物联网技术及应用38

物联网第四学术部目录•1.物联网•2.物联网的技术基础•3.物联网的信息技术•4.物联网的应用领域•5.物联网的现状•6.物流信息化1.物联网是什么•（1）物联网的定义物联网的英文名称叫“TheInternetofthings”，即“物物相连的互联网”。物联网的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，方便识别和管理。物联网的特征和传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。•首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。•其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。•还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。（2）物联网的发展历史1999年MITAuto-IDCenter提出物联网概念，即把所有物品通过射频识别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。2004年日本总务省提出u-Japan构想中，希望在2010年将日本建设成一个“Anytime，Anywhere，Anything，Anyone”都可以上网的环境。同年，韩国政府制定了u-Korea战略，韩国信通部发布的《数字时代的人本主义：IT839战略》以具体呼应u-Korea。2005年11月在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。2008年11月IBM提出“智慧的地球”概念，即“互联网+物联网=智慧地球”，以此做为经济振兴战略。如果在基础建设的执行中，植入“智慧”的理念，不仅仅能够在短期内有力的刺激经济、促进就业，而且能够在短时间内为中国打造一个成熟的智慧基础设施平台。2009年6月欧盟委员会提出针对物联网行动方案，方案明确表示在技术层面将给予大量资金支持，在政府管理层面将提出与现有法规相适应的网络监管方案。2009年8月温家宝总理在无锡考察传感网产业发展时明确指示要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术，并且明确要求尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。2.物联网的技术基础•物联网要实现万物相联，传感技术是关键媒介。物联网的技术包括射频识别(RFID)技术、WSN网络技术、红外线、GPS、激光扫描、无线通信、蓝牙技术等。在这些技术当中，又以底层嵌入式设备芯片开发最为关键，引领整个行业的上游发展。下面我们则着重介绍RFID技术。从条形码到射频识别，自动识别技术已经有50年的历史。RFID技术作为物联网中最为重要核心技术，也将会是物联网前端采集的主流应用形式。而且，相比二维条码技术，RFID(电子标签)拥有一些非常明显的优势，这些优势主要体现在如下几个方面：（1）远距离、不接触读写RFID电子标签信息读取的最大距离可达8米。（2）多标签读写条形码扫描仪一次只能读取一条条形码信息，电子标签读写器可同时读取多个RFID电子标签信息。（3）数据可更新条形码印刷之后就无法更改，电子标签可以反复修改、新增、删除标签内的数据信息。（4）穿透性条形码读写器在没有物体阻挡下才能够辩读信息，RFID电子标签即使即使被包裹后，也可以进行信息读写。（5）适应环境能力强条形码容易受到污染和磨损，电子标签对水、油污等影响有很强的抗污和耐磨性。RFID技术-标准概况•RFID作为物联网中最为重要核心技术，对物联网的发展起着至为重要作用。RFID目前仍然面临着诸多问题有待解决。RFID的存在诸多国际标准，如影响力最大的EPCGlobal标准,支持各频段的ISO/IEC标准,以及日本本土制造商SONY,NEC等支持的UID标准。各国际标准间互不兼容，导致RFID应用难以大范围内推广。目前，欧盟下的GRIFS项目致力于各RFID标准开发机构间相互合作。RFID的标签成本仍然过高和中国自主制定的RFID标准推广问题都成为制约物联网问题的瓶颈之一。除此之外，目前RFID应用大多集中为闭环市场，集中于医疗，军工等，到普及的开环市场还有一段时日。小贴士：上海是我们国家应用RFID比较成熟也比较快的地区，上海港外高桥一至五期以及洋山港、芦潮港的集装箱货车已全部采用RFID技术管理，其中港口通道68个，发放电子车牌15000余张，识别率在99％以上。WSN技术•无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。传感器网络将能扩展人们与现实世界进行远程交互的能力。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。WSN网络结构•WSN网络通常分为物理层、MAC层、网络层、传输层，应用层。物理层定义WSN中的Sink,Node间的通信物理参数，使用哪个频段，使用何种信号调制解调方式等。MAC层定义各节点的初始化，通过收发beacon,request,associate等消息完成自身网络定义，同时定义的MAC帧的调试策略，避免多个收发节点间的通信冲突。