与人之间的距离变小了，沟通和交流高效快捷，而且快速改变了人们的生活方式和世界观。在物联网时代，不仅物与物之间的距离变小了，实现了信息自动采集、传输和相互控制，而且再次快速改变我们的生活方式，改变人类对物质世界的认识和管理。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。国际电联曾预测，未来世界是无所不在的物联网世界，到2017年将有7万亿传感器为地球上的70亿人口提供服务。一方面物联网可以用于提高经济效益，大大节约成本，另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟等
3、都在投入巨资，深入研究探索物联网，中国政府高度关注、重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。1.1认识物联网工程应用系统1.1.1物联网工程的相关概念关于物联网的概念和定义，学术界和业界由多种认识和观点，一种概念从物联网与互联网的对比角度认为，物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等信息传感设备，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的另一种概念认为物联网是由具有自我标识、感知和智能的物理实体基于通信技术相
4、互连接形成的网络，这些物理设备可以在无需人工干预的条件下实现协同和互动，为人们提供智慧和集约的服务，具有全面感知、可靠传递、智能处理的特点。根据物联网与互联网的关系分类，不同的专家学者对物联网给出了各自的定义，下面介绍几种目前比较流行的概念和定义。1.1认识物联网工程应用系统1.1.1物联网工程的相关概念1.物联网是传感网有的专家认为，物联网就是传感网，只是给人们生活环境中的物体安装传感器，这些传感器可以更好的帮助人类识别环境，这个传感器网不接入互联网。传感网是把所有物品通过RFID和条码等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的网络。2.物联网是互联网的补充网络 常说的互联网是指
5、人与人之间通过计算机结成的全球性网络，服务于人与人之间的信息交换。而物联网的主体则是各种各样的物品，通过物品间传递信息从而达到最终服务于人的目的。3.物联网是未来的互联网从宏观概念上讲，未来的物联网将使人置身于无所不在的网络之中，在不知不觉中，人可以随时随地与周围的人或物进行信息交换，这时物联网也就等同于泛在网络，或者说未来的互联网。1.1认识物联网工程应用系统1.1.2各种信息网络之间的关系在信息技术行业，目前比较流行的网络概念主要有互联网、物联网、传感网、泛在网等，这些概念和来源不同，内涵既有重叠，重点各不相同，他们之间的关系如图1-1所示。图1-1 传感网、物联网和泛在网的关系1.1认识
6、物联网工程应用系统1.1.2各种信息网络之间的关系1.传感网传感网是由各种传感器（光、电、温度、湿度、压力等）与中低速的近距离无线通信技术构成的一个独立的网络，是由多个具有有线/无线通信与计算能力的低功耗、小体积的微小传感器节点构成的网络系统，简单的理解，可以认为它重点解决局域或小范围的物与物的信息交换，是物联网末端采用的关键计算之一，图1-2为传感器网络树状拓扑图。图1-2 传感器网络树状拓扑图1.1认识物联网工程应用系统1.1.2各种信息网络之间的关系2.物联网广义来讲，物联网是一个未来发展的远景，等同于“未来的互联网”或者“泛在网络”，能够实现在任何时间、地点，使用任何网络的任何人与物的
7、信息交换以及物与物之间的信息交换。狭义来讲，物联网是物品之间通过传感器连接起来的局域网，不论接入互联网与否，都属于物联网的范畴。全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的基本特征，如图1-3所示。 图1-3 物联网的基本特征示意图1.1认识物联网工程应用系统1.1.2各种信息网络之间的关系3.泛在网泛在网是指基于个人和社会的需求，利用现有的网络技术和新的网络技术，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络超强的环境感知、内容感知及其智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。计算机和云计算将是泛在网信息基础设施中重要的技术。图1-4 泛
