計算機硬件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)通信中的應(yīng)用與研究

2022-08-03 02:32:30張艷，冀慧

通信電源技術(shù) 2022年6期

張艷，冀慧

（內(nèi)蒙古自治區(qū)郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010070）

0 引言

全球科技高速發(fā)展的今天，射頻識別技術(shù)、無線技術(shù)、無線傳感技術(shù)以及智能嵌入技術(shù)有效實現(xiàn)了信息化、智能化的人物互聯(lián)和物物互聯(lián)，推動了物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）技術(shù)的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)通信是全球經(jīng)濟發(fā)展的產(chǎn)物，它能有效推動工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市交通、物流運行等生產(chǎn)生活設(shè)施的智能化管理，加快現(xiàn)代城市化建設(shè)的進程。計算機硬件是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)，硬件設(shè)備的好壞直接決定了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展水平。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的媒介，全國互聯(lián)、全球互聯(lián)的發(fā)展目標必須要有高速有效的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)才能實現(xiàn)[1]。兩者結(jié)合對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有重要意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)通信中計算機硬件的應(yīng)用

計算機硬件是物聯(lián)網(wǎng)通信中的基礎(chǔ)，物理識別技術(shù)、無線傳感器能實現(xiàn)物品數(shù)據(jù)的采集和傳輸。物聯(lián)網(wǎng)在物理識別中的設(shè)備包括電子掃描儀、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）等。射頻識別其實就是無線電頻率識別，它可以將識別后的物理信息進行有效存放，通常是利用電子數(shù)據(jù)載體來實現(xiàn)。電子數(shù)據(jù)載體的數(shù)據(jù)信息可用專業(yè)閱讀器無線讀取梳理，充分實現(xiàn)信息的智能化讀取和處理。隨著科技發(fā)展，由RFID發(fā)展的自動識別技術(shù)已經(jīng)趨向成熟，并廣泛應(yīng)用在日常生活中，如條形碼、接觸式公交卡、面部識別、聲紋識別、光學(xué)字符識別等，另外在公共票務(wù)系統(tǒng)、交通協(xié)管、藥品溯源、自動化生產(chǎn)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有極大的經(jīng)濟增長空間[2]。

無線傳感器被稱為物聯(lián)網(wǎng)的末梢神經(jīng)，它能將物理世界的信息數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)進行傳送和交換，實現(xiàn)智能化的控制管理。傳感器類似于人體的感知神經(jīng)，能將接觸到的物品轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信息，以滿足信息傳送、處理以及管理的要求，而且延展性強，能檢測到人的五官不能感覺到的信息，同時具備極強的適應(yīng)性，能在極其惡劣的環(huán)境下工作，包括高溫環(huán)境、高寒環(huán)境、高壓環(huán)境以及核輻射環(huán)境等，在各種極端條件下都能完成工作且具有靈敏度高、精度高、可靠性好等特性。

傳感器操作是由終端傳感器完成數(shù)據(jù)采集處理，再通過網(wǎng)關(guān)傳感器完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)交換。終端傳感器主要由電源、顯示、感知、天線以及時鐘等模塊組成，網(wǎng)關(guān)傳感器除不需要采集物理信息，不具備感知模塊外，其余結(jié)構(gòu)與終端傳感器相似，能連接不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物理層面或者邏輯層面上的網(wǎng)絡(luò)獨立連接。在一個大型計算機網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)傳感器促進協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的控制作用，實現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳送。面對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同并且物理層面不存在聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)體系，也可以選擇網(wǎng)關(guān)傳感器進行連接。網(wǎng)關(guān)互聯(lián)不僅在廣域網(wǎng)中應(yīng)用，還可以在局域網(wǎng)中應(yīng)用，互聯(lián)應(yīng)用范圍較廣[3]。傳感器感知結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器感知結(jié)構(gòu)

