建筑物聯網工程綜合實訓第1章物聯網技術導論1.1物聯網定義物聯網（InternetofThings，縮寫IoT）是繼計算機、互聯網之后新一代的信息通信技術。關于物聯網的初步概念目前比較受到認可的說法是在1999年來自于麻省理工學院Auto-ID實驗室的KevinAshton教授最早闡釋了“物聯網”的基本內涵。而我國對于物聯網的定義可以參考2010年溫家寶總理在第十一屆全國人民代表大會第三次會議上所做的政府工作報告注釋：“物聯網是指通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。它是在互聯網基礎上的延伸和擴展的網絡。”互聯網和物聯網互聯網的出現方便了“人與人”之間的信息交流與溝通問題，那么物聯網就是在互聯網的基礎上進一步地方便了“人與物”、“物與物”之間的信息交流與溝通問題。第1章物聯網技術導論1.1物聯網定義美國為了將所有的物品與網絡連接在一起從而方便識別和管理，將各種傳感設備（如：射頻識別設備、紅外傳感設備、全球定位系統等）與互聯網結合起來形成一個巨大的網絡。歐盟將目前互聯的計算機網絡拓展到互聯的物品網絡。國際電信聯盟物聯網主要解決物與物、人與人、人與物之間的互連。任何時間、任何地點，我們都能與任何東西相連。表1-1美國、歐盟和國際電信聯盟對物聯網的定義1.2物聯網技術架構就物聯網使用技術方面而言，物聯網使用的關鍵技術一般包括了感知識別技術、信息傳輸技術與信息處理技術，在此基礎上對物聯網進行分層即可大致分為：感知層、網絡層與應用層（圖1-1）第1章物聯網技術導論圖1-1物聯網典型技術架構圖第1章物聯網技術導論1.2物聯網技術架構感知層感知層是整個物聯網的底層與基礎，是溝通物聯網系統與現實物理世界的橋梁。感知層主要負責了兩項工作，即對現實世界的物體識別與對現實世界物體的數據進行采集。整個物聯網系統中的數據可以說基本都是來自于物聯網的感知層。感知層所包含的設備大致可以分成兩類，即自動感知設備與人工信息生成設備，自動感知設備包括了各種傳感器（二氧化碳傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光照條件傳感器等）、監控攝像頭、RFID標簽及讀寫器、智能家用電器等，而人工信息生成設備則主要包括了智能手機、PDA、個人計算機等。第1章物聯網技術導論1.2物聯網技術架構網絡層網絡層在物聯網系統中起到了傳輸、連接的作用，網絡層將物聯網系統中的感知層與應用層連接到了一起，負責將感知層獲取到的數據信息傳遞到應用層。其內部主要包括了各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網和網絡管理系統等。網絡層分為物接入互聯網、互聯網傳輸兩部分，其中物接入物聯網方法主要有以下幾種：以太網/光纖、串口通訊、ZigBee、WIFI、Bluetooth（藍牙）、LORA、NB-LOT、4G/5G；互聯網傳輸主流協議包括TCP、HTTP、MQTT、CoAP等。第1章物聯網技術導論1.2物聯網技術架構應用層應用層主要由各種應用服務器組成（包括數據庫服務器），主要負責了對通過感知層采集后經由網絡層傳輸過來的各種數據進行管理和處理，最終輔助使用對象對應用業務內容進行分析與決策。同時，應用層也會負責對感知層各種識別感知設備的遠端數據更新與云臺操作。公共技術層公共技術層包括標識與解析、安全、網絡管理和服務質量（QoS）管理等技術，它們被同時應用在物聯網的感知層、網絡層和應用層。第1章物聯網技術導論1.3物聯網發展歷程1991年——“特洛伊咖啡壺服務器”1995年——微軟公司的創始者比爾·蓋茨在其撰寫的《未來之路》的大膽地構想。我國的物聯網行業發展最早受到廣泛重視始于2009年，時任國務院總理溫家寶到無錫視察時高度肯定了物聯網技術的研究發展，并提出在無錫高新區建設“感知中國中心”，由此拉開了中國物聯網發展的序幕。2010年，我國國務院發表題名為《國務院關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》，同年我國又有《中共中央關于制定經濟社會發展第十二個五年規劃的建議》文件，兩份文件標志著我國政府已經將物聯網作為當前世界新一輪經濟和科技發展的戰略制高點，并認為發展物聯網對于促進經濟發展和社會進步具有重要的現實意義。第1章物聯網技術導論1.3物聯網發展歷程圖1-2物聯網市場規模發展情況第1章物聯網技術導論1.3物聯網發展歷程目前中國物聯網四大聚集區包括環渤海地區、長三角地區、珠三角地區和中西部地區。1、環渤海地區環渤海地區以北京-天津為核心，是國內物聯網產業重要的研發、設計、設備制造及系統集成基地。環渤海地區關鍵支撐技術研發實力強勁，感知節點產業化應用與普及程度較高，網絡傳輸方式多樣化，綜合化平臺建設迅速，物聯網應用廣泛。2、長三角地區長三角地區以上海-無錫為核心，是我國物聯網技術和應用的起源地，在發展物聯網產業領域擁有得天獨厚的先發優勢。長三角地區電子信息產業基礎深厚，物聯網發展定位產業鏈高端環節，從物聯網硬件核心產品和技術核心兩個環節入手，形成產業核心和行業龍頭集聚地。第1章物聯網技術導論1.3物聯網發展歷程3、珠三角地區珠三角地區以深圳-廣州為核心，是國內電子整機的重要生產基地。珠三角地區圍繞物聯網設備制造、軟件及系統集成、網絡運營服務，以及應用示范領域，重點進行核心關鍵技術突破與創新能力建設，著眼于物聯網基礎設施建設、城市管理信息化水平提升及農村信息技術應用等方面。4、中西部地區中西部地區以重慶-成都為核心，產業發展迅速。中西部地區各重點省市結合自身優勢，布局物聯網產業，湖北、四川、陜西、重慶、云南等地依托其在科教、人力、產業資源，構建完整的物聯網產業鏈和產業體系，重點培育物聯網龍頭企業，大力推廣示范工程。第1章物聯網技術導論1.4物聯網的應用場景第1章物聯網技術導論1.4物聯網的應用場景物聯網雖然前景廣泛，也受到了國家的大力政策扶持，但我國物聯網行業發展目前還存在著許多不足之處，其中包括：缺乏關鍵技術、競爭力薄弱；缺乏統一有力的產業生態與標準規范；產業的商業模式依然不夠成熟清晰；安全技術水平不足等。為順應時代發展潮流、抓住時代發展機遇，同時響應國家培養新時代復合型人才的相關號召，培養物聯網產業人才，為相關專業學生提供物聯網實訓的必要性日益突出。習題與思考題1. 請簡述物聯網的定義。2. 物聯網的技術架構組成是什么？各部分的功能是什么？3. 物聯網在生產生活中的應用有哪些？第2章物聯網領域的關鍵技術2.1感知識別技術感知層技術作為物聯網的基礎，其作用是采集物理世界中各種類型的數據，實現信息的感知和識別，主要包括傳感器技術、識別技術和定位技術。2.1.1傳感器技術1.傳感器的發展歷程（1）第一代傳感器—結構型傳感器第一代傳感器是誕生于20世紀50年代的結構型傳感器。它利用結構參量變化來感受和轉化信號，例如電阻應變傳感器，它是利用金屬材料發生彈性形變時電阻的變化來轉化電信號的（圖2-1）圖2?1第一代傳感器（電阻應變傳感器）圖2?2第二代傳感器（紅外線溫度傳感器）第2章物聯網領域的關鍵技術2.1感知識別技術（2）第二代傳感器—固體型傳感器第二代傳感器是固體型傳感器。這種傳感器由半導體、電介質、磁性材料等固體元件構成，如能夠進行聲音感應、光感應和觸屏的傳感器、雷達設備、紅外線傳感器（圖2-2）（3）第三代傳感器—智能傳感器智能傳感器是利用嵌入式技術將傳感器與微處理器集成在一起，具有環境感知、數據處理、智能控制與通信功能的智能終端設備（圖2-3）其具有自學習、自診斷、自補償能力，復合感知能力及靈活的通信能力。智能傳感器在感知物理世界的時候反饋給物聯網系統的數據更準確、更全面，可達到精確感知的目的。