8、在网业务架构示意图1.1认识物联网工程应用系统1.1.2各种信息网络之间的关系4.各种信息网络之间的关系传感网、物联网、泛在网各有定位，传感网是泛在网和物联网的组成部分，物联网是泛在网发展的物联阶段。通信网、互联网、物联网之间相互协同、融合是泛在网发展的目标。也就是说，通信网、互联网、物联网各自的发展是泛在网初级发展阶段，泛在网的最终目标是各种网络的高度融合和协同。表1-1 各种网络技术特征对比表 特征网络联接主体信息采集信息传输信息处理社会状态物联网人与物，物与物自动数字化，网络化智能化现实传感网 物与物，人与物自动数字化，网络化智能化现实互联网 人与人人工数字化，网络化交换虚拟泛在网 人与
9、人，人与物物与物自动，人工数字化，网络化智能化交换现实，虚拟1.1认识物联网工程应用系统1.1.2各种信息网络之间的关系4.各种信息网络之间的关系图1-5 互联网、物联网、传感网等各种网络连接的架构示意图1.2 物联网工程关键技术IBM对智慧地球的3I描述是“更透彻的感知、更全面的互联和更深入的智能”，对应了物联网感知、传输和应用3个层面。而这3个“更”则对应着3个方面技术的应用和技术的进步：感知技术、传输技术、应用层支撑技术。其中与物联网起源密切相关的两类感知技术为射频识别（RFID）技术和无线传感网（WSN）技术。1.2 物联网工程关键技术1.2.1 物联网架构关键技术物联网可分为三层：感
10、知层、网络层和应用层，如图1-6所示。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，主要功能是识别物体，采集信息。网络层由各种企业和事业单位网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户（包括人、组织和其它系统）的接口。图1-6 物联网感知层、网络层、应用层架构示意图1.2 物联网工程关键技术1.2.2无线传感网关键技术无线传感器网络是一种由独立分布的节点以及网关构成的传感器网络。安放在不同地点的传感器节点不断采集着外界的物理信息，如温度、声音、震动等。相互独立的节点之间通过无线网络进行通信。无线传感器网络的每个节点都能够进行采集，
11、数据的简单处理，还能接收来自其他节点的数据，并最终将数据发送到网关。工程师可以从网关获取数据，查看历史数据记录或进行分析。通常，一个典型的无线传感器网络节点的硬件结构包括：传感器接口、ADC、微处理器、电源以及无线收发装置。 无线传感网必须重点考虑网络选择，拓扑结构，功耗以及兼容性。 1.2 物联网工程关键技术1.2.2无线传感网关键技术1.无线网络的选择 挑选无线网络时，带宽、传输距离以及功耗是三个主要考虑因素。 ZigBee已被证明是最适合用于无线传感器网络的无线技术，它拥有250kbps的带宽，传输距离可达1km以上，并且功耗更小，采用普通AA电池就能够支持设备在高达数年的时间内连续工作
12、。 2.网络协议无线传感器网络一般是由在空间分布的和独立的网络节点组成的。节点包含有传感器来监控节点的物理或环境条件，如温度、声音、震动、压力、运动或污染物等。每个节点通常带有无线电收发器或其他无线设备通信设备以通过网络把传感数据传输给数据库和其他用户。这样，无线传感器网络可以用于数据收集、目标跟踪以及报警监控等。国际电气和电子工程师联合会(IEEE)的1451工作组(IEEE1451)建立了一个智能传感器即插即用(plug-and-play)的标准，使所有符合标准的传感器能和其它仪器和系统一起工作。1.2 物联网工程关键技术1.2.2无线传感网关键技术3.网络拓扑 星形是最简单的网络拓扑结构
13、，每一个节点都拥有一条直接通向网关的通道，然而其传输距离有限。采用树形拓扑能够解决这个问题，添加路由节点后，远处的节点上的数据能够通过路由节点传输到网关。然而树形拓扑仍然存在可靠性的问题，一旦路由节点产生问题，所有由这个节点通向网关的通路将被切断。所以，对于可靠性要求很高的无线网络，建议选择网状拓扑结构。图1-7 传感网常用网络拓扑结构示意图1.2 物联网工程关键技术1.2.2无线传感网关键技术4.系统功耗 无线传感器网络通常被放置在室外，无法进行长距离的布线，这就牵涉到两个问题，一是信号的传输，二是设备的供电。信号传输问题可以通过选择无线网络解决，设备供电问题，则必须考虑外部电源，例如电池或
