10物联网与嵌入式系统（PPT57页)

1何涛光电技术与智能控制教育部重点实验室2物联网与嵌入式系统一.物联网的概念二.物联网的背景与发展物联网的战略意义三.物联网的技术特点四.应用案例五.总结3一、物联网的概念4物联网--theInternetOfThings，简称IOT，顾名思义是把所有物品通过互联网连接起来，实现任何物体、任何人、任何时间、任何地点（4A）的智能化识别、信息交换与管理。5物联网是泛在计算时代的业态•PC10年产生了互联网;互联网经过10年运行产生阿里巴巴、百度、盛大等成功企业•由无处不在、无所不有的嵌入式系统构成的泛在计算时代•RFID、无线传感器网和物联网都是泛在计算时代的业态6物联网的本质物联网的本质就是将IT基础设施融入到物理基础设施中，也就是把感应器嵌入到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，实现信息的自动提取。7二.物联网的背景与发展物联网的战略意义8物联网时代将带来全球第三次信息化浪潮9•公文包会提醒主人忘带来什么东西；•衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求；•不住在医院，只要通过一个小小的仪器，医生就能24小时监控病人的体温、血压、脉搏；•下班了，只要用手机发出一个指令，家里的电饭煲就会自动加热做饭，空调开始降温.物联网对人们日常生活的影响10物联网被广泛认为是振兴经济、确立竞争优势的关键战略•2009年世界经济陷入衰退的泥潭，表象是金融行业过度创新引起国际金融秩序紊乱•本质是实体经济滞后于虚拟经济发展。•为摆脱金融危机，实现经济持续发展，主要国家均将培育新的经济增长点作为“治病良方”。•与互联网类似，物联网在生产生活中具有极强的渗透性，具备发展成为新经济增长点的巨大潜能，可为全球经济复苏提供技术动力。物联网对国家战略的影响11•麻省理工学院1999:Auto-IDCenter提出物联网(IoT）。•2005年国际电信联盟（ITU）：“物联网”通信时代即将来临。•2008年11月IBM公司发表《智慧地球：下一代领导人议程》、《智慧地球赢在中国》。•2009年，欧洲物联网研究项目工作组(CERP-IoT)，在欧盟资助下制订了《物联网战略研究路线图》、《RFID与物联网模型》等意见书。•2009年日本制定i-Japan计划,强调电子政务和社会信息服务等信息化应用。•2009年中国科学院发布2050技术发展路线图，提出传感网未来发展趋势预测。代表性的物联网事件122009年12月中央经济工作会议:发展战略性新兴产业，推进产业结构调整。要抓紧研究提出培育我国战略性新兴产业的总体思路，强化政策支持，加大财政投入，培育新的经济增长点。发展物联网的战略意义132009年6月，就“智慧地球”做出批示，要求认真研究。2009年7月，视察中科院长春光机所，强调抓住物联网发展机遇。2009年8月，视察无锡“中科院传感网工程中心”，指示建设“感知中国”中心。2009年11月3日，在首都科技界讲话指出加强物联网发展，使其成为推动产业升级、迈向信息社会的“发动机”。“我们需要早点谋划未来，早点攻破核心技术。”温家宝总理针对“物联网”发展连续4次明确指示:国家：科技部2006：973、863“无线传感器网络”2006：《国家中长期科学与技术发展规划纲要》1414可联Internet设备：巨大市场前景1515•说明：–目前的因特网技术只联结了2-5%的计算装置；–“深度”联网需要“深度”嵌入技术：嵌入式软件将利用网络公用资源/服务来深度设计嵌入式系统；16三.物联网的技术特点171.物联网的系统架构环境监测智能电力…….智能交通工业监控公共中间件信息开放平台云计算平台服务支撑平台异构网融合资源和存储管理专用网络远程控制下一代承载网M2M无线接入移动通信网互联网低速和中高速短距离传输技术自组织组网技术协同信息处理技术传感器中间件技术传感器二维条码RFID多媒体信息标识解析安全技术QoS管理网络管理应用层网络层感知层物联网应用物联网应用支持子层移动通信网、互联网和其它专网传感器网络组网和协同信息处理数据采集公共技术环境监测智能电力…….