第2章物聯網領域的關鍵技術2.1感知識別技術2.常見傳感器（1）熱敏傳感器熱敏傳感器是目前應用較為廣泛地一種傳統傳感器，通過利用傳感器的元件性能會隨著環境溫度變化而發生變化的原理來進行工作（如熱電效應等）。熱敏傳感器主要應用在溫度測量方面，有測量范圍廣、測量精度高、結構簡單的優點。目前市面上用的比較多的熱敏傳感器主要有熱電偶傳感器、熱電阻傳感器等。（2）光敏傳感器光敏傳感器也稱光電式傳感器或光電器件，是一種基于光電效應制成的傳感器。其主要工作原理是將待測量的量變化轉化為光量的變化，進而通過光敏元件轉化為電量的變化。常見的光敏傳感器主要有光電池、光電管、光敏電阻等。第2章物聯網領域的關鍵技術2.1感知識別技術（3）第三代傳感器—智能傳感器智能傳感器是利用嵌入式技術將傳感器與微處理器集成在一起，具有環境感知、數據處理、智能控制與通信功能的智能終端設備（圖2-3）其具有自學習、自診斷、自補償能力，復合感知能力及靈活的通信能力。智能傳感器在感知物理世界的時候反饋給物聯網系統的數據更準確、更全面，可達到精確感知的目的。圖2-3第三代傳感器（智能傳感器）（4）磁敏傳感器磁敏傳感器是一種主要借助霍爾效應、磁阻效應或電磁感應定律來將待測物體由運動等因素發生的磁物理量的變化轉化為電物理量變化的傳感器。磁敏傳感器主要應用于待測物體的電磁場、角速度、加速度、振動等方面。磁敏傳感器具有對環境溫度較為敏感、結構相對較為簡單等特點。2.1感知識別技術3.傳感器技術在智能建造中的應用以智慧工地為例，施工現場的傳感器主要用于采集施工現場環境信息、構件的性能、設備的運行等反映施工生產要素狀態的數據，常用的傳感器包括：（1）振弦式傳感器用于支護結構、建筑構件應力監測等（圖2?4）。如振弦式表面應變計、振弦式鋼筋計和振弦式裂縫計。圖2-4振弦式傳感器第2章物聯網領域的關鍵技術2.1感知識別技術（2）重量傳感器、幅度傳感器、高度傳感器和回轉傳感器可被用于塔吊、升降機等垂直運輸機械的運行狀態監控，對塔吊、升降機發生超載和碰撞事故進行預警和報警（圖2?5）（3）環境監測傳感器（溫度、濕度、PM2.5、PM10、噪聲、風速等）負責施工現場各區域的環境監測。（4）煙霧感應傳感器主要用于現場防火區域的消防監測。（5）紅外線傳感器主要用于周界入侵的監測。（6）運動傳感器既可以用于施工機械的運行狀態監控，記錄機械運行軌跡和效率，也可以進行勞動人員運動和職業健康狀態監測。第2章物聯網領域的關鍵技術第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-5塔吊上的傳感器應用2.1感知識別技術（6）運動傳感器既可以用于施工機械的運行狀態監控，記錄機械運行軌跡和效率，也可以進行勞動人員運動和職業健康狀態監測。2.1.2識別技術對物理世界的識別是實現物聯網全面感知的基礎，常用的識別技術有二維碼、無線射頻識別技術（RFID）、條形碼、圖像和視頻識別等。本節重點介紹RFID技術和圖像視頻識別技術。1.RFID技術RFID是通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據的無線通信技術。該技術不僅無須在識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸，而且能在多種惡劣環境下進行信息傳輸，因此，在物聯網的應用中有著重要的意義。第2章物聯網領域的關鍵技術2.1感知識別技術RFID由電子標簽、讀寫器和應用軟件系統組成。電子標簽由天線、耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼（圖2?6）。讀寫器讀取或寫入標簽信息的設備，可設計為手持式讀寫器或固定式讀寫器（圖2?7）。應用軟件系統把接收的數據進一步的處理成人們所需要的數據。第2章物聯網領域的關鍵技術

圖2?6RFID標簽

圖2?7讀寫器2.1感知識別技術RFID技術的優點包括：讀取性強，非接觸識別；讀寫速度快，大多數情況不到100ms；抗污染能力和耐久性高；可重復使用，RFID標簽可重復增刪改，方便信息更新；信息容量大，RFID能夠適應容量需求增加的趨勢；安全性強等。RFID在構件生產、運輸和吊裝追蹤、施工安全管理、進度檢測等方面有著越來越廣泛的應用，可以與BIM技術等建筑信息技術結合，在多個方面提高施工管理水平。如：將RFID用于身份識別、人員管理、預制構件和危險物品追蹤等（圖2?8）；將RFID技術應用于傳統的施工現場管理內容，基于RFID形成全新的施工管理內容。第2章物聯網領域的關鍵技術

RFID標簽定位構件RFID標簽定位構件圖2?8RFID在智慧工地的應用2.1感知識別技術2.圖像和視頻識別技術圖像視頻識別技術是指對圖像或視頻進行對象識別，以識別各種不同模式的目標和對像的技術，是計算機科學的一個重要領域，近年來隨著人工智能技術的發展，視頻和圖像識別技術的水平有了大幅提升，該技術也在各領域有了廣泛深入的應用。在智能建造框架下，圖像和視頻是信息的重要來源之一。以智慧工地為例，部分圖像和視頻識別技術已經成熟地應用在施工現場。通過施工現場布置的攝像頭獲取視頻信號，對視頻信號進行處理和分析，應用于人臉識別考勤、安全帽和危險行為識別輔助安全管理等（圖2?9）。圖像識別技術的另一典型應用是二維碼的識別，將構件信息、工程信息等存儲在二維碼中，通過掃描識別讀取，顯著提升了智能建造生產、施工和運維管理的效率。第2章物聯網領域的關鍵技術第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-9圖像/視頻識別安全帽2.1感知識別技術2.1.3定位技術主要有衛星定位、基站定位、Wi-Fi定位、藍牙定位、紅外線定位、超寬帶定位、RFID定位、Zigbee定位和超聲波定位，其中前兩種適用于室外定位，后幾種適用于室內定位。1.室外定位（1）衛星定位衛星定位是通過接收太空中衛星提供的經緯度坐標信號進行定位（圖2?10），包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS（格洛納斯）、歐盟的Galileo（伽利略）、我國的北斗等，其中GPS系統是現階段應用最為廣泛、技術最為成熟的衛星定位技術，我國的北斗衛星定位系統也逐漸成熟。第2章物聯網領域的關鍵技術2.1感知識別技術第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-10衛星定位系統（2）基站定位基站定位是指利用手機通信的蜂窩基站進行定位，通過電信移動運營商的網絡獲取移動終端用戶的位置信息。相比于衛星定位，基站定位有定位速度更快和受天氣的影響較小的優點。2.1感知識別技術2.室內定位（1）Wi-Fi定位該技術主要有兩種方法，幾何測距法和位置指紋法，前者利用信號傳播模型進行位置估計，后者通過創建信號強度與位置坐標的指紋庫進行定位，相比前者定位精度更高且更易部署。Wi-Fi定位精度可達到米級。（2）藍牙定位該技術定位原理和Wi-Fi定位原理類似，包括測距法和指紋匹配法，藍牙定位的精度比Wi-Fi定位精度高，達到亞米級。藍牙室內定位最大的優勢是設備體積小、成本低、部署簡單。藍牙定位不受視距的影響，但易受到環境影響，穩定性稍差。第2章物聯網領域的關鍵技術2.1感知識別技術（3）RFID定位該技術通過非接觸式雙向通信交換數據實現目標定位，同樣可以采用近鄰法、多變定位法、接收信號強度等方法確定標簽所在位置。RFID定位的優勢是成本低、精度相對較高，而缺點是作用距離短、不具備通信能力、定位速度較慢。