在网络层，完成逻辑路由信息采集，使收发网络包裹能够按照不同策略到使用最优化路径到达目标节点。传输层提供包裹传输的可靠性，为应用层提供入口。应用层最终将收集后的节点信息整合处理，满足不同应用程序计算需要3.物联网的信息技术•2009.8.7.温总理考察国内研究物联网的核心单位中科院无锡微纳传感网工程技术、研发中心时指出：“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术，要尽快把传感系统和3G中的TD技术结合起来。”•物联网的信息技术也主要体现在移动通信技术上，即2G、3G与4G技术。3G技术的背景•2008年5月，由国资委牵头的电信业务重组方案正式公布，中国联通的CDMA网与GSM网被拆分，前者并入中国电信，组建为新电信，后者吸纳中国网通成立新联通，铁通则并入中国移动成为其全资子公司，中国卫通的基础电信业务将并入中国电信。根据电信业重组方案，3G牌照的发放方式是：新中国移动获得TD－SCDMA牌照，新中国电信获得CDMA2000牌照，中国联通获得WCDMA牌照。2009年1月7日14:30，工业和信息化部为中国移动、中国电信和中国联通发放3张第三代移动通信(3G)牌照，此举标志着我国正式进入3G时代。4G技术•3G与2G的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。而4G通信技术将继续大幅提高通话质量及数据通信速度。目前，4G通信技术相关的科研和应用探索已经在全球各大高校和企业研究中心内悄然进行。4G最大的优势在于更高的数据传输速率，预计数据传输速率会超过100Mbit/s，这个速率是目前移动电话数据传输速率的1万倍，也是3G移动电话速率的50倍。随之而来的高清晰电视电影节目将推动手机新的应用模式。此外，4G通信技术有望集成不同模式的无线通信协议，从无线局域网和蓝牙等室内无线网络，到室外的蜂窝信号、广播电视到卫星通信，移动用户可以自由地从一个标准漫游到另一个标准。4G关键技术•接入方案：第一代无线通信标准使用普通的TDMA或FDMA。TDMA在高速率信道上，为了避免多径效应，需要加大保护周期，这使TDMA变得低效。2G的无线通信标准GSM使用TDMA和FDMA的结合形式做为接入方案，而CDMA标准使用另外一种接入技术：CDMA。而在3G中，IS-2000,UMTS,HSXPA,1xEV-DO,TD-SCDMA接入方案都为CDMA。在4G中，新的接入方案将得到布署，这包括OFDMA和SC-FDMA,MC-CDMA等。•IPv6支持：在3G标准的基础架构中，同时使用并行的电路交换和数据包交换网络，在4G中，将只支持数据包交换网络，有利于数据传输的低延迟。IPv6拥有着用之不尽的IP地址，足以满足全球所有手机终端的编号支持。•高级天线系统：在4G中，将会使用多天线技术，这将意味着高速率，高稳定，远距离通信的实现。多天线意味着空间利用(spatialmultiplexing)，对功耗限制和带宽保留的实现起着重要作用。MIMO是多天线系统中的代表技术，在下一代无线局域网802.11n中，已得到广泛布署，未来的手机和移动基础也将会大量布署MIMO技术。4.物联网的应用领域•物联网的应用极其广泛，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、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。物联网应用领域-电力电网•减少停电现象•通过在智慧的电力中安装先进分析和优化引擎，电力提供商可以突破“传统”网络的瓶颈，而直接转向能够主动管理电力故障的“智能”电网。对电力故障的管理计划不仅考虑到了电网中复杂的拓扑结构和资源限制，还能够识别同类型发电设备，这样，电力提供商就可以有效地安排停电检测维修任务的优先顺序。如此一来，停电时间和频率可减少约30%，停电导致的收入损失也相应减少，而电网的可靠性以及客户的满意度都得到了提升。减少停电现象物联网应用领域-电力电网•智能电表•在智慧的电力设施的支持下，智能电表可以重新定义电力提供商和客户的关系。通过安装内容丰富且读取方便的设备，用户可了解在任何时刻的电力费用，并且用户还可以随时获取一天中任意时刻的用电价格(查看前后的记录)，这样电力提供商就为用户提供了很大的灵活性，用户可以根据了解到的信息改变其用电模式。智能电表不仅可以测量用电量，它还是电网上的传感器，可以协助检测波动和停电。它还能储存和关联信息，支持电力提供商完成远程开启或关闭服务，也能远程支持使用后支付或提前支付等付费方式的转换。总而言之，智能电表可大幅度减小系统的峰值负荷，转换电力操作模式，也能重新定义客户体验。物联网应用领域-医疗系统•整合的医疗平台•整合的医疗保健平台根据需要通过医院的各系统收集并存储患者信息，并将相关信息添加到患者的电子医疗档案，所有授权和整合的医院都可以访问。这样资源和患者能够有效地在各个医院之间流动，通过各医院之间适当的管理系统，政策，转诊系统等。这个平台满足一个有效的多层次医疗网络对信息分享的需要。整合的医疗平台电子健康档案系统物联网应用领域-城市设施•实时城市管理•实时城市管理设立一个城市监控报告中心，将城市划分为多个网格，这样系统能够快速收集每个网格中所有类型的信息，城市监控中心依据事件的紧急程度上报或指派相关职能部门(如火警，警察局，医院)采取适当的行动，这样政府就可实时监督并及时响应城市事件。•整合的公共服务•新