智能交通工业监控公共中间件信息开放平台云计算平台服务支撑平台异构网融合资源和存储管理专用网络远程控制下一代承载网M2M无线接入移动通信网互联网低速和中高速短距离传输技术自组织组网技术协同信息处理技术传感器中间件技术传感器二维条码RFID多媒体信息标识解析安全技术QoS管理网络管理应用层网络层感知层物联网应用物联网应用支持子层移动通信网、互联网和其它专网传感器网络组网和协同信息处理数据采集公共技术标识层18物联网的三大要素信息采集信息传递信息处理将传感器或RFID等采集设备嵌入需要关注和采集的地点、物体以及系统中，实时获取其状态及状态的变化建设无处不在的无线网络，对采集到的数据进行安全、有效的传递。借助云计算等新的运算处理系统来处理信息和辅助决策19特点之一：学科综合性强物联网是联接数字世界和物理世界的桥梁，通过互联网、云计算和应用，使信息的产生、获取、传输、存储、处理形成有机的全过程。物联网技术涉及到计算机、半导体、网络、通信、光学、微机械、化学、生物、航天、医学、农业等众多学科领域，发展物联网将对相关学科发展起到极强的带动作用。2.物联网的技术特点20特点之二：产业链条长一方面，发展物联网将加快信息材料、器件、软件等的创新速度，使信息产业迎来新一轮的发展高潮，大大拓展信息产业发展空间。另一方面，发展物联网将带动传感器、芯片、设备制造、软件、系统集成、网络运营以及内容提供和服务等诸多产业发展。21特点之三：渗透范围广物联网将物理基础设施和IT基础设施整合为一体，将使全球信息化进程发展重要转折，即从“数字化”阶段向“智能化”阶段迈进。物联网将大大加快信息化进程，拓展信息化领域，其各种应用将快速渗透到经济、社会、安全等各个方面，并极大地提高社会生产效率。22网络安全问题，从互联网的虚拟空间拓展到物联网的物理空间，通过网络就可能实现对现实世界的攻击，信息安全和危机处置将面临的更大的挑战。对计算机病毒的控制需要新的技术和策略，当一个连接到物理世界的物联网的网络上爆发病毒，将可能对现实世界造成损害，这也许就是迈向“黑客帝国”的开端。个人权益保护和相应法律法规健全问题，“物联网”的目标驱动是更有效的控制和管理，无所不在的连接，可能使每个“物”、每个人成为一个节点。海量的现实世界信息自动进入网络，一切都将越来越“透明”，信息管理的权限设定将涉及基本的法律问题，甚至道德伦理问题。3.物联网时代将带来的挑战231.感知：ID发布机制与识别2.物联网宏观架构3.通讯（OSI物理与链路层）4.组网（OSI网络层）5.软件平台、中间件（OSI网络层以上）6.硬件7.情报提炼8.搜索引擎9.能源管理10.安全4.物联网的核心技术24通过数字对“物”（人、物体、设备、网络、事件）分类、检索、识别、达到身份认证的目的，是物联网上各种信息资源共享和保护的前提。•物联网ID使用的方案–局部方案：“物”的ID只在局部范围唯一（如目前的传感器ID）；–全球方案（UID）：“物”的ID在全球唯一（如产品电子代码EPC：96位，每粒大米有唯一的编码）；–不对称方案：一物有多ID或多物共一ID。•ID发布机制–ID发布上有产品家族树、批次、类别、等级等多种索引方案；–目前已存在多个物联网ID发布机构，需建立相应的管理与映射机制。•研究前沿–ID加密、匿（化）名技术；–身份鉴定技术：ID查询、匿名破解；–与ID关联的信息（如地址）采集与保护：数据加密、关联分析、信息挖掘等；–全球/区域ID存储与管理。1）感知：ID发布机制与识别25•物联网应该具备面向服务的架构SOA–服务提供方（业务、价格、质量）与客户方（需求）必须互相理解；–智能化的语义理解技术，使“物”之间可通过不同的通信协议或自然语言可以进行沟通。