基于北斗卫星导航系统在物联网中的应用_陈洪武
第４１卷　第４期
２０１６年８月
          全球定位系统ＧＮＳＳ　Ｗｏｒｌｄ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ          Ｖ
ｏｌ．４１，Ｎｏ．４Ａｕｇ
ｕｓｔ，２０１６ｄｏｉ：１０．１３４４２／ｊ．ｇ
ｎｓｓ．１００８－９２６８．２０１６．０４．０２４基于北斗卫星导航系统在物联网中的应用
陈洪武，李洪亮
（上海海洋大学工程学院，上海２０１３０６
）摘　要：本文介绍了物联网的发展历史和物联网在中国的发展现状，详细论述了依托北斗导航系统发展物联网的优势，介绍了北斗卫星导航系统在我国物联网中的应用情况，以北斗物流终端应用为例对未来应用进行分析和展望。
关键词：北斗；物联网；应用分析
中图分类号：Ｐ２２８．４  文献标志码：Ａ  文章编号：１００８－９２６８（２０１６）０４－０１１０－
０７０　引　言
物联网是通过各种信息传感设备及系统（传感网，射频识别系统，红外感应器，激光扫描器），条码与二维码，全球定位系统，按约定的通信协议，将物与物、人与物、人与人连接起来，通过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。
物联网通用体系架构将物联网分为网络层、感知层、应用层、支撑层的分层结构，在将来的复杂异构网络的环境下，从而对“物”进行精准的定位、操控和跟踪，实现全面灵活可靠的物－物通信、人－物通信。物联网感知层最主要的就是实现物理世界信息的采集，物联网中的一项很重要的信息就是位置信息，位置信息是很多应用甚至是物联网底层通信的基础。位置信息不仅是单纯的物理空间坐标，还是关联到该位置对象以及处在该位置的时间，要实现在任何地点、任何物体、任何时间之间的连接这一物联网发展的目标，位置信息是不能缺少的，怎样利用定位技术更全面更精准地获取位置信息，这将会是物联网时代的一个重要研究课题。定位导航技术已成为当今应用最成熟、最广泛的无线定位技术。虽然ＧＰＳ定位系统能够满足绝大部分的商用需求，但针对移动定位，仍然存在耗时长、环境受限、精度低等无法弥补的缺点。随着现在无线通信技术日趋快速的发展，网络信息的定位技术，
开启了移动定位崭新的一页。以此同时，对于定位盲区，室内环境的定位技术也在近几年引起业界强烈的关注。定位技术正面向更精准、更全面的目标
不断前行［
１］
。全球导航卫星系统（ＧＮＳＳ）能为用户提供连续、精确的速度信息和三维位置，同时具有授时的功能。全球导航卫星系统包括欧洲的伽利略系统、美国的全球定位系统、中国的北斗系统和俄罗斯的格洛纳斯系统等。中国的北斗系统不但能提供速度、时间和位置的信息，还能为用户提供短报文服务，这是北斗系统在物联网中应用的一个非常重要的基础。
此外，全球经济城镇化、一体化、人为或自然灾害日益频繁化等带来的许多社会问题，人们正常运行的工作、高效管理以及生活已成为我国甚至全世界急待解决的问题。同时，全球新一代移动宽带网络、卫星导航定位技术、云计算与物联网（Ｉｎ－
ｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ）等新的信息技术在快速的发展和不断的深入应用，这些都将为当今城市的运行管理步入“智慧化”奠定了良好的科技基础，提供了良好的技术保障，从而面向更顶级的城市智慧化发展。本文对于北斗系统在物联网典型的应用领域进行了探讨，分析了北斗系统的物联网体系架构，为我国的北斗系统在物联网中的应用提供技术与理论支撑。
收稿日期：２０１６－０４－
１０联系人：李洪亮Ｅ－ｍａｉｌ：８７０００３３１７＠ｑｑ
．ｃｏｍ．
１　物联网发展的历史与现状手机北斗导航如何开启