14、小型发电设备。由于电池所能供应的电量有限，为了满足设备长时间使用的要求，必须严格控制无线传感器网络节点的能耗。所以用户一方面应选用ZigBee技术保证无线收发器的低功耗，同时，在保证处理器性能的前提下，还应选择带有休眠功能并且工作能耗尽可能低的处理器。5.兼容性无线传感器网络能够帮助工程师完成远程数据的采集以及后续数据的分析、显示以及发布等功能。在一些工业应用中，更有可能将无线传感器网络连接到多样的工业现场设备，进行协同工作。在这些情况下，无线传感器网络必须具备良好的兼容性，实现与各种现场设备的快速连接。1.2 物联网工程关键技术1.2.3射频识别关键技术RFID是射频识别技术Radio Fr
15、equency Identification的缩写，射频识别技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术，射频识别技术是一项利用射频信号，通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过所传递的信息进行识别的技术。1.射频识别技术发展历史1940-1950年，雷达的改进和应用催生了射频识别技术。1950-1960年，早期射频识别技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。 1960-1970年，射频识别技术理论得到了发展，开始一些应用尝试。 1970-1980年，射频识别技术与产品研发处于一个大发展时期，各种射频识别技术测试得到加速，出现了一些最早的射频识别应用。 1980-1990
16、年，射频识别技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。 1990-2000年，射频识别技术标准化问题日趋得到重视，射频识别产品得到广泛采用，射频识别产品逐渐成为人们生活中的一部分。 1.2 物联网工程关键技术1.2.3射频识别关键技术2.RFID的组成及工作原理最基本的RFID系统由三部分组成：1）标签(Tag，即射频卡)。由耦合元件及芯片组成，标签含有内置天线，用于和射频天线间进行通信。2）阅读器。读取标签信息的设备，在读写卡中还可以写入。3）天线。在标签和读取器间传递射频信号。有些系统还通过阅读器的RS232或RS485接口与外部计算机(上位机主系统)连接。1.2 物联网工程关键技
17、术1.2.3射频识别关键技术2.RFID的组成及工作原理系统的基本工作流程是，阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活。射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去。系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行动作。图1-8为射频识别系统工作原理图。图1-8 射频识别系统工作原理图1.2 物联网工程关键技术1.2.3射频识别关键技术2.RFID的
18、组成及工作原理所有阅读器都有高频接口和控制单元两个基本模块。高频接口包含发送器和接收器，发送器产生高频发射功率，启动射频卡并提供能量，同时对发射信号进行调制，将数据传送给射频卡。接收器接收和解调来自射频卡的高频信号。不同射频识别系统的高频接口设计具有一些差异，图1-9为电感耦合系统的高频接口原理图阅读器控制单元实现与应用系统软件进行通信，执行软件发来的命令，控制与射频卡的通信过程(主-从原则)，进行信号的编解码。图1-9 电感耦合系统高频接口原理图1.2 物联网工程关键技术1.2.3射频识别关键技术3.射频卡的标准及分类目前生产RFID产品的很多公司都采用自己的标准，国际上还没有统一的标准。可
19、供射频卡使用的几种标准有ISO10536、ISO14443、ISO15693和ISO18OOO。应用最多的是ISO14443和ISO15693，这两个标准都由物理特性、射频功率和信号接口、初始化和反碰撞以及传输协议四部分组成。射频卡有以下几种分类：1）按供电方式分类为有源卡和无源卡。2）按载波频率分类为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。3）按调制方式分类为主动式和被动式。4）按作用距离分类为密耦合卡、近耦合卡、疏耦合卡、远距离卡。5）按芯片分类为只读卡、读写卡和CPU卡。1.2 物联网工程关键技术1.2.4蓝牙技术1.蓝牙技术是一种支持设备间短距离通信的无线电技术蓝牙是一种支持设备短距离通信