2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)通信中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)能將各種信息設(shè)備連接起來實現(xiàn)信息資源共享。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)承擔著數(shù)據(jù)運輸?shù)闹厝危涞匚慌e足輕重，主要包括ZigBee技術(shù)、分時長期演進（Time Division Long Term Evolution，TD-LTE）技術(shù)以及無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

ZigBee是由網(wǎng)絡(luò)、傳感器、通信協(xié)議組合而成的無線個域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它的集成芯片上安裝了多信道通信設(shè)備和8位微處理器，通過電阻、晶振、A/D、D/A等接口與電路實現(xiàn)智能節(jié)點控制[4]。ZigBee具有微功耗、復(fù)雜度低、價格低、組網(wǎng)靈活的優(yōu)點，獨立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納256個節(jié)點，節(jié)點與節(jié)點之間的互連一般由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器連接實現(xiàn)，且在傳感網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣泛。ZigBee還可以利用網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)器自動建立網(wǎng)絡(luò)，同樣迎合自配置、自建立網(wǎng)絡(luò)的需要。信息數(shù)據(jù)安全管理上，經(jīng)過循環(huán)冗余數(shù)據(jù)完整校驗，多級數(shù)據(jù)信息安全處理，傳輸中利用AES-128準確保護信息數(shù)據(jù)安全。在城市化高度發(fā)展的今天，交通工具的激增，道路擁擠問題的突出，都促進了城市化公共交通的迅速發(fā)展。智能交通系統(tǒng)在公交、地鐵、輕軌運營中應(yīng)用廣泛。ZigBee作為一種微功耗、復(fù)雜度低的無線通信技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于智能交通票務(wù)系統(tǒng)，而隨著技術(shù)的發(fā)展，智能家具、智能電子設(shè)備也逐步運用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[5]。

TD-LTE是擁有100 Mb/s下載能力的4G主流技術(shù)，能有效實現(xiàn)高數(shù)據(jù)率、低時延的通信要求，頻譜帶寬支持可變帶寬，頻譜范圍為1.25～20 MHz，帶寬配置上靈活高效[6]。下行峰值速率達到了100 Mb/s，上行峰值速率達到了50 Mb/s，頻譜利用率為高速分組接入（High-Speed Packet Access，HSPA）的2～4倍，極大地提高了用戶平均吞吐量，不僅提高了居民生活小區(qū)的傳輸速率，還增強了多媒體廣播和組播業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率。實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)電話的語音通信，降低了建網(wǎng)成本和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成本；內(nèi)部延遲控制在5 ms內(nèi)，睡眠到激活時間控制在50 ms內(nèi)，待機到數(shù)據(jù)傳輸時間控制在100 ms內(nèi)。有效實現(xiàn)了在復(fù)雜終端下降低成本并延長待機時間，用戶反饋良好。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于企業(yè)綜合業(yè)務(wù)與家庭業(yè)務(wù)，包括多媒體視頻、移動商務(wù)、網(wǎng)真、視頻監(jiān)控、多媒體語音電話等。先進的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能驅(qū)動物聯(lián)網(wǎng)通信的快速發(fā)展，實現(xiàn)各種電子產(chǎn)品設(shè)備之間的無線互聯(lián)。

網(wǎng)絡(luò)連接器連接了有線局域網(wǎng)與無線局域網(wǎng)，其中有線局域網(wǎng)絡(luò)和廣域網(wǎng)絡(luò)的資源都可以通過連接器分享到每一個裝有無線網(wǎng)卡的PC，這就相當于一個具有無線發(fā)射作用的集線器發(fā)射信號，信號通過傳輸被裝有無線網(wǎng)卡的客戶端所捕捉接收[7]。WiFi不同于傳統(tǒng)網(wǎng)線直線輸出，其傳輸范圍呈輻射狀，在空曠無障礙情況下最遠可傳播300 m，如果遇到障礙則可能會縮短到100 m，此傳輸協(xié)議在日常生活中應(yīng)用最為廣泛，與傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)相比，優(yōu)點更加突出[8]。