物联网理念最早可追溯到１９９５年出版的《未来之路》一书，比尔·盖茨已经提及物互联，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的发展，并未引起重视。１９９８年，美国麻省理工学院（ＭＩＴ）创造性地提出了当时被称作ＥＰＣ系统的物联网构想。１９９９年，建立在物品编码、ＲＦＩＤ技术和互联网的基础上，美国Ａｕｔｏ－ＩＤ中心首先提出物联网概念。ＩＴＵ在２００５年发布了《ＩＴＵ互联网报告２００５：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ》，正式提出了“Ｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ（物联网）”的概念，包括所有物品的应用和联网［２］。
物联网的发展有近七年的历史，最早在２００４年日本就提出了以发展泛在网络社会为目标的Ｕ－Ｊａｐａｎ构想的计划，并计划在２００４－２００７年期间投入２９亿美元，预计到２０１０年将收益３７１亿美元。美国政府也提出在２００９年公布计划，将投资智能电网４０亿美元，智能电网指的是现有的电网基础，通过在输电、发电等各环节引入先进的测量和传感技术、决策支持系统和控制
方法，实现电网的高效运行、高可靠性。韩国也提出了Ｕ－Ｋｏｒｅａ战略及ＩＴ８３９战略，计划在２０１０年投入７００亿美元，物联网的发展是韩国的三大基础建设之一。由于物联网的兴起，国外许多知名的运营企业（包括国外Ｖｏｄａｆｏｎｅ、Ｔｅｌｅｎｏｒ、Ｏｒａｎｇｅ等）都纷纷开始尝试建设统一的物联网业务运营支撑平台［３］。中国的电信运营商也开始面向企业、个人用户提供许多的特信息化服务。虽然这些服务也只能算作是“物联网”概念下的业务分支，但为物联网的全面建设打下了良好的基础。
其中物联网最重要的环节就是传输、感知、处理，然后实现精确、及时、全面地获取信息以及对信息的处理。物联网的核心技术与它关键的环节紧密相关。１９９９年，我国提出了传感网，与此同时，我国启动了传感网的开发与研究，逐渐开始形成了中国的物联网。目前，全球物联网和中国物联网的发展同时处于刚起步阶段，刚刚具备应用基础、产业和技术，这些都表现出很好的发展态势。
产业的发展初具基础：通信设备制造业具有较强的国际竞争力；无线射频识别（ＲＦＩＤ）产业市场规模超过１００亿元；对于公共互联网和公共通信网已经建成的全球最大和先进的技术。机器到机器（Ｍ２Ｍ）终端数量在１０００万左右，已经成为全球最
大的Ｍ２Ｍ市场之一。据统计，在２０１０年我国物联网市场规模在２０００亿元左右。
标准的研制和技术的研发已经取得重大的突破，如我国在通信协议、芯片、智能计算、协同处理、网
络管理等领域开展了多年的技术研究，由此也取得很多成果。在传感器网络标识、接口、安全、物联网体系架构、通信网融合和传感器网络等方面相关的技术标准研究我国也取得很大进步，已经成为国际标准化组织（ＩＳＯ）传感器网络标准工作组（ＷＧ７）的重要国之一。现在我国在安防、电力、物流、环保等许多领域都有物联网应用。
虽然我国物联网在技术研发、产业发展、应用拓展和标准研制等许多领域上已经取得了许多的进展，但是我们也要时刻保持清醒的意识，我国物联网的发展还有许多的制约因素以及瓶颈，我国物联网还处于初步阶段。其中主要表现为以下几个方面：高端综合集成服务能力低，高端产品和核心技术与国外差距大，缺乏强大的龙头企业，规模化应用少，信息安全方面存在隐患和应用水平较低等。
现在人们普遍关注物联网技术中比较重要的ＲＦＩＤ技术，实际上它并不是一项新的技术，其中最为典型的试应用能追溯到１９９１年的第一次美伊战争。那时，美国军方就发现，战争结束后在一些机场、港口堆积许多的军需物资集装箱，然而这些物品应该运到哪，应该属于谁都不知道。如果想搞清楚这些信息，需要消耗大量的财力和人力，由此美国的五角大楼就启动了一个“军需物资可视化管理”的重要项目，并成功地将ＲＦＩＤ技术应用在此项目中。
２　物联网在中国的发展设想
中国移动在“ｅ物流”业务上，将对物流运输行业推出无线通信、地理信息系统、集全球定位系统、短信
技术于一体的硬、软件综合信息系统管理平台，提供运输路径的选择、货况信息、短信通告、车辆定位、优化等服务与运输网络的设计。