（4）紅外線定位該技術是通過紅外線發射器和接收器完成，一種是通過幾何測距方式，通過測量傳感器和信號源之間的距離和角度估算目標的位置，另一種是運用紅外線組網來實現定位。紅外線定位具有精度高、速度快等優點，缺點是距離短、僅限直線傳輸，難以應對復雜的室內環境，可與其他定位技術結合互補。此外，ZigBee、超聲波定位、超寬帶定位等也可實現室內定位。第2章物聯網領域的關鍵技術2.1感知識別技術3.定位技術在智能建造中的應用室外定位技術在包括高層建筑、港口工程、橋梁等施工的定位觀測和施工測量有著廣泛的應用，如構件、人員和機械設備的定位跟蹤，大地測量等。利用室內定位技術，可對構件工廠和施工現場室內中構件、物料、人員、機械設備進行實時定位，定位信息可被應用于構件管理、人員管理、安全管理等。第2章物聯網領域的關鍵技術信息傳輸技術是物聯網系統的中流砥柱，在物聯網系統中起著承上啟下的作用，借由信息傳輸技術，物聯網感知設備采集到的數據得以向上傳輸，用戶在計算機中的命令與操作也得以向下傳遞。這里將分別從有線與無線兩個角度對物聯網系統中的一系列常用的信息傳輸技術及與這些技術相關的硬件接口設備做一些簡單的介紹。2.2.1常用的有線信息傳輸技術信息傳輸技術中涉及到的通信方式和協議繁多，本節主要介紹常用的有線通信方式以太網、串口通信、USB、M-Bus、PLC，以及常用通信協議TCP、OPC、MQTT、Modbus等。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術1.以太網以太網（Ethernet）是目前最普遍的一種局域網通信技術，IEEE組織的IEEE802.3標準制定了以太網的技術標準，它規定了包括物理層的連線、電子信號和介質訪問控制的內容。以太網使用雙絞線作為傳輸媒介，根據速度等級分為標準以太網（10Mbps）、快速以太網（100Mbps）、千兆以太網（1000Mbps）等。以太網使用最為廣泛的物理層網絡接口是RJ45接口，如圖2-11所示。RJ45接口主要由插頭（接頭、水晶頭）和插座（模塊）組成。RJ45信息模塊有T-568A與T-568B兩種結構類型：第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術2.2信息傳輸技術第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-11RJ45接口在T-568A中，與之相連的8根線連線從左到右依次為：白綠、綠、白橙、藍、白藍、橙、白棕、棕；在T-568B中，與之相連的8根線從左到右依次為：白橙、橙、白綠、藍、白藍、綠、白棕、棕。其中定義的差分傳輸線分別是白橙色和橙色線纜、白綠色和綠色線纜、白藍色和藍色線纜、白棕色和棕色線纜。與RJ45接口連接的網線分為交叉網線和直連網線。交叉網線是指一端按照T-568A標準、另一端按照T-568B標準連接的網線。而直連網線是指網線兩端都是按T-568A標準或T-568B標準連接的網線。同層的設備連接，一般使用交叉網線，不同層設備的連接，一般使用直連網線。2.2信息傳輸技術2.串口通信RS-232接口是最早誕生且常用的串行通信接口，這種通信方式的數據編碼的各位并不是同時發送，而是按照一定的順序，逐個地在信道中傳送和接收的，因而這種通信傳輸方式也被稱為逐位傳輸（Bit-by-BitTransmission）。在串行通信中，數據的每一位按照順序逐個在傳輸線路中進行數據傳輸，相較于其他傳輸方式傳輸速度較慢，但實現較為簡單。RS-232接口是其他串行接口的前身和基礎，也被稱為“標準接口”。RS-232接口標準最早于1970年由美國電子協會聯合其他相關廠家共同制定，最早依靠于電話線作為傳輸媒介，數據傳輸依賴于公共電話網絡。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術最早RS-232接口標準采用了25腳的DB-25連接器，而后簡化為了DB-9連接器，因而，RS-232接口有9針串口和25針串口兩種類型，目前，25針串口的使用已經相對較少，較為通用的為9針串口，如圖2-12所示，在連接時采用一對DB9公頭與DB9母頭。其各個針腳的定義與功能如表2-1所示。RS-232分為三線制與九線制，兩種線制的不同在于采用線數量不同，九線制為全部9個引腳組成，三線制為第2、3、5引腳組成。九線制相較于三線制除去用線數量更多外，通訊可靠性更高。RS-232的連接方式可以分為交叉連與直連，交叉連常用于距離較短的近程連接，直連常用于距離較遠的遠程連接（一般是通信距離超過15米，需要使用延長線的時候）。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術第2章物聯網領域的關鍵技術針腳編號針腳定義功能1DCB載波檢測DCE接收到遠程載波信號2RXD接受數據*DTE接收串行數據端3TXD發送數據*DTE發送串行數據端4DTR數據終端準備好DTE準備就緒5SG（GND）信號地線*信號接地端6DSR數據準備好DCE準備就緒7RTS請求發送DTE請求發送8CTS清除發送DCE已準備好接收（清除發送）9RI振鈴提示DCE與線路接通，出現振鈴圖2-12RS-232的9針接口表2-1針腳編號及其針腳定義2.2信息傳輸技術傳統的RS-232接口有抗干擾性差、傳輸距離端、傳輸速度慢、電平偏高等缺點，美國電子工業協會為了解決這一系列問題，于1980年提出了RS-422標準，RS-422采用了平衡差分技術以取代原來RS-232的單端傳輸，信號抗干擾能力相較于RS-232更強。RS-422接口標準一般有TXA、TXB、RXA、RXB和信號地共五根線，因為一般不使用公共地線，使得共模干擾被減到了最小，傳輸距離與傳輸速度都有了顯著的增加，最大傳輸距離可增加約至1219米，最大速率可增加至10Mbps，傳輸距離與傳輸速度成反比。RS-422可以以全雙工工作。第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-13RS-485接口2.2信息傳輸技術RS-485接口是一種非常常見的使用了串行通信的通信接口。RS-485接口是在RS-422接口的基礎上發展起來的一種新型接口，因而其許多的電氣規定都與RS-422相仿，是一個定義平衡數字多點系統中的驅動器和接收器的電氣特性的標準。RS-485可以采用兩線制接線，實現多點雙向通信（RS-232只能以點對點雙向通信），但只能以半雙工方式工作。RS-485最大傳輸距離為1219m，最大傳輸速率為10Mb/s，RS-485的傳輸距離和傳輸速率成反比。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術3.USBUSB（UniversalSerialBus），即通用串行總線，是連接計算機系統與外部設備的一種串口總線標準，也是一種輸入輸出接口的技術規范，被廣泛地應用于個人電腦和移動設備等信息通訊產品，USB接口有“萬能接口”之稱，包括USBType-A、USBType-B、Mini-USB、Micro-USB、USBType-C等。每種物理形態還有不同的傳輸協議，比如USB1.x、USB2.0、USB3.x等。2019年，USB4發布，傳輸速度能達到40Gbps，統一使用USBType-C接口。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術4.M-BusM-Bus全稱為Meter-Bus，是一種2線制的總線標準，主要用于一棟建筑、一個園區內熱表、水表等公用事業儀表的組網和遠程自動抄表，是屬于局域網的一種，采用了總線形拓撲組網結構，主要運用于建筑物和工業能源消耗數據采集等。