（1）不需要布置傳統(tǒng)網(wǎng)線。WiFi不受傳統(tǒng)有限網(wǎng)線布置條件的限制，適用于各種移動辦公用戶和家居生活，在醫(yī)療保健、網(wǎng)絡(luò)教育、庫房控制以及酒店服務(wù)等行業(yè)中也具備極高的應(yīng)用價值。（2）輻射小。新型WiFi的發(fā)射功率一般不可超過100 mW，在實際生活運用中發(fā)射功率僅為60～70 mW，是傳統(tǒng)手機的1/3，且沒有與人們長時間保持近距離接觸，因此是相對健康安全的。（3）WiFi組裝簡單。無線局域網(wǎng)絡(luò)的組成僅包括無線網(wǎng)卡、接入點（Access Point，AP），組件結(jié)構(gòu)簡單，網(wǎng)絡(luò)架設(shè)和組建復(fù)雜程度遠低于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。（4）工作距離加長。常見的WiFi工作范圍相對較小，但是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完善健全的情況下，新型號WiFi的實際工作范圍可以超過100 m，還能有效解決數(shù)據(jù)因高速移動造成的錯誤問題，具有極高的應(yīng)用前景。

近幾年來，無線AP增長速度迅猛，數(shù)量急劇增加，方便高效的WiFi一經(jīng)面世就迅速得到了人們的認可并廣泛普及[9]。公共WiFi的出現(xiàn)更是將無線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展推向另一個高度。未來WiFi發(fā)展會補充高速有線接入技術(shù)，提高WiFi性能，讓其數(shù)據(jù)速率飛速提升，同時還會補充蜂窩機動通信進行完善融合。

3 物聯(lián)網(wǎng)通信的市場機遇分析

機器與機器（Machine to Machine，M2M）應(yīng)用是目前物聯(lián)網(wǎng)通信最重要的市場機遇，市場規(guī)模巨大，在電力、交通協(xié)管、智能家具、安防系統(tǒng)、物流運營、金融以及新能源汽車行業(yè)上都有極高的應(yīng)用前景。這些行業(yè)客戶的核心利益部分就是自主運營，M2M網(wǎng)關(guān)和模組能通過IP化承載網(wǎng)絡(luò)、光纖寬帶接入實現(xiàn)人類、計算機以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的智能化交互。視頻監(jiān)控應(yīng)用是另一個重要的市場機遇。我國視頻監(jiān)控應(yīng)用規(guī)模在2007年開始呈現(xiàn)出極大的發(fā)展趨勢，2010年已同比增長了約43%，到2020年我國視頻監(jiān)控市場已達到102億美元，發(fā)展勢頭極盛。監(jiān)控視頻應(yīng)用的發(fā)展趨勢也從行業(yè)應(yīng)用向公共服務(wù)和個人市場延伸，不僅應(yīng)用在政務(wù)系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)、石油等行業(yè)，還包括家庭監(jiān)控、汽車監(jiān)控等日常應(yīng)用[10]。物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)可以融入生產(chǎn)生活的方方面面，將推動智能化城市的建設(shè)，惠及百姓生活。

物聯(lián)網(wǎng)通信的發(fā)展機遇無不昭示著其強大的應(yīng)用前景。計算機硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要依據(jù)，在科技高速發(fā)展的今天，計算機硬件和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開發(fā)與研究同樣重要。RFID技術(shù)市場空間樂觀，應(yīng)及早掌握先進技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品化，占據(jù)RFID應(yīng)用市場份額。當前物聯(lián)網(wǎng)及技術(shù)突破的主要方向是傳感網(wǎng)，它決定了未來物聯(lián)網(wǎng)采集整理物理信息的形式。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展要具備前瞻性，網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)和計算算法要向發(fā)達國家看齊，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展注入足夠的動力。

4 結(jié) 論