20、的无线电技术，一般为10米内。能够实现移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑等众多设备之间进行无线信息交换，采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点、点对多点通信，数据速率为1Mbps，能够实现全双工传输。2.蓝牙故事公元10世纪，北欧诸侯争霸，丹麦国王哈拉尔德挺身而出，制止了血腥的战争，各方都坐到了谈判桌前，通过沟通，诸侯们冰释前嫌，成为朋友。由于丹麦国王酷爱吃蓝梅，以至于牙齿都被染成了蓝色，人称蓝牙（Bluetooth)国王，所以，蓝牙也就成了沟通的代名词。3蓝牙技术的发展1995年，瑞典爱立信公司最先提出蓝牙概念。1998年5月，爱立信、诺基亚、IBM和英特尔经过磋商，联合成立
21、了蓝牙推广集团，加速其开发、推广和应用。此项无线通信技术公布后，得到摩托罗拉、3Com、朗讯、康柏、西门子等大批公司的拥护，许多汽车、相机、家用电器厂商和制造商加盟，蓝牙技术规范得到工业界广泛的关注和支持，并且大量推广和应用。1.2 物联网工程关键技术1.2.4蓝牙技术4.蓝牙关键技术蓝牙技术产品是采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的，其传输速率最高为1Mb/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10米左右，配置功率放大器可以使通信距离进一步增加。 蓝牙产品采用的是跳频技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性。采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干扰，
22、采用FM调制方式，使设备变得更为简单可靠。“蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙，也可以增至5个时隙，“蓝牙”技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。“蓝牙”的每一个话音通道支持64Kbps的同步话音，异步通道支持的最大速率为721Kbps、反向应答速率为57.6Kbps的非对称连接，或者432.6Kbps的对称连接。 蓝牙技术产品与因特网Internet之间的通信，使得家庭和办公室的设备不需要电缆也能够实现互通互联。1.2 物联网工程关键技术1.2.5 云计算关键技术云计算（cloud computing
23、）是一种新兴的计算模型，是分布式计算、并行计算和网络计算的发展。透过网络将庞大的计算处理程序自动分拆成无数个较小的子程序，再交由多个服务器所组成的庞大系统经搜寻和计算分析之后，将处理结果回传给用户。最简单的云计算技术在网络服务中已经随处可见，如搜寻引擎等。1.云平台技术用户不必关心云平台底层的实现。用户使用平台时只需要调用平台提供的接口，就可以在云平台中完成自己的工作。2.虚拟化技术1）服务器虚拟化2）存储虚拟化3）应用虚拟化4）平台虚拟化5）桌面虚拟化1.2 物联网工程关键技术1.2.5 云计算关键技术3.数据存储技术采用分布式存储的方式来存储数据，采用冗余存储的方式来保证存储数据的可靠性，
24、即为同一份数据存储多个副本。目前数据存储技术主要有Google的GFS（Google File System，非开源）以及Hadoop 开发团队开发的HDFS（Hadoop Distributed File System，开源），目前这两种技术已经成为事实标准。云计算的数据存储技术未来的发展将集中在超大规模的数据存储、数据加密和安全性保证以及继续提高I/O速率等方面。4.数据管理技术数据管理技术必须能够高效地管理大数据集。其次，如何在规模巨大的数据中找到特定的数据，也是云计算数据管理技术所必须解决的问题。云计算的特点是对海量的数据存储、读取后进行大量的分析，如何提高数据的更新速率以及进一步提高
25、随机读速率是未来的数据管理技术必须解决的问题。1.2 物联网工程关键技术1.2.5 云计算关键技术5.分布式编程与计算为了使用户能更轻松的享受云计算带来的服务，让用户能利用该编程模型编写简单的程序来实现特定的目的，云计算上的编程模型必须十分简单，必须保证后台复杂的并行执行和任务调度向用户和编程人员透明。当前各IT厂商提出的“云”计划的编程工具，均基于Map-Reduce的编程模型。6.云计算的业务接口为了方便用户业务由传统IT系统向云计算环境的迁移，云计算应对用户提供统一的业务接口。7.云计算相关的安全技术云计算模式带来一系列的安全问题，包括用户隐私的保护、用户数据的备份和云计算基础设施的防护
