物联网四层核心元件的计量标准及四层基础架构介绍

工程师郭婷 发表于 2018-07-15 08:49:59 收藏 已收藏
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物联网四层核心元件的计量标准及四层基础架构介绍

工程师郭婷 发表于 2018-07-15 08:49:59

物联网已得到世界各国的广泛关注和重视,被认为是继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次革命浪潮。

我国提出“感知中国”战略, 已正式将物联网上升为国家重点发展的五大战略性新兴产业之一 。

物联网是将物体按照约定的协议进行信息通讯和交换,实现物体和物体之间的互联互通以及智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网四层核心元件的计量标准及四层基础架构介绍

按实现功能的不同,物联网构架可划分为四个层次,即标识层、感知层、传输层和应用层。 

标识层是对物体身份信息的获取,其核心元件是RFID;感知层是通过各类传感终端设备获取物体的静态和动态信息,其核心元件是传感器;传输层是实现信息的通讯和交换,其核心元件是无线数据通信网络;应用层是实现信息的识别和反馈,其核心元件是智能芯片。

物联网四层核心元件的计量标准及四层基础架构介绍

物联网的四层基础架构

目前,物联网发展迅猛,但许多概念、技术和标准体系都在不断的探索之中。因此,能否拥有核心自主知识产权、制定核心技术和标准体系已成为世界各国抢占物联网产业制高点的关键所在。

从1999年以来,我国就启动了物联网的研究,在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器、移动基站等方面取得重大进展,目前已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链,是世界上少数能实现物联网产业化的国家之一,是国际标准制定的主导国之一。

物联网要”感知”物体,就涉及到量值问题,因此也就离不开计量,计量标准也就成为物联网标准体系的重要组成部分。针对物联网,计量标准主要围绕在两个方面:一是物联网四层核心元件的计量标准体系的建立;二是物联网应用在计量检测技术领域上的计量标准体系的建立。

物联网四层核心元件的计量标准及四层基础架构介绍

智能热计量云节能物联网系统

物联网四层核心元件的计量标准体系建设

1、物联网核心元件标准不统一

对于物联网而言,标识、感知、传输和应用四个层次的核心元件的技术和标准统一性是发展的基石。

现在,RFID、传感器、无线数据通信网络和智能芯片都是成熟的技术,也都拥有自身的标准。例如,在RFID领域内,有EPCglobal(全球产品电子代码管理中心)、Algglobal(全球自动识别组织)、ISO(国际标准组织)、IEC(国际电工委员会)、UID(泛在技术核心组织)等五大国际RFID标准化组织推出的国际标准,还有国内工信部牵头成立的RFID标准化工作组推出的国内标准。

在传感器领域,由于涉及学科众多,长期以来都是在各学科领域内独立发展,对不同参量的传感器存在有差异颇大的测量、测试和性能评价标准。

在无线数据通讯网络领域,存在有蓝牙、WLAN、4G、5G、NB-Iot、无线自组织网络等多种无线通信的制式和协议;单就3G标准而言,还可细分为WCDMA(欧洲版)、CDRA2000(美国版)、TD—SCDMA(中国版)以及WiMAX四大主流无线接口标准,前三种标准在我国现同时采用。

在智能芯片领域,标准的多样性更是不胜枚举。

但是,这些成熟的标准若要应用到物联网领域,还存在有很多难题,这是因为物联网要求各层构架之间要有统一的技术和标准,才能实现物物之间的联通。正如互联网在全球有效解决了统一的TcP/IP传输协议、路由器协议、终端的构架和操作系统等标准化问题,才能达到现今的发展程度。如果物联网在发展过程中,缺乏统一的国家级和国际级标准体系,各企业和行业自行制定或采用的标准必然会存在兼容性差的固有问题,其结果就是形成大量小型的专用网,各专用网间无法实现联通,不能进行并网和联网,因此也就不能形成规模化经济,不能形成完整的商业运营模式,最终也无法实现面向大众的普及。

2、核心元件计量标准体系的建设

在物联网四层核心元件标准体系的建设中,计量的作用就是形成一套完整的量值测量和评价标准体系,对RFID、传感器、无线数据通信网络和智能芯片等核心元件的各方面参数进行全面测量,对所采用的协议进行全面测试,对整个系统进行可靠性和精确性评估。形成完整的计量测试技术标准规范,为物联网的全面部署提供计量保障。

物联网不是一个独立的产品,也不是一个企业或是一个行业可以独立做起来,它牵扯到全社会的各行各业,需要整合多方面的资源才能实现,这就需要国家产业政策的支持和行政管理部门的牵头,根据我国社会和经济发展的实际情况,整合RFID、传感器、无线数据通信网络和智能芯片领域现有的标准,形成具有自主知识产权的核心标准,才能在物联网发展的浪潮中占领制高点,获得国际话语权。

物联网应用在计量检测领域的标准体系建立

物联网四层核心元件的计量标准及四层基础架构介绍

能源计量物联网应用方案

1、计量检测行业面临的困境

在计量领域,工作对象计量器具具有周期性检定/校准的鲜明特点。对于国家强制管理的计量器具,要按照法定周期进行复检;对于非强制管理的计量器具,使用单位可根据法定计量周期或是企业自行确定的周期进行复检。