中国电信对于物联网业务分为两个部分：“商务领航”和“平安ｅ家”，主要面向企业用户“商务领航”为业务统合名称的业务，包括：农村信息化、车辆定位、全球眼、渔业监控等，用户范围涉及司法、农林牧副渔、交通等领域。而“平安ｅ家”主要面向家庭的业务在２００７年推出，那时物联网概念在中国还没有得到很好的关注，该业务可结合利用
１
１
１
第４期        陈洪武，等：基于北斗卫星导航系统在物联网中的应用
感应技术，网络传输为用户提供以家庭为单位的看
护、安防、紧急呼叫等功能［４］
。此外，中国电信还向
物流行业提供“物流ｅ通”业务，是采用移动通信、Ｇ
ＰＳ定位和自动识别等多个技术，将物流的管理系统嵌入到ＣＤＭＡ手机中，
提供物流业务管理、物流数据采集、第三方定位和自主导航等功能［
５］
。中国联通代表性的物联网业务则是３Ｇ污水监测业务，它已经脱离了个人消费的传统的应用领域。这项物联网业务可以通过３Ｇ和ＷｉＦｉ等网
络，能够及时对灌溉、水文、水表等动态的数据进行
监测，还能对碳排放、噪音和空气质量进行监测［
６］
。针对我国物联网发展的现状以及对《物联网“十二五”发展规划》的理解，提出了两个方面的构
想［
７］
。２．１　大力发展物联网的中间件在“物联网的核心技术部分”中已经描述了中间件。处于感知层、传输层的嵌入式设备中或物联
网的集成服务器端的中间件则是物联网中间件［
８］
。从本质看，物联网中间件是物联网在应用的共性需求。首先，它受限于底层不同的硬件平台和网络技术，物联网中间件的研究主要还集中在互联互通和底层的感知方面；然后，当今物联网应用规模和复杂度都还处于刚起步的阶段。
目前，我国在《物联网“十二五”发展规划》中也
没有明确提到关于中间件的发展和规划［
９］
，想要占领物联网的制高点，必须高度重视中间件和软件的作用。
把现有的子系统和智能物件联系起来这就是物联网产业的发展，实现应用的“管控营一体化”和大集成，
实现高效、节能、安全、环保的社会服务。中间件和软件将作为灵魂和核心起到关键的作用，和硬件设施一起推动着整个产业链的发展。２．２　物联网将从依托电信网络转向依托北斗导航
系统
中国的物联网主要是包括中国电信、中国联通、中国移动这三大运营商的电信网络提供的服
务［
１
０］。如中国电信推出的面向企业用户的“商务领航”和面向家庭业务的“平安ｅ家”，广泛应用于紧急呼叫、安防、司法、看护、农林、物流的领域；中国联通推出的代表性物联网业务则是３Ｇ污水检测业务，实时对灌溉、水表、水质、水文等动态数据进行检测，还可以对碳排放量、噪音和空气质量进行检测；中国移动推出了面向物流运输行业“ｅ物流”推出的硬、软件综合信息系统管理平台。以电
信网络为依托，物联网的产业已经在国内有了一定的发展，但整个物联网缺少统一的支撑平台，由此对物联网的产业化造成非常大的障碍。在物联网前期的发展中限制许多导航系统的应用，随着北斗系统的建成和使用，将足以促进中国物联网产业迅猛的发展。和电信网络作比较，北斗系统有着以下的优势：
１
）用户容量大。单星每小时就可提供２００万次导航服务，目前国内已有１１颗卫星，所以每天能提供近６亿次的导航服务。北斗导航系统独有的短报文功能，每次就能够提供１２０字左右的短信服务功能。简单的推算一下，以３６Ｍｂ的卫星转发器为例，每秒能发送大约２００００条报文，一天就能转发约１７亿条报文，假如每颗卫星只有一个转发器，十几颗卫星每天也能够转发几百亿条报文，这远远比电信网络的承载能力大。
２
）导航信号分布广泛。电信网络就是利用遍布全国的信号塔进行传送，在地形复杂的地区（如盆地、山地）和偏远的地理位置，信号质量不够稳定，且网络覆盖较差。而导航卫星的信号在全部地区都能够稳定地覆盖。这对于所有地区的电力监控、“管道检测”环境监测、物流跟踪等业务都有很大应用价值。
３
）计划在２０２０年物联网中“物与人”的比例提高到３０：１，然而电信网络主要是针对人与人的通信进行设计，没有考虑到物联网的连接数将会比现在的人与人的连接数高出很多。而且电信网络无法有