26、等。云计算中虚拟服务的规模化、集约化和专业化改变了信息资源大量分散于端设备的格局。云计算中心可以实现集约化和专业化的安全服务，改变当前人人都在打补丁、个个都在杀病毒的状况，还可以将备份作为一种服务形式，实现专门的云备份服务等。1.2 物联网工程关键技术1.2.6信息安全关键技术信息安全的内涵在不断地延伸，从最初的信息保密性发展到信息的完整性、可用性、可控性和不可否认性，进而又发展为“攻（攻击）、防（防范）、测（检测）、控（控制）、管（管理）、评（评估）”等多方面的基础理论和实施技术。目前信息网络常用的基础性安全技术包括以下几方面的内容。1身份认证技术用来确定用户或者设备身份的合法性，典型的手段
27、有用户名口令、身份识别、PKI证书和生物认证等。 2加解密技术在传输过程或存储过程中进行信息数据的加解密，典型的加密体制可采用对称加密和非对称加密。3. 边界防护技术防止外部网络用户以非法手段进入内部网络，访问内部资源，保护内部网络操作环境的特殊网络互连设备，典型的设备有防火墙和入侵检测设备。 1.2 物联网工程关键技术1.2.6信息安全关键技术4访问控制技术保证网络资源不被非法使用和访问。访问控制是网络安全防范和保护的主要核心策略，规定了主体对客体访问的限制，并在身份识别的基础上，根据身份对提出资源访问的请求加以权限控制。5主机加固技术对操作系统、数据库等进行漏洞加固和保护，提高系统的抗攻击
28、能力。6安全审计技术包含日志审计和行为审计，通过日志审计协助管理员在受到攻击后察看网络日志，从而评估网络配置的合理性、安全策略的有效性，追溯分析安全攻击轨迹，并能为实时防御提供手段。通过对员工或用户的网络行为审计，确认行为的合规性，确保管理的安全。7检测监控技术对信息网络中的流量或应用内容进行二至七层的检测并适度监管和控制，避免网络流量的滥用、垃圾信息和有害信息的传播。1.3 物联网工程布线关键技术图1-10西元物联网工程布线教学模型1.3 物联网工程布线关键技术智能家居是指利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统，其中包括将家电控制、安全防范、远程抄表、
29、信息服务和可视对讲等功能，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。图1-11为居住区数字系统评价标准中典型的联网楼宇对讲系统的示意图。图1-11 典型的联网楼宇对讲系统的示意图1.3 物联网工程布线关键技术物联网的信息采集、传输和应用都离不开综合布线系统，布线技术也是物联网系统工程的基本技术，更是数字化城市、智能建筑、智能家居的基础设施。既是在各种无线传输系统中，各个基站之间也需要安全可靠的电缆或者光缆布线系统连接。1.3.1光缆布线技术简介可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光
30、缆。光纤由纤芯、包层和涂层组成，内芯一般为几十微米或几微米；中间层称为包层，通过纤芯和包层的折射率不同，从而实现光信号在纤芯内的全反射；涂层的作用就是增加光纤的韧性保护光纤。1966年英籍华人高锟博士发表了一篇划时代性的论文，他提出利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维，能作为通信媒质，开创了光纤通信领域的研究工作。高锟博士因此获得诺贝尔物理学奖。1.3 物联网工程布线关键技术1.3.2 电力线通信技术简介电力线通信（PLC）是指利用电力线本身和输电网或配电网作为介质实现信息高速传输的一种通信技术，应用PLC的主要目的是降低通信网络建设费用和运营成本。通常将电力线通信系统分为两类：窄带PLC提供数
31、据传输速率不超过100kb/s的通信服务，适合于各类自动化和控制应用以及少量的语音信道，宽带PLC系统能够提供2Mb/s以上的数据传输速率，能够同时提供包括电话和因特网接入在内的多种电信服务。目前，很多生产厂家已经能够提供数据传输速率在24Mb/s间的PLC产品，即将发布数据传输速率为45Mb/s或者更高数据传输速率。PLC技术当前正处于一个非常重要的发展阶段，世界各地正在进行着各种各样的PLC现场实验，而且已经有若干个PLC的接入网投入了商业应用，PLC的用户也在不断增加。低压配电网上的宽带PLC技术被认为是解决通信网络“最后一公里”问题的比较经济和便利的技术方案，通常称为PLC接入网络，适