M-Bus具有可靠性高、低成本、遠距離、多點連接（可連接上百個儀器）的特點。M-Bus以半雙工方式工作，M-Bus通信示意圖如圖2-14所示。第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-14M-Bus通信示意圖2.2信息傳輸技術5.PLCPLC即可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）的簡稱，是一種數字運算電子操作系統裝置，主要運用于自動化控制，可以將控制指令隨時載入內存以進行存儲和執行。PLC可分為小型、中型、大型，分類依據為其輸入輸出口的數量，即I/O點數，不同類型的PLC結構和原理均大致相同。PLC以微處理器為核心，靠硬件軟件支持實現功能，一個PLC主要由CPU、存儲器（系統存儲器、用戶存儲器）、電源部件、輸入接口、輸出接口與外部接口等組成（如圖2-15），其中輸入接口主要包括了各種開關、繼電器觸點、行程開關、模擬量輸入、傳感器等，輸入接口與微處理器間通常用光電隔離裝置隔離；輸出接口主要包括了照明、電磁裝置、執行機構等；外設接口主要包括了外存儲器、條碼讀入器、編程器、監控設備、計算機、打印機等。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-16PLC的工作工程圖

圖2-15PLC基本組成示意圖2.2信息傳輸技術PLC的工作過程大致可分為輸入采樣、程序執行、輸出刷新三個主要部分（如圖2-16），三個部分被視為一個掃描周期，PLC的CPU在工作期間重復執行上述三個階段。在輸入采樣階段，PLC依次掃描輸入狀態和輸入數據變量并進行存儲，經過輸入接口輸入到主機中去，在主機中經過處理后，處理結果以輸出變量的形式寫入輸出寄存器，最后以驅動輸出。PLC采用了大規模集成電路與微處理器，減少了系統器件數，使用了大量模塊化設計，并在設計和制造過程中采用了一系列的隔離和抗干擾措施，具有保護電路與自診斷功能，這使得PLC具有可靠性高、靈活性強、適應各種環境、抗干擾性強的特點。同時PLC也采用了梯形圖編程語言，編程簡單易于操作。PLC的體積也較小，安裝方便，有利于機電一體化。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術6.VPNVPN（VirtualPrivateNetwork）技術，即虛擬專用網絡技術，其是通過利用隧道技術、加解密技術、密鑰管理技術和使用者與設備身份認證技術在公用網絡上建立專用網絡的網絡技術。VPN與傳統專用網絡的區別主要在于傳統專用網絡是基于端到端之間的物理連接，而VPN則是架構在公用網絡服務商提供的網絡平臺上。因而相較于傳統的專網，VPN成本更為低廉，不受距離和地域限制，但安全性可能較差一些。VPN的工作原理主要如圖2-17所示。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-17VPN工作原理2.2信息傳輸技術7.TCPTCP（TransmissionControlProtocol）技術，即傳輸控制協議技術，是一種面向連接的、可靠的、基于字節流的傳輸層通信協議技術。創造TCP協議的意義主要就是為了在傳遞信息時常常出現各種不可靠情況的互聯網上提供一種相對可靠的、抗干擾性強的專門用于端到端字節流的傳輸協議。TCP是一種面向廣域網的通信協議，其設計目的是為了跨越多個網絡進行通信。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術TCP協議的主要工作原理就是在其上層的應用層向傳輸層發送用于網間傳輸的、用8位字節表示的數據流時，將這些數據流分割成適當長度的報文段，之后再將處理好的數據包向下傳給網絡層，并通過網絡層將處理過的數據包傳送給接收端的TCP傳輸層。

TCP協議為了保證報文傳輸的可靠，會給每個數據包分配一個序號，然后接收端實體的傳輸層每成功收到的一次字節就發回一個相應的確認（ACK）；依據發回確認的往返延遲（RTT），發送端實體會判定包是否丟失并決定是否重新傳送可能已經丟失的包。“應用層”、“傳輸層”、“網絡層”等詞來自于TCP/IP協議中的網絡體系結構劃分。TCP/IP協議指的是一種能夠在多個不同網絡間實現信息傳輸的協議簇，是網絡世界中應用最為基本的協議第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術TCP/IP協議是一個有著四層體系結構的協議，從上到下四層結構為：應用層、傳輸層、網絡層和數據鏈路層。這一劃分來源于國際標準化組織（ISO）在1978年提出了“開放系統互聯參考模型”，即著名的OSI/RM模型（OpenSystemInterconnection/ReferenceModel），劃分的目的是為了使不同計算機廠家生產的計算機能夠相互通信，以便在更大的范圍內建立計算機網絡。TCP/IP協議對這一模型進行了簡化將原來七層的劃分簡化為了四層（一說五層分法，即在數據鏈路層下增加一個物理層）。體系中的每一層都有其對應的協議與硬件設備，且每一層都向上一層提供服務，同時又是下一層的用戶，具體如圖2-18所示。第2章物聯網領域的關鍵技術第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-18TCP/IP協議簇的分層、主要協議與對應硬件設備2.2信息傳輸技術應用層的主要協議有Telnet、FTP、SMTP等，是用來接收來自傳輸層的數據或者按不同應用要求與方式將數據傳輸至傳輸層；傳輸層的主要協議有UDP、TCP，是使用者使用平臺和計算機信息網內部數據結合的通道，可以實現數據傳輸與數據共享；網絡層的主要協議有ICMP、IP、IGMP，主要負責網絡中數據包的傳送等；而網絡訪問層，也叫網絡接口層或數據鏈路層，主要協議有ARP、RARP，主要功能是提供鏈路管理錯誤檢測、對不同通信媒介有關信息細節問題進行有效處理等。8.BacnetBacnet（Buildingautomationandcontrolnetworks）技術，即樓宇自動化與控制網絡技術，是一種常用于智能建筑的通信協議技術。這一通信協議主要針對智能建筑及其第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術控制系統，可用于建筑的暖通、照明、門禁、空調等系統及其相應的設備，具有成本低廉、部署簡易的特點。Bacnet的物理層通信接口種類繁多，包括了RS-232、RS-485、以太網絡接口等。9.OPCOPC（OLEforProcessControl）技術，即用于過程控制的OLE技術，是一項應用于自動化及其他行業的數據安全交換客戶操作性標準。這一標準可以實現多個廠商設備間信息的無縫傳遞，且獨立于平臺。OPC是為了連接數據源（OPC服務器）和數據的使用者（OPC應用程序）之間的軟件接口標準。數據源可以是PLC，DCS，條形碼讀取器等控制設備。隨隨控制系統構成的不同，作為數據源的OPC服務器既可以是和OPC應用程序在同一臺計算機上運行的本地OPC服務器，也可以是在另外的計算機上運行的第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術遠程OPC服務器。OPC協議支持多種物理層接口應用。10.MQTTMQTT（MessageQueuingTelemetryTransport）技術，即消息隊列遙測傳輸協議技術，是一種基于客戶端與服務器的消息發布、訂閱傳輸協議。