•智能语义理解是物联网SOA架构的支柱–丰富的理解与表达力，实现“物-物”联通下分布式资源的使用；–模块化：可理解、构造复杂语句；–可扩展、兼容，被不同“物”使用；–学习能力：“物”与其他“物”交互，从而获得对自身、周围环境、任务、所在群体或网络状态等更全面、更新的认知。•研究前沿–纵向：建立跨领域、业务的物联网通用词库，如中文物联网商业通用动词集、物联网商务协议标准模板集等；–横向：发展物联网通用词汇/模板的编码方式，如电子商务可扩充标识语言（ebXML）等。2）物联网宏观架构26•影响物联网通讯的主要因素：–节点的移动性、价格、尺寸、能源、功率、部署方式、维护需求等；–网络与应用环境：应用需求、基础设施、干扰、自扰因素。•物理层：频率分配、载波、编码与调制解调–多频点射频前端和相关协议；–通讯频带与频点定位；–基于软件/协议的频点商定技术；–认知雷达（CR），自适配频点/段技术；–信道编码、调制解调、纠/容错、信噪识别等。•链路层：信道使用–现有信道技术一般为争用（含侦听/回避，如WiFi）和配给（含TD/FD，如WiMAX）两个模式，各针对不同应用；–发展趋势：智能化、远距、抗干扰、根据环境与网络适配的信道使用模式，以及低功耗、高数据通量的跨层协议。3）通讯（OSI物理与链路层）27•组网要解决的问题–在不同网络拓扑下信息元（如数据包）的发送路径，尤其是大范围MESH拓扑、自身或其他节点移动时，路由能力需要高度智能化；–数据流的分布与管理：数据源节点、目标节点的分布，接入点位置；–利用跨层信息优化路径和系统各个指标（移动性、稳定性、寿命等）。•通用组网技术–条件组网（基于各种预设的索引信息）：支持较大网络容量，算法简单，但移动性差，鲁棒性差，安装维护严重依赖人工。如IP-v4、IP-v6、Zigbee、HierarchicalStateRouting、GeographicalRouting、TORA等；–无条件组网（完全自组模式）：支持移动节点，鲁棒性较强，但算法复杂，通讯需求较高，对节点功耗和运算能力也较高。如DSDV、AODV、DSR等。•研究前沿–高效、大规模、完全自组网算法和相关智能化算法：如功耗-流量均衡、链路优化、数据延时优化等；–多种接入方式兼容技术。目前网络多采用IP架构，需后IP时代的兼容技术；–异构网络发现、识别、网际语义理解技术。4）组网（OSI网络层）28•微设备的操作系统OS–全功能协议栈：覆盖物联网的应用-传输-网络-链路-物理各层；–智能化信息预处理能力。•软件整合技术–通过物联网面向服务的架构，发现并利用分布式开发的软件模块，形成新的功能、业务模式与服务网络。•研究前沿–开放式中间件平台，满足低成本、可互动、模块抽象化等功能；–低功耗微型OS；–分布式自适配软件，具备自优化、自配置、自愈功能；–资源和网络：虚拟现实、动态资源分配、各类数学模型等；–仿生算法：如通过自组、博弈进行风险控制、反恶意节点侵入等；–通过自治、自适配软件管理系统日益增加的复杂度；–密码管理系统，基于软件的安全、信息加密技术。5）软件平台、中间件（OSI网络层以上）29•物联网硬件的关键指标：尺寸、价格、功耗、数据预处理能力、传输速率，需要如下研究配合：–射频应用环境分析：天线的类型（定向、非定向）、尺寸、发射频率（HF/UHF/SHF/EHF）、功耗、敏感度、覆盖面等；–芯片技术：运行电压、电容、混合信号接口、门密度、存储（EEPROM/FRAME/Polymer）、整流器效率、功耗；–传感器技术：敏感度、尺寸、功耗、价格；–标准制定：ID（128-256bits）分配、带宽、协议与复杂度、门密度、存储方式；–工作条件：普通/恶劣环境下工作效率，反监听/抗干扰与攻击的能力。6）硬件30•研究前沿–微电子机械MEMS；–微电子到纳米电子的桥梁技术；–通讯元件：低功耗射频前端、片上天线；–低功耗、分布式多处理器SoC；–智能化的超大规模集成电路VLSI和自适配“片上网”；–纳米电子（Nano-e）、高聚电子（Polymer-e）、自旋电子（Spintronics）等；–高集成度