物联网40

2019/8/2成员：邵元新裴楠张丹沈阳航空航天大学计算机学院主要内容：•物联网•物联网的应用实例---车联网•车联网通信协议研究和系统开发•走进车联网（视频）物联网物联网的起源1990年——施乐公司NetworkedCokeMachine（初次实践）1991年——MIT的KevinAsh-ton教授（首提概念）1995年——比尔盖茨《未来之路》（未引起重视）1999年——MIT的“Auto-ID”，提出“万物皆可通过网络互联”2003年——美国《技术评论》誉为十大技术之首5物联网的定义Ⅰ、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Ⅱ、其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信也就是物物相息物联网的定义物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。“物”的涵义满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围有可被识别的唯一编号数据传输通路一定的存储功能CPU操作系统专门的应用程序遵循物联网的通信协议物联网的分类1、私有物联网：一般面向单一机构内部提供服务；2、公有物联网：基于互联网向公众或大型用户群体提供服务；3、社区物联网：向一个关联的“社区”或机构群体提供服务；4、混合物联网：是上述的两种或以上的物联网的组合，但后台有统一运维实体；5、医学物联网：是将物联网技术应用于医疗、健康管理、老年健康照护等领域；6、建筑物联网：是将物联网技术应用于路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控等领域。技术及架构物联网架构可分为三层感知层由各种传感器构成，包括温湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、红外线、GPS等感知终端。感知层是物联网识别物体、采集信息的来源。网络层由各种网络，包括互联网、广电网、网络管理系统和云计算平台等组成，是整个物联网的中枢，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。物联网技术及应用物联网4大关键领域物联网技术及应用三项关键技术1、传感器技术2、RFID标签3、嵌入式系统技术物联网技术及应用应用模式对象的智能标签。通过NFC(NearFieldCommunication)、二维码、RFID（RadioFrequencyIdentification））技术，用于区分对象个体，例如在生活中我们使用的各种智能卡，条码标签的基本用途就是用来获得对象的识别信息；此外通过智能标签还可以用于获得对象物品所包含的扩展信息，例如智能卡上的金额余额，二维码中所包含的网址和名称等。对象的智能控制。物联网基于云计算平台和智能网络，可以依据传感器网络用获取的数据进行决策，改变对象的行为进行控制和反馈。例如根据光线的强弱调整路灯的亮度，根据车辆的流量自动调整红绿灯间隔等。物联网的发展趋势物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，是继通信网之后的另一个万亿级市场。物联网的用途范围物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、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，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。2019/8/22019/8/2车联网：车联网（InternetofVehicles）概念引申自物联网（InternetofThings），根据行业背景不同，对车联网的定义也不尽相同。传统的车联网定义是指装载在车辆上的电子标签通过无线射频等识别技术，实现在信息网络平台上对所有车辆的属性信息和静、动态信息进行提取和有效利用，并根据不同的功能需求对所有车辆的运行状态进行有效的监管和提供综合服务的系统。2019/8/2•从网络上看，IOV系统是一个“端管云”三层体系。•第一层（端系统）：端系统是汽车的智能传感器，负责采集与获取车辆的智能信息，感知行车状态与环境；是具有车内通信、车间通信、车网通信的泛在通信终端；同时还是让汽车具备IOV寻址和网络可信标识等能力的设备。•第二层（管系统）：解决车与车（V2V）、车与路（V2R）、车与网（V2I）、车与人（V2H）等的互联互通，实现车辆自组网及多种异构网络之间的通信与漫游，在功能和性能上保障实时性、可服务性与网络泛在性，同时它是公网与专网的统一体。•第三层（云系统）：车联网是一个云架构的车辆运行信息平台，它的生态链包含了ITS、物流、客货运、危特车辆、汽修汽配、汽车租赁、企事业车辆管理、汽车制造商、4S店、车管、保险、紧急救援、移动互联网等，是多源海量信息的汇聚，因此需要虚拟化、安全认证、实时交互、海量存储等云计算功能，其应用系统也是围绕车辆的数据汇聚、计算、调度、监控、管理与应用的复合体系。体系结构2019/8/22019/8/22019/8/2相关概念•ITS(IntelligentTransportSystem)即智能交通。是将先进的传感器技术、通信技术、数据处理技术、网络技术、自动控制技术、信息发布技术等有机地运用于整个交通运输管理体系而建立起的一种实时的、准确的、高效的交通运输综合管理和控制系统。•RFIDRFID，是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。