該協議構建于TCP/IP協議上，面向性能較差、計算能力有限的遠程設備與較差的網絡情況設計的。這一協議的正常工作有賴于一個消息中間件。MQTT協議支持多種物理層接口應用。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術11.ModbusModbus是一種串行通信協議，是由施耐德電氣公司為使用PLC通信而發表的一種協議。目前，Modbus已經成為工業領域通信協議的業界標準，是工業電子設備之間的常用連接方式。Modbus通信協議相較于其他通信協議，具有易于部署和維護、沒有版權要求等特點。Modbus通信協議允許多個設備在同一個網絡上連接通信。Modbus常用的物理接口協議為RS-485接口。2.2.2常用的無線信息傳輸技術常用的無線物聯網信息傳輸技術主要有NB-IOT、Zigbee、LoRa、Wi-Fi、藍牙、4G/5G等，下面將一一進行介紹。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術1.NB-IOTNB-IOT（Narrow-BandInternetofThings）技術，即窄帶物聯網技術，是一種基于現有的蜂窩網絡建設的使用LTE（LongTermEvolution，長期演進）的無線通信技術。窄帶物聯網使用了窄帶通信技術，因而具有抗干擾性強的特點。NB-IOT可以直接部署于GSM網絡、UMIS網絡和LTE網絡。NB-IOT也是低功耗廣域網（LowPowerWideAreaNetWork，LPWAN）中的重要一員。低功耗廣域網指的是一種覆蓋廣泛、成本低廉、部署簡單，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據大連接的物聯網網絡接入技術，其具有窄帶、低速率、低功耗、低成本、高容量、廣覆蓋等特點。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術NB-IOT技術由3GPP負責標準化，它的射頻寬度為180kHZ左右。NB-IOT使用了License頻段，主要有3種部署方式，具體為獨立部署、保護帶內部署和帶內部署（如圖2-19）。獨立部署主要指在重耕GSM頻段部署，GSM信道帶寬相較于NB-IOT帶寬略大，可以為NB-IOT提供部署空間；保護帶部署主要指將NB-IOT部署于LTE的邊緣保護頻帶的沒有使用的部分；帶內部署即將NB-IOT部署在LTE載波資源塊中。第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-19NB-IOT部署方式2.2信息傳輸技術NB-IOT的硬件設備主要是NB-IOT基站（如圖2-20）與NB卡（如圖2-21）。NB卡主要面向企業用戶，是三大運營商（移動、聯通、電信）三網專用號段，通過專用網元設備支持短信、無線數據和語音基礎通信服務，提供通信鏈接管理和終端管理等智能通道服務。窄帶物聯網目前依靠中國移動、中國聯通、中國電信三大網絡運營商的支持，在我國物聯網行業發展較為快速。中國已建成全球最大NB-IOT窄帶物聯網，實現了全國主要城市鄉鎮以上區域的連續覆蓋。根據相關官方數據及從運營商獲取的信息，截止2022年9月，中國電信部署NB-IOT基站數量超過42萬臺，在網NB-IOT終端數1.77億，中國移動部署NB-IOT基站數35萬，第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術在網NB-IOT終端數超過1億，中國聯通部署基站數10萬,國內NB-IOT網絡的整體覆蓋率超過97%。NB-IOT目前被廣泛的應用在電網、交通、醫院、工農業、運輸等領域。第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-20NB-IOT基站圖2-21NB卡2.2信息傳輸技術2.LoRaLoRa（LongRange）是美國Seamtech公司的私有物理層技術，主要采用了窄帶擴頻技術，抗干擾能力強，靈敏度高。LoRa使用了線性擴頻調制技術，使得其通信距離在空曠區域異常的遠。LoRa也是低功耗廣域網的代表性技術，具有功耗低、成本低、易于部署、標準化程度高等特點。LoRa技術被公共網絡、私有網絡和混合網絡所利用，可以提供比蜂窩網絡更廣的范圍。LoRa設備的部署可以簡單集成到現有的基礎設施中。LoRa網絡也具有自適應數據速率（ADR），即通過改變實際速率來確保可靠的數據包傳送、優化網絡性能和終端節點容量規模。LoRa利用終端識別標識（DevEUI）、應用標識（AppEUI）和AES-128應用密鑰的肖像權加密機制也能有效保證LoRa網絡傳輸的安全性。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術LoRa在我國起步相對而言較晚，但也發展迅速，2022年北京冬奧會的開幕式表演中就運用了LoRa低延遲控制系統（如圖2-22）。目前，LoRa技術被廣泛應用于建筑、消防、農業、物流領域。一個完整的LoRa網絡硬件系統通常由四個部分組成，即終端節點、網關節點、網絡服務器和應用服務器（如圖2-23）。第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-22第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-23LoRa網絡硬件系統2.2信息傳輸技術3.ZigbeeZigbee中文譯名“紫蜂”，是一種基于蜜蜂間的交流方式研究發明的一種近距離無線通信技術。Zigbee無線通信技術主要基于大量的微小傳感器，具有低功耗、低成本、低速率、近距離、低延遲、高容量等特點。著名的Zigbee聯盟在2002年成立，主要由英國的Invensys公司、美國的摩托羅拉公司、荷蘭的飛利浦公司和日本的三菱電器公司等組成。按照OSI模型，一個完整的Zigbee網絡通常分為4層，從下往上依次為物理層、媒體訪問控制層、網絡層和應用層，物理層和媒體訪問控制層主要由IEEE802.15.4標準定義，網絡層和應用層由Zigbee聯盟定義。每層負責完成規定的任務，并且向其上層服務，各層接口由由定義好的邏輯鏈路來提供服務。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術Zigbee的物理層主要負責無線硬件設備的開關、能量檢測、手法數據包和信道質量評估；媒體訪問控制層主要負責信道訪問控制、信標幀發送、同步服務和提供可靠的傳輸機制；網絡層主要負責設備的發現和網絡的配置；應用層主要負責將不同的應用映射到Zigbee網絡中去。Zigbee技術目前廣泛應用于家居、工農業和醫院等。常見的Zigbee拓撲結構有三種類型，分別為星型結構、網狀結構、樹形結構（如圖2-24）。一個完整的Zigbee網絡通常由唯一的一個協調器、復數個路由器與復數個終端設備組成。其組網方式具有節點容量大、可以重復快速自組網等特點。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術Zigbee技術的主要實現硬件是Zigbee模塊（如圖2-25），這是一種圍繞Zigbee芯片技術推出的外圍電路。常見的Zigbee模塊都是遵循IEEE802.15.4的國際標準，并且運行在2.4GHZ的頻段上。