效隔离物联网通信服务和人与人通信服务，那么物联网业务就会冲击现有的人与人通信的应用，造成此业务的中断。在北斗的短报文业务中，人与人的日常通信应用很少，大多都是作为位置信息来传递使用，由此导航系统就不会出现不同业务的冲突。北斗系统提供的免费服务，假如作为物联网的支撑网络，服务的成本比电信网络低很多。４
）物联网终端通信具有频繁的位置更新和状态切换这些功能，例如在某一个特定的时间集中聚集到某一地区等这些特点。关于电信网络，则需要在间频繁的切换，对带宽要求非常高，很容易造成通信阻塞，从而影响物联网系统运行效率。北斗的单星覆盖范围非常广，一般的位置切换完全不会影响其信息的传输。况且每个地区的可见卫星至少有四颗，能够通过有效的资源调配，从而避免造成通信阻塞。
因此，物联网在国内外已得到了一定的发展和
２
１１全　球　定　位　系　统第４１卷
重视，而目前我国每个运营商的开展都是属于物联网业务的分支，但是整个物联网缺乏统一的支撑平台，所以还需进一步整合资源。此外，在物联网前期的发展中，对导航系统的应用很有限，随着我国
的北斗卫星导航系统的建成和使用，对于物联网下一步发展中的应用，充分发挥北斗卫星导航系统的优势，对物联网的发展起到支撑作用。
３　北斗导航系统和物联网技术的联系
  北斗导航和物联网技术的关系就是北斗导航为物联网技术应用提供位置导航服务的关系，不但有北斗导航的定位功能，而且还能够增加物联网的应用范围。而物联网的技术则是北斗导航系统产业链中的一个环节，既能够直接促进信息科技产业的发展，促进新型产业的出现，又可以服务于广大客户，形成导航应用产品。
在物联网（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ）的通信过程中，对于物体的位置则需要进行准确的定位，尤其是移动中的物体，如果采取传统的方法十分困难。目前最好的解决方法就是利用卫星导航定位系统［１１］。这与传统意义上的方法相比较，它具有明显的优点以及可操作性，精准的授时服务，准确的位置信息，获取信息方便，无需组建网络等这些优点。与此同时，其缺点也十分明显：利用ＧＰＳ会有较大的安全隐患。对于ＧＰＳ的寿命和质量美国政府从来没做出保证和承诺，况且美军还能够对一定地方的ＧＰＳ信号进行致盲和干扰。北斗导航系统是由我国自主研发，可以很好解决物联网技术中的导航和定位问题，同时，也能够保障此系统工作的可靠性和安全性。
４　北斗导航系统终端的应用
北斗导航系统具有短报文通信、授时和定位功能。物联网由三个层级来构成，分别是：网络层、应用层和感知层［１２］。它与ＧＰＳ单纯的作为感知层有所不同，北斗导航系统能够同时作为物联网中的网络层和感知层。北斗授时功能已经在金融、电力、通信及科学及得到了应用。通信和定位功能也在森林防火、渔业、气象及大气环境检测、勘探及地质监测、水利及海洋信息检测的方面取得了广泛的应用，例如：油田管道的生产监控、车辆的调度、数据采集传输系统、铁道运输的全程监控系统以及船舶航行的调度指挥等。
目前，物联网领域物流行业的发展和交通部的“两客一危”示范工程对北斗卫星导航系统的应用都起到积极的作用。
４．１　物流行业的应用
物流行业作为物联网的一个重要的应用，目前，随着电子商务的飞速发展物流行业也不断的壮大，尤其是如今的天猫淘宝主导的双十一活动后的大量货物。流通的货品种类越来越多、数量越来越大，单纯依靠传统的管理方法已经很难满足现代物流需求；同时，客户对物流行业的体验提出了更多更高标准的要求。因此，无线手持终端产品在自动化物流仓储系统中得到了广泛的应用；物联网技术如一维／二维码、ＧＰＳ、ＲＦＩＤ等已经在物流行业被广泛应用，从而实现物流调度、车辆的监控、客户服务、车辆服务、预警管理和商品的跟踪等。北斗导航系统不仅有独特的短报文通信功能，而且还可
以提供像ＧＰＳ一样的导航服务，因此，作为国产化的北斗导航系统北斗智能物流终端会随着时间的推移还将逐步在物流行业导航定位中有着广泛的应用。
４．２　两客一危”的示范工程