32、用于建筑物和室内设备之间的各种通信。在物联网时代，特别适合小区和智能家居内部人与物和物与物之间的通信。1.3 物联网工程布线关键技术1.3.3现场总线技术现场总线技术是企业和工厂数字通信网络的基础，实现了生产过程现场及控制设备之间和更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统。现场总线设备的工作环境处于过程设备的底层，作为工厂设备级基础通讯网络，要求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的特点，具有一定的时间确定性和较高的实时性要求,还具有网络负载稳定、短帧传送、信息交换频繁等特点。1.3 物联网工程布线关键技术1.3.3现场总线技术1.现场总线
33、控制系统具有如下技术特点：1）系统的开放性各设备之间能够互连并实现信息交换，用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。2）互可操作性与互用性。互可操作性是指互连的设备间和系统间的信息传送与沟通，能够实行点对点，一点对多点的数字通信。互用性则意味着不同生产厂家的设备可进行互换而实现互用。3）现场设备的智能化与功能自治性。它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 1.3 物联网工程布线关键技术1.3.3现场总线技术1.现场总线控制系统具有如下技术特点：4）系统结构的高度分散性。由
34、于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 5）现场环境的适应性。现场总线可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。1.3 物联网工程布线关键技术1.3.3现场总线技术2.现场总线控制系统具有如下优点：1）节省硬件数量与投资由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，
35、也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。2）节省安装费用现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料，可节约安装费用60%以上。 1.3 物联网工程布线关键技术1.3.3现场总线技术2.现场总线控制系统具有如下优点：3
36、）节省维护开销由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 4）用户具有高度的系统集成主动权用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。 5）提高了系统的准确性与可靠性由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与控制的准确度。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表
37、内部功能加强:减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。 1.3 物联网工程布线关键技术1.3.3现场总线技术3.现场总线技术的典型应用简介目前国际上有40多种现场总线，下面为几种比较流行的技术：1）基金会现场总线Foundation Fieldbus,简称FF，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。它以ISO/OSI开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。 2）LonWorks LonWorks采用了ISO/OSI模型的全部七层通
38、讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从300bps至15Mbps不等，直接通信距离可达到2700m(78kbps，双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。 LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。美国消费电子制造商协会已经通过决议，以LonWorks技术为基础制定了EIA-709标准。1.3 物联网工程布线关键技术1.3.3现场总线技术3.现场总线技术的典型应用简介3）PROFIBUSPROFIBUS是作为德国国