基本的RFID系统由标签(Tag)、阅读器(Reader)、天线(Antenna)组成。RFID技术有着广阔的应用前景，物流仓储、零售、制造业、医疗等领域都是RFID的潜在应用领域，另外，RFID由于其快速读取与难以伪造的特性，一些国家正在开展的电子护照项目都采用了RFID技术。RFID具有车辆通信、自动识别、定位、远距离监控等功能，在移动车辆的识别和管理系统方面有着非常广泛的应用。2019/8/2应用•车辆运行监控系统长久以来都是智能交通发展的重点领域。在国际上，美国的IVHS、日本的VICS等系统通过车辆和道路之间建立有效的信息通信，已经实现了智能交通的管理和信息服务。•今车联网系统发展主要通过传感器技术、无线传输技术、海量数据处理技术、数据整合技术相辅相成配合实现。车联网系统的未来，将会面临系统功能集成化、数据海量化、高传输速率。2019/8/2三大瓶颈•车联网三大瓶颈:2019/8/2主导缺失•与智能电网、安防等领域相比,车联网并不是最成熟、最接近实际应用的物联网应用所谓车联网并无严格定义,简单地说,就是将汽车作为信息网络中的节点,通过无线通信等手段实现人、车、路及环境的协同交互,实现智能交通。然而,自诞生之日起,车联网便始终面临缺乏统一管理主体的“无人驾驶”局面由于车联网产业链较长,参与行业众多,对车联网“盲人摸象”式的理解比比皆是,其中的利益博弈也在所难免。2019/8/2技术短板•绝大多数用于信息采集的高端传感器,其芯片核心技术并不为中国公司所掌握。•通信网络带宽瓶颈,也成为车联网一个技术难题，不能满足未来对图像和流媒体的传输需求•目前国内在芯片设计和开发上已经具备一定水平,但自主可控可管的问题仍然严峻2019/8/2模式难行•凭借移动网络通道的优势,三大运营商在车联网上的推进方式,基本是将车载智能终端与无线通道相连,以提供实时交通路况、导航、救援定位、车况检测、4S店预约等运营服务,多基于呼叫中心或移动互联网,并不涉及什么新的技术,只相当于在现有网络基础上一个新的业务拓展。•但即便是现有的这种模式,也并不能确保在商业模式上的成功。进入市场的所谓“车联网”产品和服务,都是汽车制造商替终端用户埋单,通常一年到三年,到期后是否会主动续约服务还是未知数。2019/8/2发展方向•未来的汽车有可能不是电动化的，但会是电子化的;汽车将成为最大的电子品，这种观点也被越来越多的人接受。但是，汽车的电子化发展，在方向有：传统汽车智能化、车联网、电动化、无人驾驶等，而能够落地的只有传统汽车智能化和车联网两个方向。传统汽车智能化，是以汽车厂商为主导的。车联网则比较复杂，能连接汽车的方案，截止2012年8月,只有车机方式(用线束接CAN总线)、OBD方式(CAN总线上开放的标准梯形口);车机方式，有车厂主导的前装、有汽车设备商主导的后装;而OBD方式则是新兴的IT主导的，是IT技术及其理念，在汽车服务方面的应用。2019/8/22019/8/22019/8/2车联网通信协议研究和系统开发研究车联网通信协议和车联网的系统开发,主要是车辆内部和车际网络的信息处理与交换涉及问题,包括通信模型、协议体系、数据包格式等,还包括车载网络通信实现的系统组成和功能设计。目标是为车联网技术的开发和广泛应用建立一个普适的协议架构和相关的协议数据格式标准。课题开发研究的实用系统则可用于车辆的运行监控和安全行驶、车辆远程调度管理以及车辆动态信息的交换和管理。2019/8/2车辆联网包括2个部分:•在车辆上安装车载智能终端并通过信息传感设备与车辆设备连接起来,实现智能化监控和管理;•用移动通信技术把车载终端与外部网络连接起来,实现车辆间、车辆和固定站之间的信息交换。2019/8/2•车辆信息系统是一个综合性系统,一般由3部分组成:定位系统、信息采集系统和通讯系统。•车联网把车载的传感器和装备联接成内部网,然后把独立的车辆联接到外部网,还可以通过互联网和更广泛的网络整合,使车辆成为人类社会生产生活工具体系中的一个高度智能终端,能更有效、更安全、更经济地为人服务。2019/8/2系统原理示意图汽车内部网络使用CAN总线作为基本通信总线,采用总线型与星型相结合的网络拓扑结构连接传感器。通过车载网络可进行汽车控制以及实现车内数据交换和信息共享。GPRS/3G通信模块作为一个无线接口被搭建在CAN网络上,数据可在内部CAN网上传输,需要与外部系统交互的数据可通过CAN/GPRS/3G无线网关进行收发。2019/8/2信息交换协议模型设计•信息交换协议模型设计车辆内部的动态数据包括车辆本身的参数•控制决策单元的命令主要来自电子控制单元,因此车辆系统具有简单的状态监测和故障诊断功能•高层决策信号来源于汽车驾驶员,而驾驶员的决定依赖于车辆的状况和远程信号除此之外,高层决策信号还来自不断发生变化的GPS、数据库和监控模块等。2019/8/2由于数据交换方式的多样性以及协议标准的不确定性,使得通信方式难度变大,新的协议目的是简化数据交换方式和标准化协议内容。实现此目标的关键是理解和控制有关车辆信息流或其载体形式:数据流。2019/8/2•从车辆特点来看,车辆的信息流有几个明显的特点:流动、分布、动态和不确定性•车辆数据存在于许多不同的形式。所有这些使得车辆数据传输、处理、储存和最终开发成为一项复杂的任务。2019/8/2•车辆的通信系统可以被认为是一个有5个层次的协议栈,分别处理信号、数据、传输、信息和车辆知识2019/8/2图2下面2个协议层是OSI协议体系结构中的最下面2层(物理层和数据连接层)。物理层的任务是透明地传送比特流,在物理层上所传输的数据单位是比特,物理层之间涉及物理信号和比特流之间的转换;而数据链路层的任务是在2个相邻节点间的线路上无差错地传送以帧(