第1章物联网工程技术绪论

武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜物联网工程技术第1章绪论武汉理工大学物联网工程系2011.9武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜第1章绪论1.1物联网的基本概念1.2物联网的结构与特征1.3物联网关键技术分析1.4物联网的应用前景1.5物联网的国内外发展状况武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜1.1物联网的基本概念•2008年底IBM向美国政府提出的“智慧地球”战略，2009年6月欧盟的“物联网行动计划”，以及2009年8月日本的“i-Japan”计划等，都是利用各种信息技术来突破互联网的物理限制，以实现无处不在的物联网络。•2009年8月7日，国务院总理温家宝在视察无锡无线传感网工程研发中心时明确指出，要集中力量突破核心技术，着力提升自主创新能力，推动传感网更好地为产业可持续发展服务。从此，“感知中国”的战略浮出水面。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜•物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。国际电联曾预测，未来世界是无所不在的物联网世界，到2017年将有7万亿传感器为地球上的70亿人口提供服务。•一方面物联网可以用于提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。•中国也正在高度关注、重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜1.1.1物联网与互联网•物联网的概念分为广义和狭义两方面：–广义来讲，物联网是一个未来发展的愿景，等同于“未来的互联网”或者“泛在网络”，能够实现人在任何时间、地点，使用任何网络与任何人与物的信息交换以及物与物之间的信息交换；–狭义来讲，物联网是物品之间通过传感器连接起来的局域网，不论接入互联网与否，都属于物联网的范畴。•物联网的一种定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。•物联网的另一种定义是：物联网是由具有自我标识、感知和智能的物理实体基于通信技术相互连接形成的网络，这些物理设备可以在无需人工干预的条件下实现协同和互动，为人们提供智慧和集约的服务，具有全面感知、可靠传递、智能处理的特点。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜•定义的两层意思：–物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；–其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。•据物联网与互联网的关系分类，可归纳为如下四种类型：–物联网是传感网而不接入互联网–物联网是互联网的一部分–物联网是互联网的补充网络–物联网是未来的互联网总之，不论是哪一种类型的概念，物联网都需要对物体具有全面感知能力，对信息具有可靠传送和智能处理能力，从而形成一个连接物体与物体的信息网络。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜物联网的基本特征•全面感知、可靠传送、智能处理。“全面感知”是指利用RFID、二维码、GPS、摄像头、传感器、传感器网络等感知、捕获、测量的技术手段，随时随地对物体进行信息采集和获取。“可靠传送”是指通过各种通信网络与互联网的融合，将物体接入信息网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享。“智能处理”是指利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的跨地域、跨行业、跨部门的数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜1.1.2物联网的相关概念(1.物联网)–定义1：把所有物品通过RFID和条码等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。–定义2：任何时刻、任何地点、任意物体之间的互联，无所不在的网络和无所不在的计算。–定义3：由具有标识、虚拟个性的物体/对象所组成的网络，这些标识和个性等信息在智能空间使用智慧的接口与用户、社会和环境进行通信。–定义4：物联网是未来互联网的一个组成部分，可以被定义为基于标准的和可互操作的通信协议，且具有自配置能力的、动态的全球网络基础架构。物联网中的“物”都具有标识、物理属性和实质上的个性，使用智能接口实现与信息网络的无缝整合。物联网主要由RFID标签、标签阅读器、信息处理系统、编码解析与寻址系统、信息服务系统和互联网组成。通过对拥有全球唯一编码的物品的自动识别和信息共享，实现开环环境下对物品的跟踪、溯源、防伪、定位、监控以及自动化管理等功能。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜2．无线传感器网络–定义1：无线传感器网络是由若干具有无线通信能力的传感器节点自组织构成的网络。–定义2：泛在传感器网络（UbiquitousSensorNetwork）是由智能传感器节点组成的网络，可以以“任何地点、任何时间、任何人、任何物”的形式被部署。–定义3：传感器网络以对物理世界的数据采集和信息处理为主要任务，以网络为信息传递载体，实现物与物、物与人之间的信息交互，提供信息服务的智能网络信息系统。由传感器、通信网络和信息处理系统为主构成的传感网，具有实时数据采集、监督控制和信息共享与存储管理等功能，它使目前的网络技术的功能得到极大拓展，使通过网络实时监控各种环境、设施及内部运行机理等成为可能。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜3．