39、家标准DIN 19245和欧洲标准prEN 50170的现场总线，适合于加工自动化领域的应用。PROFIBUS支持主从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。按PROFIBUS的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向进行传递。主站在得到控制权时，可以按主从方式，向从站发送或索取信息，实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播 （不要求应答）或有选择地向一组站点广播。 PROFIBUS的传输速率为9612kbps最大传输距离在12kbps时为1000m，15Mbps时为400m，可用中继器延长至10km。其传输介质可以是双绞线，也可以是
40、光缆。1.3 物联网工程布线关键技术1.3.3现场总线技术3.现场总线技术的典型应用简介4）CAN CAN是控制网络Control Area Network的简称，最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准，得到了Motorola、Intel、Siemens等公司的支持，广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达1Mbps/40m，可挂接设备最多可达110个。 CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干
41、扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。5）RS485 尽管RS485不能称为现场总线，但是作为现场总线的鼻祖，还有许多设备继续沿用这种通讯协议。1.4 物联网的发展和应用前景1.4.1智慧地球介绍2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧城市基础设施。1.智慧地球新的世界运行模式在这次金融危机暴发之前，IBM已经看到了当代世界体系的一个根本矛盾，即一个新的全球
42、化的世界与落后的世界管理模式之间的矛盾。智慧地球则从一个总体产业或社会生态系统出发，充分发挥先进信息技术的潜力，以推动整个产业和整个公共服务领域的变革，形成新的世界运行模式。2新的信息产业革命推进世界智慧化进程全球面临着各种危机，但幸运的是，有一股新的力量正在兴起，赋予人们能力去越来越智慧地解决这些问题。人类历史上第一次出现了几乎任何系统都可以实现数字化和互联。1.4 物联网的发展和应用前景1.4.1智慧地球介绍3IBM真正的意图是推出各种“智慧”解决方案内容包括智慧能源系统、智慧金融和保险系统、智慧交通系统、智慧零售系统、智慧食品系统、智慧医疗保健系统等。在此基础上，人类可以以更加精细和动态
43、的方式管理生产及生活，达到“智慧”状态，极大地提高资源利用率和生产力水平，以应对经济危机、能源危机、环境危机，从而打造一个“智慧的地球”。4智慧的整体技术它是物联网的基础技术。主要包括以下三个方面：1）各种感应技术嵌入各种物体并不断数字化。2）人和数据与各种事物以不同方式联入网络。3）先进的“云”计算技术和超级计算机可以对海量数据进行整理分析，帮助人们做出正确的行动决策。5“云计算”技术的运用“云”计算将所有的计算资源集中起来，并由软件实现自动管理，无需人为参与。这使得应用提供者无需为繁琐的细节而烦恼，专注于自己的业务，有利于创新和降低成本。1.4 物联网的发展和应用前景1.4.2“感知中国”
44、介绍1.温家宝总理的期望温总理视察了中科院无锡传感网工程技术研发中心，提出尽快建立中国的传感信息中心，并形象地称为“感知中国”中心。2早一点谋划未来当计算机和互联网产业大规模发展时，我们因为没有掌握核心技术而走过一些弯路。在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术，特别是与我国自主知识产权的TDSCDMA技术相融合。3列为国家战略性新产业“让科技引领中国可持续发展”讲话中，强调了“科学选择新兴战略性产业非常重要，选对了就能跨越发展，选错了将会贻误时机”。其中指出，要着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的“发动机”