Zigbee模塊有42個含復用的通用數字輸入輸出口（GPIO），不復用ADC/DAC/UART/SPI/I2C/CAN功能引腳時最大為9個、3個串行外設接口（SPI），其中1個復用ADC、2個內部集成總線接口（I2C），1個復用UART、1個工業現場總線接口（CAN）、4個串行通信接口（UART），1個復用I2C、12個模擬量輸入通道（ADC），2個復用DAC，4個復用SPI、2個模擬量輸出通道（DAC）、8個16位同步定時器。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術電氣參數為：電源：2V-3.6V，典型值：3.3V；模塊總功耗：無線模塊不工作時平均功耗22-25mW、無線模塊工作時平均功耗130-135mW、無線模塊工作時峰值功耗140-150mW；發射功率：100mW；天線功率：1dBm；接收靈敏度：-97dBm；信道：11to26；第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-24常見的Zigbee拓撲結構2.2信息傳輸技術電流：工作電流小于55mA，待機電流小于5mA；工作頻段：2.4GISM頻段；環境溫度：-40~80℃；無線傳輸距離：200-250m（外接5dB鞭狀天線）、300-400m（外接9dB鞭狀天線）；封裝尺寸：38.6×23.2×3mm；重量：5g。電流：工作電流小于55mA，待機電流小于5mA；工作頻段：2.4GISM頻段；環境溫度：-40~80℃；無線傳輸距離：200-250m（外接5dB鞭狀天線）、300-400m（外接9dB鞭狀天線）；封裝尺寸：38.6×23.2×3mm；重量：5g。第2章物聯網領域的關鍵技術第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-25Zigbee模塊2.2信息傳輸技術Wi-Fi的組網拓撲方式主要有兩種：自組網與基礎網。自組網是一種簡單的網絡結構，通過為需要接入網絡的計算機、手機等個人終端們（站點）分別配備對應的無線網卡或打開其Wi-Fi模塊即可實際計算機之間的連接與共享（如圖2-26）。基礎網組網方式是一種結合了有線局域網與無線局域網的組網方式，它的組成同時需要“站點”與“無線接入點”（即無線網絡的創建者）。通過將無線接入點作為網橋，使接入組網的站點們實現連接與共享（圖2-27）。第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-27Wi-Fi基礎網圖2-26Wi-Fi自組網2.2信息傳輸技術Wi-Fi功能的實現主要基于Wi-Fi模塊（圖2-28）。Wi-Fi模塊又名串口Wi-Fi模塊，屬于物聯網傳輸層，功能是將串口或TTL電平轉為符合Wi-Fi無線網絡通信標準的嵌入式模塊，內置無線網絡協議IEEE802.11b.g.n協議棧以及TCP/IP協議棧。Wi-Fi模塊可分為三類：即通用Wi-Fi模塊、路由器Wi-Fi模塊、嵌入式Wi-Fi模塊。Wi-Fi模塊的尺寸為：32mm×20mm×4.5mm。常見的Wi-Fi設備即Wi-Fi的無線路由器（圖2-29），在無線路由器的無線電波覆蓋范圍內都可以采用Wi-Fi連接進行上網。第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-28Wi-Fi模塊圖2-29無線路由器2.2信息傳輸技術5.藍牙藍牙是目前應用非常廣泛的一種開放的用于短距離無線數據傳輸和語音通信的通信技術標準。具有低成本、抗干擾性強、應用范圍廣、安全性較高等特點。藍牙工作在全球通用的2.4GHzISM頻段，使用IEEE802.15標準。藍牙技術是由愛立信公司、諾基亞公司、東芝公司、國際商用機器公司和英特爾公司于1998年5月聯合宣布的一種通信技術。隨著多年的發展藍牙已經迭代更新到了藍牙5.4版本，相較于最早的藍牙1.0版本，藍牙5.4版本的傳輸速率、傳輸距離、穩定性等各項指標均有了大幅度的提升。不同版本藍牙的性能如表2-2所示。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術第2章物聯網領域的關鍵技術表2-2不同版本藍牙的性能藍牙版本發布時間最大傳輸速率傳輸距離藍牙1.12002810Kbps10m藍牙1.220031Mbps10m藍牙2.0+EDR20042.1Mbps10m藍牙2.1+EDR20073Mbps10m藍牙3.0+HS200924Mbps10m藍牙4.0201024Mbps100m藍牙4.1201324Mbps100m藍牙4.2201448Mbps100m藍牙5.0201648Mbps300m藍牙5.1201948Mbps300m藍牙5.2201948Mbps300m藍牙5.3202148Mbps300m藍牙5.4202348Mbps300m2.2信息傳輸技術藍牙采用了高速跳頻和時分多址等技術，讓許多包括手機、個人計算機在內的終端設備不需要借助于物理鏈接就可以實現對因特網的無線鏈接與資源分享。藍牙目前被廣泛應用于商務辦公、工農業、軍事、家居等各個領域。藍牙功能的實現基本是基于藍牙模塊來實現的（圖2-30）。所謂藍牙模塊指集成藍牙功能的芯片基本電路集合，一般是由芯片、PCB板、外圍器件構成。藍牙模塊用于無線網絡通訊，大致可分為三大類型：數據傳輸模塊、藍牙音頻模塊和數據傳輸與藍牙音頻二合一模塊。藍牙模塊的接口分串行接口、USB接口、數字IO口、模擬IO口、SPI編程口及語音接口。第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-30藍牙模塊2.2信息傳輸技術6.4G/5G4G與5G即第四代移動通信技術與第五代移動通信技術（4thGenerationMobileCommunicationTechnology、5thGenerationMobileCommunicationTechnology）。所謂移動通信指的就是處于通信中的兩方至少有一方是處于移動狀態下的信息通信，其包括了移動用戶與固定用戶之間的信息通信，也包含了移動用戶與固定用戶之間的移動通信。移動通信的成立主要依賴于無線通信技術與無線網絡技術的發展與進步。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術第一代移動通信技術主要采用了AMPS、NMT、TACS三種窄帶模擬系統標準，只能提供基本的語音會話業務，且保密性差，不同系統之間互不兼容；第二代移動通信技術使用了數字制式，主要采用了GSM與CDMA兩種工作模式，第二代移動通信技術支持傳統語音通信、文字和多媒體短信的傳輸；第三代移動通信技術即3G技術，其在原先第二代通信技術的基礎上還支持更快的數據傳輸服務，3G技術的主流標準分別是CDMA2000、TD-SCDMA、和W-CDMA。4G通信技術是在3G通信技術的基礎上升級發展而來的新一代通信技術。4G技術主要集合了3G技術與WLAN（無線局域網）技術。相較于3G，4G技術的傳輸速率更快、應用范圍更廣。4G技術的關鍵技術包括了正交頻分復用技術、智能天線應用數字信號處理技術、MIMO（多輸入多輸出技術）等。第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術5G技術是目前新一代的移動通信技術，5G技術相較于4G技術峰值速率更大、連接頻譜效率更大、時延更低、支持更快的移動通信需求，應用前景廣泛。4G與5G等移動通信的實現主要依賴于移動通信系統，而其中最為常見且在陸地上覆蓋最廣的就是蜂窩系統。