对于每一个计量器具,在有效使用寿命内,常常需要数次至数十次的计量检定。同时,工作用计量器具由于安装在使用现场、体积大不易移动等原因,常常需要计量检定机构提供上门计量服务。

这两种情况的存在,导致计量检定机构每年要完成数目庞大的上门计量任务,从而衍生出如下四点问题:

(1)计量检定人员花费大量的时间疲于赶路,极大降低了工作效率,出现了计量检定任务来不及做、有效工作时间无法合理安排的困境;

(2)上门检定需要携带计量标准器具等工作设备。出于对计量标准器具稳定性、精确度和安全性等因素的考虑,不易采用托运、快递等便捷的运输方式,只能随身携带,这就造成计量检定人员每次外出都需要携带大量的仪器设备,增加了工作强度;

(3)检定对象分散在全国各地,每组检定人员都需要携带工作设备,所以计量检定机构必须配备一定数量的同种计量标准器,这既扩大了计量检定机构运营成本的压力,也不利于合理使用设备,造成资源浪费,还衍生出设备管理、维护和折旧等一系列问题;

(4)计量检定服务收费项目中包括计量检定人员的路程费用,有时单纯计量器具的检定费用远远小于路程费用。增加了企业的经济负担,导致企业出现“不想检、不愿检、逃避检”的现象。

2、物联网应用在计量检测领域的意义

众所周知,计量器具是度量衡工具,其仪器设备的准确性和可靠性直接影响到测量参数的准确程度。

在贸易结算、医疗卫生、安全防护和环境监测这四个领域内,计量器具更是直接关系到国计民生、人身安全和社会稳定等重大问题,《计量法》中明确规定要进行强制性周期计量。但是,在目前监管体制下,计量器具的检定更大依赖于企业的自觉自愿,政府职能部门和相关计量检定机构缺乏有效的监管措施和手段对企业在用计量器具进行监管。

物联网的出现,为解决这个难题提供了帮助。将物联网技术应用在计量检测领域内,具有如下优点:

(1)对强制检定的计量器具的使用情况进行动态跟踪和监管。突破了时间、地域和人员上的限制,有利于落实计量器具强制管理的法律法规;

(2)对计量器具的性能、参数等信息进行实时采集,可从根本上改变传统的预定周期的检定模式,有利于实现工作用计量器具的动态化管理,形成事前质量管理的科学的检定模式,有效避免了约定检定周期与计量器具质量状况间的不匹配矛盾,为企业节约运营费用,也提高计量器具的使用效率;

(3)有利于实现对计量器具的集约化管理,推动计量器具的外包服务模式发展,形成计量检测机构为企业提供一站式服务的工作模式,让企业将更大的精力投入到主营业务上。

3、计量检测领域的标准体系建设

物联网四层核心元件的计量标准及四层基础架构介绍

在计量检测服务作业过程中,核心的技术手段就是量值比对,核心的理念就是量值溯源。

根据现行的计量检测技术标准,计量检测机构使用比企业工作用计量器具至少高一个数量级的计量标准器具进行现场量值对比,计量检测机构的计量标准器具再与上一级的计量标准器具或是国家计量基准或是国际计量基准进行对比,整个比较链必须满足量值溯源原则。因此,现行计量检测技术参考的法律依据,即计量检定规程和计量校准规范,都是据此编写的。

物联网跨越了时空的限制,实现了工作用计量器具和计量标准器具之间的互联互通,不再需要两者进行现场间的比对。这样,现行的计量检定规程和计量校准规范的部分内容就明显不适用了,而且缺少指导性的操作条款,特别是量值溯源问题在计量标准体系中如何实现就显得尤为重要。

下面以量块的计量检测为例说明上述问题。依据现行计量检定规程和计量校准规范,将工作用量块和标准量块进行现场比对,就可以给出工作用量块的检测结论。在计量物联网中,工作用量块在企业现场,标准量块在计量检测机构内。首先要通过测量装置读取工作用量块的参数,再传输到计量检测机构内,与标准量块的参数进行对比。这种操作流程在现行计量标准中没有体现,因此检定人员也没有作业指导依据。更为关键的是如何获取工作用量块和标准量块的参数,这当中就涉及到量值溯源的准确性和可靠性问题,需要有相关的计量标准作为支撑。

在物联网发展过程中,标识、感知、传输和应用四个层次的核心元件RFID、传感器、无线数据通信网络和智能芯片都涉及到如何准确、可靠获得量值和对量值进行评价的问题。需要在相关计量标准中加以明确。同时,这四个核心元件都存在有现行标准不统一问题,为全面实现物联网带来了标准上的不协调。

物联网的概念和技术应用在计量检测领域内是可行的也是必要的,其可以有效解决计量检测领域现在面临的发展瓶颈问题。但是,由于物联网的跨地域检测方法和现行的现场比对方法具有明显的差异性,现行的计量检定规程和计量校准规范在操作指导性上明显不足,同时量值溯源的标准体系也需要重新考虑。

物联网的标准体系还处于渐进发展的阶段,远未成熟。无论是物联网核心元件计量标准的体系建设还是物联网在计量检测领域中应用的标准体系建设,都是一个庞大的系统工程,是一个企业或一个行业无法单独完成的,需要国家宏观政策的支持和引导,需要国家级职能部门的牵头和领导,动员全社会的力量,群策群力,方能完成计量相关标准体系的建设,为物联网时代的到来奠定基础。

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