45、。4建设“感知中国”中心无锡建设的“感知中国”中心，将使无锡成为中国乃至世界上传感信息技术的创新高地、人才高地和产业高地，从而带动整个中国，乃至全球的传感产业的发展、应用和技术上的创新，准备把无锡打造成个传感网示范城市。1.5 典型行业应用案例物联网在智能电网中的应用1.5.1发电环节引导电源集约化发展，强化网厂协调，提高电网安全运行水平。物联网技术的应用可以提高常规能源机组的状态监测水平，结合电网运行情况实行快速调节和深度调峰，从而提高机组运行的稳定控制水平。在常规机组内部布置传感器监测点有助于深入了解机组的运行情况，包括各种技术指标和参数，并和其他主要设备之间建立有机互动，能够有效地推进电
46、源的信息化、自动化和互动化。新能源的功率输出呈现很强的随机性、间歇性和波动性。利用物联网技术可以检测其稳态特性和动态特性，建立该能源的实时检测和预测系统，进而控制使其符合电网要求。物联网技术还可对发电机组进行控制，利用部署在机组上的各种传感器，如测速仪、热敏电阻、振动加速度传感器等采集信息，通过GPRS或专线网传输至应用控制系统的监控主机，对机组进行控制。1.5 典型行业应用案例1.5.2输变电环节利用物联网技术对输电设施进行监测，具体包括：（1）输电线路覆冰在线监测（2）输电线路导线微风振动监测（3）输电线路导线舞动监测（4）输电线路杆塔倾斜监测（5）输电线路导线稳定监测与动态增容在线路、杆
47、塔等设施上部署地理震动、倾斜角度、防盗螺栓等传感器，通过信息综合分析和后台一体化管理平台，共同完成防护区施工作业监控、杆塔状态监控、偷盗防护等功能，能够有效提高抵御自然灾害及人为破坏对电网安全运行的影响。基于物联网技术的变电站现场作业管理系统，主要用于实现确认对象状态，匹配工作程序和记录操作过程的功能，减少误操作风险和安全隐患，真正实现调度指挥中心与现场作业人员的实时互动。1.5 典型行业应用案例1.5.3配电环节将物联网技术应用在配电环节构建智能配电网的目标是建成高效、灵活、合理的配电网络，使其具备灵活重构、潮流优化和可再生能源接纳能力，在紧急状况时支撑主网安全稳定运行，也能实现集中/分散储
48、能装置及分布式电源的兼容接入与统一控制，并显著提高供电可靠性和电能质量。目前该方面的应用尚处于研究之中，只有配电设备的检测和巡检方面相对成熟。1.5.4 用电环节物联网技术在智能用电环节拥有广泛的应用空间，主要有：智能量测和用电信息采集、智能用电交互服务、绿色数据中心与智能机房、能效监测与管理和电力需求管理等。通过有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，不仅提高了电力系统信息化水平，而且改善了现有电力系统基础设施的利用效率。1.6 思考题（1）本章介绍的物联网关键技术包括哪些？（2）云计算的关键技术包括哪几个方面？（3）信息安全关键技术包括哪几方面的内容？物联网工程布线技术王公儒 主编
49、单元二 物联网工程布线 常用标准2.1 标准的重要性和类别2.2 物联网标准的现状与发展2.3 信息技术 住宅通用布缆国家标准2.4 中国居住区数字系统测评标准国家标准介绍2.5综合布线标准的发展与现状2.6 GB50311-2007综合布线系统工程设计规范国家标准简介2.7 GB 50312-2007综合布线系统工程验收规范国家标准简介2.8 数据中心布线系统设计与施工技术白皮书2.9 中国屏蔽布线系统设计与施工检测技术白皮书2.10 中国光纤配线系统设计与施工技术白皮书2.11 中国综合布线系统管理与运行维护技术白皮书2.12 典型行业应用案例2.13 思考题掌握GB50311综合布线系统
50、工程设计规范和GB50312综合布线系统工程验收规范两个中国国家标准的主要内容。工程设计是物联网、智能建筑和数字化城市建设和发展的重要组成部分，工程设计直接影响各种物联网系统和建筑物的使用功能，也直接影响工程总造价和工程质量。因此，在实际工程项目设计中，设计人员必须依据相关国家标准和地方标准等进行设计，而不是按照教科书或者理论知识设计。丰富的设计经验不仅能够保障物联网系统和智能建筑的使用功能，也能提高建筑物的智能化应用水平和管理水平，还能够提高设计速度和效率。工程图纸等设计文件中使用的名词术语和图形符号，必须按照相关标准和设计图册规定进行，使用标准或者行业规范统一的图形符号。设计图纸和技术文件