蜂窩系統主要由移動網絡中的移動臺（MS）、基站（BS）、基站控制器（BSC）與移動業務交換中心（MSC）組成，移動臺即用戶使用的移動終端設備，如手機等；基站的作用是實現覆蓋范圍內的移動終端與移動通信系統之間的無線通信；基站控制器負責為基站與移動業務交換中心信息交換提供接口；移動業務交換中心的主要任務是實現服務區內各個無線小區間的信息交換、服務區內外的信息交換和對服務區內各個第2章物聯網領域的關鍵技術2.2信息傳輸技術無線小區間的信息交換、服務區內外的信息交換和對服務區內各個無線小區進行集中控制管理。蜂窩系統的覆蓋區域通常被劃分為諸多個無線小區，每個小區內設基站，基站通過有線線路連接到交互中心，具體如圖2-31所示。移動通信系統還包括了集群系統、衛星通信系統等。第2章物聯網領域的關鍵技術圖2-31蜂窩系統2.3信息處理技術物聯網采集的數據往往具有海量性、時效性、多態性等特點，給數據存儲、數據查詢、質量控制、智能處理等帶來了極大挑戰。信息處理技術的目標是將傳感器等識別設備采集的數據收集起來，通過信息的挖掘等手段發現數據內在聯系，獲取新的信息，為用戶下一步操作提供支持。當前的信息處理技術有云計算技術、智能分析相關技術等。第2章物聯網領域的關鍵技術2.3信息處理技術2.3.1云計算云計算（Cloudcomputing）是分布式計算的一種，指的是通過網絡“云”將巨大的數據計算處理程序分解成無數個小程序，然后通過多部服務器組成的系統進行處理和分析這些小程序得到結果并返回給用戶。中國云計算專家委員給出的定義為：通過整合、管理、調配分布在網絡各處的計算資源，并以統一的界面同時向大量的用戶提供服務。借助云計算，資源能夠被快速提供，可以在瞬息之間處理數以億計的信息。第2章物聯網領域的關鍵技術2.3信息處理技術（1）軟件即服務（Software-as-a-Service，SaaS）將軟件部署到云端，由服務提供商來維護和管理軟件，用戶無需購買軟件，只需接入互聯網即可隨時隨地使用軟件。（2）平臺即服務（Platform-as-a-Service，PaaS）提供軟件開發環境的一種服務。PaaS服務使得軟件開發人員可以在廠商提供的平臺基礎上定制開發自己的應用程序并傳遞給其他客戶，不需購買服務器等設備。（3）基礎設施即服務（Infrastructure-as-a-Service，IaaS）把由多臺服務器組成的基礎設置提供給客戶，用戶可以付費使用一定數量的硬件設施，如內存、硬盤、CPU等。第2章物聯網領域的關鍵技術2.3信息處理技術在智能建造發展過程中，云計算是不可或缺的應用基礎技術之一。物聯網、移動互聯等技術進行大數據的收集和傳輸，需要進行信息的協同、數據的處理和資源的共享，在對數據進行處理的過程中，需要大量的計算能力。因此，云計算強大的計算能力和計算資源共享，將幫助提供智能建造所需的計算處理能力。云計算環境下施工現場管理運行機制如圖2?32所示。第2章物聯網領域的關鍵技術圖2?322.3信息處理技術2.3.2機器學習機器學習通過向機器輸入樣本數據使機器自主學習數據，是人工智能技術中一個重要分支。監督式學習、半監督式學習和非監督式學習是機器學習的三種典型學習方式。監督式學習常用于數據擬合和分類，需要帶標簽的訓練樣本信息；半監督式學習所使用的訓練樣本信息不完整，部分樣本有標簽而部分沒有；非監督式學習需要的訓練樣本只有特征無標簽，可進行數據降維、聚類等。以建筑智慧運維為例，感知識別技術收集了建筑使用過程的大量數據，機器學習算法可以對收集到的數據進行處理、分析、學習，從數據中挖掘規律，提供預測和分類結果，用于各種建筑運維管理決策。例如，利用視頻監控系統采集建筑內部的視頻信號，通過機器學習實現人臉識別、客流統計、車牌識別等功能，輔助門禁和通道狀態決策。第2章物聯網領域的關鍵技術2.3信息處理技術2.3.3決策理論決策理論通過把系統理論、計算機科學、運籌學等學科綜合起來，運用于管理決策問題。例如，在建設項目管理中，基于模糊決策理論和多屬性決策的施工招投標評標、工程質量以及工程設計方案進行的排序。決策者的最終決策還受到眾多影響因素，如感知效用、認知偏差、多目標權衡等。決策理論和方法就將為建筑項目管理者提供科學的決策過程支持。第2章物聯網領域的關鍵技術2.3.4BIM+物聯網BIM與物聯網的集成應用，實質上是建筑全過程信息的集成與融合。BIM技術發揮上層信息集成、交互、展示和管理的作用，而物聯網技術則承擔底層信息感知、采集、傳遞、監控的功能。二者集成應用可以實現建筑全過程“信息流閉環”，實現虛擬信息化管理與實體環境硬件之間的有機融合。將物聯網采集、處理、分析的數據結合BIM模型實現智能建造數字孿生場景的構建，輔助優化管理決策。2.4信息安全技術信息安全問題是互聯網時代十分重要的議題，安全和隱私問題也是物聯網發展面臨的巨大挑戰。物聯網除面臨一般信息網絡的物理安全、運行安全、數據安全等問題外，還面臨特有的威脅和攻擊，如物理俘獲、傳輸威脅、阻塞干擾、信息篡改等。第2章物聯網領域的關鍵技術2.5.1編程語言C#是微軟公司為visualstudio開發平臺發布的一種基于C和C++的簡潔、安全、面向對象的編程語言（如圖2-33）。可以用這套語言編寫運用于.netframework和.netcore的各種應用程序。第2章物聯網領域的關鍵技術2.5常用工具軟件圖2-33C#語言logoC#編程語言最早由微軟公司的安格斯·海爾斯伯格在2001年主持開發而成并得以正式發布，是第一款面向組件的編程語言，它的源碼會編譯成msil再運行。C#語言設計時就提出了“簡單、現代、通用”的要求。C#最早僅支持在微軟自家的windows平臺上開發與使用，但隨著C#不斷更新迭代，目前最新的C#11.0版本已經可以在包括了Mac、Linux等多個不同操作系統上使用。目前，C#語言被廣泛運用到了幾乎所有的領域，包括游戲軟件的開發、智能手機應用程序開發、網絡系統開發、操作系統平臺開發、桌面應用系統開發等均能運用到C#。Java是由SunMicrosystems公司的詹姆斯高斯林開發的一款面向對象的語言（圖2-34）。Java語言吸收了C語言和C++語言的許多優點，且十分可靠。目前Java語言被廣泛地運用于各種桌面軟件、網絡程序編程等。Java分為三個版本，及JavaSE、JavaEE和JavaME：第2章物聯網領域的關鍵技術2.5常用工具軟件圖2-34JAVA語言logo①JavaSE（即JavaPlatform，StandardEdition，Java標準版）也稱為J2SE，是一種主要用于桌面軟件的編程，允許開發和部署在桌面、服務器、嵌入式環境和實時環境中使用，JavaSE是基礎包，為JavaEE提供基礎；②JavaEE（即JavaPlatform，EnterpriseEdition，Java企業版）也稱為J2EE，主要用于分布式的網絡程序開發，可以幫助開發和部署可移植的、健壯的，可伸縮的、安全帶服務器端Java應用程序，Java企業版是在Java基礎版的基礎上構建而成的，可以提供web服務、帶服務器端Java應用程序，Java企業版是在Java基礎版的基礎上構建而成的，可以提供web服務、組件模型、管理和通信API，可以用于實現企業級的面向服務體系結構和web2.0應用程序；第2章物聯網領域的關鍵技術2.5常用工具軟件③JavaME（即JavaPlatform，MicroEdition，Java平臺微型版）也稱為J2ME，主要用于嵌入式系統的開發與移動設備的開發，旨在為嵌入式設備和移動設備上的應用程序提供一個靈活、健壯的開發環境。JavaME具有健壯的安全模式和許多的內置網絡協議，也對可以動態下載的聯網或離線應用程序提供支持。2.5.2架構設計軟件搭建物聯網的第一步就是確立整個物聯網體系的架構設計，我們這里使用微軟公司的MicrosoftOfficeVisio軟件以輔助這一過程的進行。