“两客一危”工程指的是旅游包车、三类以上班线客车和危险品运输车，它是北斗导航系统应用的首个民用示范工程，交通运输部《交通运输部关于加快推进“重点运输过程监控管理服务示范系统工程”实施工作的通知》中在２０１２年１２月３１日要求，在湖南、贵州、江苏、安徽、宁夏、陕西省，天津市、山东、河北９个省市建立的首个北斗专项示范项目，要求“两客一危”的车辆必须安装北斗兼容车载终端，不按规定加装北斗兼容车载终端的车辆，将不给予核发审验道路运输证。
２０１０年，全国重点营运车辆联网联控系统在上海世博会开始建立，系统采用横向对接、纵向分级的体系结构，实现多地区、相关企业以及多部门的联合监管和信息共享。
该系统以北斗卫星导航终端和ＧＰＳ为基础，实现了车辆动态数据跨部门、跨地区流转，建立了统一的数据交换，整合了全国３０个省级平台资源。对于重点营运车辆动态信息公共交换平台的建成，明显地降低了交通事故，做到防祸于未然，提升了交通主管部门的公共服务能力，该项目的建设实现了将相关预警信息及时发布给管理相对人，能够避免交通风险的信息化管理［１３］。
３
１
１
第４期        陈洪武，等：基于北斗卫星导航系统在物联网中的应用
５　北斗智能物流终端在物流行业的应用
５．１　传统物流
物流系统指的就是在特有的空间和时间，由输送的物料和输送仓储设备、通信、人员、资料以及工具联系等若干相互制约的动态要素构成了特定功能性的有机整体
。
图１　物流的基本流程
  从图１流程可以看出，传统物流过程中实时性差，客户不能有效地了解到货物中转的情况，体验差。
目前，在现代的物流体系中物流手持终端已得到了广泛的应用，但主要集中在物流配送、物流仓储等环节。物流仓储中物流手持终端主要实现组盘、组箱、下达入库任务、入库任务确认、物料信息查询、出库确认、库存查询等。物流配送环节主要是用于配送货物信息扫描以及结算的环节。手持终端还是没有在整个物流的各个环节中充分发挥它的作用。
５．２　北斗智能物流终端在物流各个环节的应用
北斗智能物流终端主要是面向行业用户的移动信息化产品，它建立在北斗卫星导航技术和自动识别技术的基础上，它是基于ＧＳＭ和ＷＣＤＭＡ等蜂窝网络开发的整套物流行业信息化的终端解决方案。它不同于传统的物流手持终端的北斗导航系统的融入。
北斗智能物流终端在物流中主要作为移动办公终端，使物流过程智能化、可视化、便捷化、时效化。北斗智能物流终端依托网络为调度员、提派员、验货员、库管等常处于非办公场所的角提供随时随地的资源调度、信息查询、消息发布，能极大地提高物流行业上工作效率。与此同时，在货物全程跟
踪、任务全程跟踪、路径规划以及任务调度过程中发挥着重要的应用。该系统包含的服务器构成物流信息化平台作为云端，将北斗智能物流终端和各分公司的信息化系统作为终端。
北斗导航系统的存在，服务器端能够实时的获得终端的位置；另外北斗智能物流终端依靠蜂窝网络能够及时的和物流信息化平台相互连接，实现服务器端和终端数据的实时更新。北斗导航系统可以为服务器间提供时钟的同步，短报文功能还能够在没有蜂窝网络的偏远位置维持其应急的通信。
应用流程详细描述如下：
１
）在客户下单的环节，需要物流公司工作人员取件，物流信息化平台将信息推送给相应工作人员的北斗智能物流终端。取件信息实现即时推送，让工作人员在第一时间了解取件的信息，也能够在终端上显示具体的位置。对于传统物流，这个过程主要是依靠电话来告知情况，对人的依赖性强且缺乏时效性，而且还会产生不必要的额外的通信费用。
２
）在取件过程中，用北斗智能物流终端能够扫描包裹的信息以及录入地理位置信息等，且能及时上传至物流公司信息化平台。
３
）如果当包裹送至分拣中心进行分捡时，用北斗智能物流终端进行分捡录入工作，能够有效的提高精确度和省去额外的多余的培训快件细分工作员的成本。传统物流的分拣主要是依靠快件细分工作员，凭借熟练程度和高超的记忆，需要很长时间的培训才可以上岗。工作人员有误差在所难免，准确率也只有８０％．
４
）通过铁路、航空、公路运输包裹时，配有车载北斗导航终端，可以实现运输过程中的全程监控，车载北斗导航终端及时的向物流信息化平台传
４
１１全　球　定　位　系　统第４１卷

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。