泛在网络–指无所不在的网络。最早提出U（Ubiquitousnetwork）战略的日本和和韩国给出的定义是：无所不在的网络社会将是由智能网络、先进的计算技术以及其他领先的数字技术基础设施武装而成的技术社会形态。4．各概念之间的关系–从ITU、ISO等国际标准组织对传感器网络、物联网定义和标准化范围来看，传感器网络和物联网其实是一个概念的两种不同表述，其实质都是依托于各种信息设备实现物理世界和信息世界的无缝融合。–泛在网是面向泛在应用的各种异构网络的集合，也被称为“网络的网络”，更强调跨网之间的互联互通和信息聚合与应用。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜1.2.1物联网的体系结构武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜1．感知层：主要包括二维码（含IC卡、磁卡、一维码等）和识读器、RFID标签和读写器、摄像头（多媒体信息设备）、GPS（实时定位设备）、传感器、传感器网络和传感器网关以及执行器等。•实现对物体的感知与识别，采集物理世界中发生的物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。2．网络层：实现更加广泛的互连功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送。•包括各种通信网络与互联网形成的融合网络，是物联网成为普遍服务的基础设施，有待突破的方向是向下与感知层的结合，向上与应用层的结合。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜3．应用层：将物联网技术与行业专业领域技术相结合，实现广泛智能化应用的解决方案，利用现有的手机、PC、PDA等终端实现应用，物联网的数据处理与应用。•关键问题在于信息的社会化共享，以及信息安全的保障。另外，物联网管理中心、信息中心、云计算平台、专家系统等对海量信息进行智能处理技术亟待突破。•体系结构中的三层分别对应着物联网的三个基本特征：–全面感知，即利用传感器、RFID等随时随地获取物体的信息；–实时传递，通过各种网络传输手段将物体的信息实时准确地传递出去；–全面应用，包括资源的共享和交换、对海量数据和信息进行分析和处理、对各种方案实施智能化的决策等。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜1.2.2物联网技术体系结构武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜1.2.3物联网的特征•信息量：物联信息将达到真正意义上的海量级；•设备接入：亿万异构设备的泛在接入，异构种类、接入方式应有尽有；•网络架构：信息和存储的物理边缘化，个人的、企业的、团体的、地区的、国家的组织的、研究机构的、全球的所辖或在其间交换的数据信息各自存储和管理，分散在机器或设备或物体之中。•网络管理：网络管理的高度自治化；•物物互联：物物互动的协同和智能化；•物理安全：隐私的易泄露，面临更多安全；•设备制造：设备的小型微型化；•能量获取：能量自取、大容量，设备所取能源多样化。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜1.3物联网关键技术分析1．物联网架构技术–要解决存储和计算能力边缘化的技术问题，实现物体具有存储、处理能力，局部物体间协同工作等。–要解决物体间断性通信连接的技术问题，实现物体移动、无线链路动态变化以及分布式的缓存和信息融合等。–要解决支持物体的移动和环境变化的技术问题，实现物体移动带来信息的移动、物体上下文不断变化等。–要解决网中网的技术问题，实现物体之间自治的、动态的组网，以及已有多种网络的操作平台、信息结构、文档格式等异构的互联互通和信息转换。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜2．统一标识技术实现对物体进行统一标识，可方便地进行物体的区分与查找，需要解决如何对单个物体进行唯一标识、一类物品和复合物体的标识问题（标识应该独立于自身位置和上下文环境等信息）。3．通信技术要解决海量物体通信问题的技术。挑战：提供一个完整的端到端系统；网络连接的范围将成指数增长，可测量性，互操作性；如何确保网络运营商的投资回报；新的射频技术和需要满足新设备的连接需求等以及多通信协议标准的融合和互操作。4．网络技术集合了有线和无线方式的网络技术，实现物体无缝和透明接入。要能支持现有网络结构；组网系统间可扩展、跨平台兼容；支持芯片级的组网；减小开销并为物体提供有效连接的解决方案；芯片通信结构中参数可动态配置；通信基础设施随网络负荷而变化；通过功率感知来进行自适应；可能以IP为基础组成满足新需求的网络。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜5．软件服务与算法实现不同软件的统一与互操作。需求：如何在大量无关软件模块中建立一个固有应用软件；将不同环境下的软件整合成一个系统；互联网之上，定义一个新的协议来描述和解决服务实例；解决可扩展性的关键——分布式智能等。6．硬件低功耗多处理系统中的自适应硬件和并行处理等。新的硬件要满足：对配置进行动态修改和设置；处理自适应和自配置设计时的不可预测问题；根据具体应用和上下文的通信需求按需调整基础设施之间的互联情况等。7．物联网能量技术让传感设备从环境中获取能量，这些物体的电池可以自动地进行充电。问题：能量收集技术仍然不够；微功率技术的应用；大能量存储设备的小型化问题；能源高效利用等。武汉理工大学物联网工程系《物联网工程技术(清华大学出版社2011.8)》伍新华陆丽萍姚寒冰程煜8．安全和隐私技术保护个人隐私、商业机密和国际安全。阻止非授权实体的识别和跟踪；阻止未授权信息的访问；要考虑物体位置、数据所有性等保密问题。9．标准物联网应用系统会数不胜数，要确保不同系统间的信息能畅通地交互，就必须订立标准