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物联网应用感知层是如何获取数据的?

物联网应用感知层是如何获取数据的?

2022-06-27

作者:yunzhimeng

目前,世界公认的物联网应用层次机构可以分为感知层、网络层以及应用层。其中,感知层是基础层,也是物联网应用数据信息的重要来源层。作为物联网应用的核心层级,感知层始终围绕“感知”二字,通过各种传感器遍布各个物体,形成感知节点群,利用RFID系统获取物体的状态信息和外部环境信息,并通过传感网络实现数据信息的初步处理和交互传输。

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  那么,具体来说,物联网应用感知层是如何获取数据的呢?

  物联网应用的感应层可以覆盖到与人们生活息息相关的各种物品上,比如商品货物、机械设备、物流部件、仓储物品等。通过物联网应用感知层,一方面可以检测到这些物品,并对这些物品的状态和所处环境的信息进行实时监控;另一方面又能将这些物品相互连接,形成一个可以交互数据信息的整体,实现对这些物品的自动管理。

  具体来说,人们要在物品上安装或嵌入无线感知设备,这种设备相当于一种监控设备,但却比监控设备的功能更强。每一个物品上都张贴着一个独一无二的标签,它是物体的身份证明,与物品形影相随、永不分离,通过无线传感网络(WSN)及GPS等定位系统,就能确定这个物品的位置信息、实时状态信息以及外部环境信息等。在这个监测的过程中,需要用大量的传感器节点、无线通信方式等形成一个传感网络系统,这个传感网络系统具有多跳性、自组织性、全面性、自发性等多种优良特性。当无线传感网络在世界范围内建立完成后,人类将可能实现对世界万物的完全掌控。感知层可以帮助人们自动感知物体,自动采集物体信息,自动处理物体相关数据,让众多的数据量化、统一化、大数据化,既能实现数据的融合处理,又能实现数据的高效传输和应用。

  概括来说,物联网应用感知层的架构由射频识别系统(RFID)和无线传感网络(WSN)共同构成,射频识别系统(RFID)的主要作用在于识别物体,实现对目标物体的标识,从而便于对物体的有效管理。但是射频识别系统(RFID)并不完美,利用该系统只能在有限的距离内进行物品信息读写,并且该系统的抗干扰能力较差,成本较高。而无线传感网络(WSN)的作用重点在于组织网络,实现对数据的高效、可靠传输,虽然它不具备节点识别功能,但是其结构相对简单,成本较低,所以更容易实施部署。而如果将射频识别系统与无线传感网络结合使用,它们便可优势互补,协同合作,共同推进物联网应用的发展和应用。

  高效、可靠地获取物品数据信息,需要以感知层为基础,全面优化RFID网络的拓扑结构。感知层的大量数据主要来源于射频识别系统(RFID),目前,射频识别系统(RFID)在商品生产、商品运输、公共交通、公共基础设施等领域的应用比较广泛。在商品运输方面,利用该技术可以完善生产链;在商品运输方面,人们利用该技术可以跟踪和追查商品的去向;在公共交通方面,利用该技术可以实时监控来往车辆;在公共基础设施方面,利用该技术可以确保公共施设安全,一旦损坏,就可以及时报警。

  射频识别系统(RFID)的建立成本一般比较高,因此,在建立该系统前就要有一个完美的规划。首先,要明确建立该系统的基础目标,即建立RFID读写器网络,而要建立这个网络需要从两个方面着手:一是网络拓扑结构设计,二是网络的合成和实现。在此过程中,还需要考虑多种因素,比如网络的覆盖范围、抗干扰能力、电子标签的覆盖密度、设计成本等。可以看出,要实现这些功能和目标势必会与网络成本预算产生冲突,而要避免这种冲突,一方面要解决搜索空间的问题,另一方面要考虑非线性优化的问题。通常来说,在设置射频识别系统的无源标签时,要从以下几个方面考虑:

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  (1)阅读区域重叠

  当阅读区域重叠时,对应的标签才能被正常检测,但在阅读区域重叠的同时,标签检测也可能会受到其他阅读器的干扰,这样一来,识别数据就会在阅读区域产生激烈的碰撞。为了尽量避免这种碰撞,需要利用验收阈值对重叠区域进行整体测量。这个测量的过程涉及到两个概念,分别是CRatio和CArea。CRatio是覆盖率,每个阅读器所允许的重叠量都是有严格规定的,这种阅读器允许的重叠量就是所谓的覆盖率(CRatio)。另外,候选阅读方式的总覆盖面积可以用CArea表示。

  (2)丢弃无用阅读器

  并不是所有的阅读器在特定的重叠区域内都是有必要的,一些无用的阅读器虽然同样满足重叠区域的参数布局,但它们可能并不覆盖任何标签,因此,为了减少系统负担,在设计时要将这些无用阅读器舍弃。在这个优化过程中,尽量减少无用阅读器是重要的研究课题。

  (3)覆盖标签的数量

  部署射频识别系统的主要目标是检测并获取所有标签的物理地址,而破译地址的前提是覆盖标签,这就需要在实际的应用中考虑以下三种情况:第一种情况是将一个均匀的概率分布与所探测的标签结果进行相互关联;第二种情况是将圆形区域中心在阅读区域内进行定义,定义的依据是探测标签的变量概率,按照经验,其探测概率为90%;第三章情况与第二种情况类似,只在经验探测概率上有所差别,其经验探测概率为10%。

  (4)设置零冗余阅读器

  设置和部署区域外的阅读器需要通过大量的方案进行整体评估,而评估的关键点在于限制待覆盖区域的阅读器。这是因为,既定边界内的阅读器数量一旦超标,就会产生冗余,而阅读器冗余容易影响整体设计方案。当多个阅读器覆盖一个相同的标签时,多出来的阅读器就是冗余阅读器,冗余阅读器会产生无用的操作和不必要的费用。而解决这一问题的首要步骤是通过技术手段测量出冗余的阅读器,具体做法是通过相关实验,先观察和分析每一个阅读器探测到的所有标签集合,然后利用计数时间确定冗余阅读器,最后实现阅读器零冗余。

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  射频识别网络是物联网应用海量数据的重要来源之一,而阅读器是读取数据信息的关键器件,如何有效地放置和部署阅读器,将影响着物联网应用数据的有效获取。在阅读器获取物品信息的过程中,需要尽可能地考虑让一个阅读器读取多个标签的信息,同时,还要避免这些信息在由阅读器读取的过程中产生不必要的冲突。根据以上四个方面的总结分析,合理优化设计RFID网络的拓扑结构,将在阅读器获取信息时极大地减少信息冲突,从而更高效、高质地获取物品数据。

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