MicrosoftOfficeVisio軟件是微軟公司為Windows操作系統出品的一款流程圖是矢量繪圖軟件這一款軟件是MicrosoftOffice系列軟件的一個部分。在2000年被微軟公司收購后正式成為微軟公司旗下的一款產品。第2章物聯網領域的關鍵技術2.5常用工具軟件2-35MicrosoftOfficeVisio軟件界面第2章物聯網領域的關鍵技術2.5.3物聯網圖紙設計軟件物聯網圖紙設計軟件主要是利用計算機輔助設計軟件（computeraideddesign），即CAD軟件進行的。目前智能建造領域物聯網圖紙設計常用的CAD軟件是來自于歐特克公司（Autodesk）的AutoCAD軟件。這款軟件可用于二維、三維圖形繪制編輯與圖形設計，是目前世界上廣為流行的一款繪圖軟件，可以基于多種操作系統運行。AutoCAD的文件標準格式為dwg，交換格式為dxf，樣板文件格式為dwt。CAD2021軟件界面如圖2-36。第2章物聯網領域的關鍵技術2.5常用工具軟件圖2-36CAD2021軟件界面第2章物聯網領域的關鍵技術2.5.4數據庫軟件物聯網架構中可能用到多種類型的數據庫，包括MySQL、SQLserver、Oracle等，下面將依次進行介紹。MySQL數據庫是一種關系型數據庫管理系統，由瑞典的MySQL公司開發，是最為流行的MySQL數據庫之一。SQLserver是由微軟公司推出的關系型數據庫管理系統軟件，使用了集成的BI工具提供企業級的數據管理，為關系型數據庫和結構優化數據提供了安全可靠的存儲功能。SQLserver數據庫主要基于微軟公司的Windows操作系統，具有可伸縮性好、相關軟件集成程度高等優點，面向于大型企業使用。第2章物聯網領域的關鍵技術2.5常用工具軟件Oracle數據庫是甲骨文公司的一款關系型數據庫管理系統，具有系統可移植性好、適應性強、高吞吐量等特點。Oracle數據庫是以分布式數據庫為核心的一組軟件產品，是世界上使用最為廣泛的一種通用數據庫系統，并且支持多種不同的操作系統使用。第2章物聯網領域的關鍵技術2.5常用工具軟件第2章物聯網領域的關鍵技術習題與思考題1. 請簡述物聯網的關鍵技術及其作用。2. 無線射頻識別技術（RFID）的工作原理是什么？3. 請簡述無線傳輸技術的類型及其特點。4. 請簡述云計算應用于智能建造的優勢。5. 物聯網編程語言的分類及其優點？6. 應用于物聯網架構的數據庫的特點？3.1.1背景國務院辦公廳于2016年9月27日下發《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，《意見》中指出：裝配式建筑是用預制部品部件在工地裝配而成的建筑。發展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的重要舉措，有利于節約資源能源、減少施工污染、提升勞動生產效率和質量安全水平，有利于促進建筑業與信息化工業化深度融合、培育新產業新動能、推動化解過剩產能。《意見》指出，要：優化部品部件生產。引導建筑行業部品部件生產企業合理布局，提高產業聚集度，培育一批技術先進、專業配套、管理規范的骨干企業和生產基地。第3章智能建造工程場景中的物聯網3.1預制構件智能工廠管理支持部品部件生產企業完善產品品種和規格，促進專業化、標準化、規模化、信息化生產，優化物流管理，合理組織配送。積極引導設備制造企業研發部品部件生產裝備機具，提高自動化和柔性加工技術水平。建立部品部件質量驗收機制，確保產品質量。2021年10月21日消息，近日，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于推動城鄉建設綠色發展的意見》，《意見》中指出：大力發展裝配式建筑，重點推動鋼結構裝配式住宅建設，不斷提升構件標準化水平，推動形成完整產業鏈，推動智能建造和建筑工業化協同發展。第3章智能建造工程場景中的物聯網3.1預制構件智能工廠管理2022年11月23日，住房和城鄉建設部辦公廳發布《住房和城鄉建設部辦公廳關于印發裝配式建筑發展可復制推廣經驗清單(第一批)的通知》，《通知》中指出，要：大力發展預制構件智能生產。提高預制構件智能化水平，有效提升預制構件生產品質。國內預制構件工廠市場具有入門門檻低，參與者數量多的特點，這使得我國預制構件工廠規模在近幾年來快速擴張的同時，典型城市預制疊合板的價格也在一路走低（圖3-1）。目前我國的預制構件工廠已經有近73%完成了信息化轉型，這些完成信息化轉型的構件廠已經具備了信息化的管理能力和配套了管理工具，已經具備了初步的智能化建造能力，而其中的一些頭部工廠甚至已經開始謀求數字化、智能化的轉型。第3章智能建造工程場景中的物聯網3.1預制構件智能工廠管理第3章智能建造工程場景中的物聯網圖3-1我國近年預制構件廠市場規模與城市預制疊合板價格走向3.1.2相關標準現行的預制構件智慧工廠相關標準較少，本節主要參考的標準有《預拌混凝土綠色生產及管理技術規程》JGJ/T328-2014、《預制混凝土構件工廠質量保證能力要求》T/CECS10130-2021、《預拌混凝土智能工廠評價要求》T/CBMF89-2020/T/CCPA16-2020、《混凝土預制構件智能工廠通則》T/TMAC012.1-2019和CECS標準《混凝土預制構件智慧制造工廠評價標準》（征求意見稿）。第3章智能建造工程場景中的物聯網3.1預制構件智能工廠管理3.1.3基本要求預制構件智慧工廠應用物聯網技術打通生產設備、環境、人員等相關數據接口，完成IT與OT的跨網互通，終端設備形成閉環組網，實現了生產全要素的無線連接、遠程數采與設備交互，實現排產-澆筑-養護-質檢-轉運等全流程的自動化、智能化作業。預制構件智能工廠以無人或少人輔助為原則，通過智能化、自動化設備進行生產施工；利用物聯網技術和監控技術加強信息管理服務，實現多個數字化車間的統一管理與協同生產，應將車間的各類生產數據進行采集、分析與決策，并將優化信息再次傳送到數字化車間，實現車間的精準、柔性、高效、節能的生產模式。第3章智能建造工程場景中的物聯網3.1預制構件智能工廠管理3.1.4架構設計預制構件智能工廠管理平臺架構通常包括數據層、平臺層、應用層和用戶層（如圖3-2），可根據實際項目情況進行調整和擴展。下面對各層的基本內容、數據管理和主要功能要求進行介紹。第3章智能建造工程場景中的物聯網3.1預制構件智能工廠管理第3章智能建造工程場景中的物聯網圖3-2預制構件智能工廠架構圖3.1.5功能要求以混凝土預制構件智能生產車間為例，智能應用按工藝流程控制生產設備進行生產活動，并實時監測設備的執行情況，實現全流程的自動化作業，如表3-1所示。第3章智能建造工程場景中的物聯網3.1預制構件智能工廠管理第3章智能建造工程場景中的物聯網序號智能應用類型智能應用定義1智能排產制造執行系統按照訂單生成構件排產計劃，將構件定位尺寸信息發送給分布式控制系統。分布式控制系統將構件定位尺寸信息發送至工廠內的智能設備。2智能澆筑混凝土分布式控制系統指示布料系統按照構件尺寸準備混凝土方量并在布模區域定量澆筑混凝土，視覺系統通過信息傳輸網絡反饋給邊緣云平臺，實時分析布料情況，反饋給分布式控制系統，調整下料量保證澆筑效果。3智能養護分布式控制系統控制養護系統對構件進行養護，養護系統的環境監測傳感器通過信息傳輸網絡向分布式控制系統上報環境監測數據，分布式控制系統調整養護系統參數、穩定養護系統環境。4智能質檢5G視覺質檢應用部署于成品取碼區，完成成品構件的質量自動化檢測。5智能轉運邊緣云分析碼垛結果，指示分布式控制系統控制自動運輸車AGV將質檢合格的成品構件轉運到倉儲區。運輸設備應滿足以下技術指標要求：1．運輸車應當具備定位功能，實時記錄車輛運行狀態信息和路線的交通狀態信息、裝載和輸