物联网概念与产业综述

物联网概念与产业综述---探索合理的定位与长远的发展方向物联网工程系：伍新华兴趣：物联网技术无线传感器网络技术网络互联与移动计算技术outline1.物联网缘起及概念界定1.1物联网1.2物联网的相关概念1.3物联网应用的特征2.物联网体系结构与核心技术3.物联网的应用前景与产业3.1物联网产业发展路线图3.2物联网应用领域简介1物联网缘起及概念界定2009年的8月，温总理视察中科院无锡微系统所时，提出了建设“感知中国中心，要大力发展传感网、物联网”。2010年初，物联网等新兴战略性产业写入了政府工作报告。“物联网”概念一跃成为热门关键词，成为了市场最瞩目的热点。但什么是物联网？它的起源是什么？将来会发展成什么样子？它与互联网、移动网又有何关系？1.1物联网(TheInternetofthings)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。物联网具有全面感知、可靠传递、智能处理的特点。两层意思：第一，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；第二其用户端（网络终端）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。物联网概念是1999年由麻省理工学院自动标识中心(MITAuto-IDCenter)提出，早期的定义：把所有物品通过射频识别标签(RFID)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。2005年国际电信联盟(ITU)发布的年度技术报告指出“物联网”通信时代即将来临，信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人，发展到连接任何物品的阶段，而万物的连接就形成了物联网。2009年1月23日，美国总统奥巴马针对IBM首席执行官彭明盛首次提出的“智慧地球”这一概念，做出回应：物联网技术是美国在21世纪保持和夺回竞争优势的方式。2009年8月7日，温家宝考察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心。强调“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术，把传感系统和3G中的TD技术结合起来”。2009年9月21日，工信部在相关会议上，首次明确提出要进一步研究建设物联网、传感网，加快传感中心建设，推进信息技术在工业领域的广泛应用，提高资源利用率、经济运行效益和投入产出效率等。2009年9月，欧盟启动物联网行动计划。InternetofThings-AnactionplanforEurope2009年，欧洲物联网研究项目工作组(CERP-IoT)在欧盟委员会资助下制订了《物联网战略研究路线图》、《RFID与物联网模型》等意见书。1.2物联网的相关概念RFID传感网M2M下一代互联网泛在网普适计算1.2.1RFIDRFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。RFID射频识别技术是一种非接触式的自动识别技术，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。RFID的基本组成部分标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。阅读器(Reader，或读写器)：读取标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；阅读器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。阅读器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。RFID的分类RFID按应用频率的不同分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波(MW)，相对应的代表性频率分别为：低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M-960MHz、微波2.4GHz、5.8GHz。RFID按照能源的供给方式分为无源RFID、有源RFID以及半有源RFID。无源RFID读写距离近，价格低；有源RFID可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本要更高一些，适用于远距离读写的应用场合。RFID技术的基本工作原理RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(PassiveTag，无源标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(ActiveTag，有源标签或主动标签)；阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。以RFID阅读器及电子标签之间的通讯及能量感应方式来看大致上可以分成感应偶合(InductiveCoupling)及后向散射偶合(BackscatterCoupling)两种，一般低频的RFID大都采用第一种式，而较高频大多采用第二种方式。标签读写器中间件/支撑平台本地信息服务器ONS远程信息服务器Internet代码代码URL物品信息代码代码物品信息1.2.2传感网传感网(sensornetworks)是随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。由大规模随机分布的传感器节点(端机)、基站以及信息监控中心构成的信息系统，根据需求和传感对象的变化，可以通过动态自组织的方式协同地感知和采集网络分布区域的各种对象的信息，用于支持决策和监控。传感网的功能，借助于节点中内置的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象。最早期的传感网可追溯到二战时期的英国雷达网络，冷战时期的声监测系统，随着计算机、通信、半导体和微机械电子系统(MEMS)技术的进步，推动了无线传感网的研究。1998年美国国防部高级研究计划局(DAPAR)启动的传感器信息技术(SensorInformationTechnology)拉开了现代传感网研究的序幕。中科院1999年完成的“知识创新工程试点领域方向研究”中的信息与自动化领域研究报告就将“无线传感网及其应用”作为该领域5个重大项目之一，并于2001年成立了“微系统研究与发展中心”以协调全院传感网和传感器的研究，陆续部署了若干重大创新项目、方向性项目以开展无线传感网研究。自组织网络示意图1.2.3M2MM2M是所有增强机器设备通信和网络能力的技术总称。M2M表达的是多种不同类型的通信技术有机的结合在一起：机器之间通信(Machine-to-Machine)，机器控制通信(Man-to-Machine)、人机交互通信(Machine-to-Man)、移动互联通信(Machine-to-Mobile、Mobile-to-Machine)。M2M是一种理念，通过它让机器、设备应用处理过程与后台信息系统共享信息，并与操作者共享信息。它提供了设备实时地在系统之间、远程设备之间或/和个人之间建立无线连接，传输数据的手段。M2M的产品构成无线终端：特殊的行业应用终端，而不是通常的手机或笔记本电脑。传输通道：从无线终端到用户端的行业应用中心之间的通道。行业应用中心：是终端上传数据的汇聚点，对分散的行业终端进行监控。特点是行业特征强，用户自行管理，而且可位于企业一端或者托管。M2M的技术组成机器M2M硬件通信网络中间件应用M2M的发展情况M2M应用市场正在全球范围快速增长，随着包括通信设备、管理软件等相关技术的深化，M2M产品成本的下降，M2M业务将逐渐走向成熟。目前，在美国和加拿大等国已经实现安全监测、机械服务、维修业务、自动售货机、公共交通系统、车队管理、工业流程自动化、电动机械、城市信息化等领域的应用。欧洲著名的行业咨询机构IDATE的报告显示，2006年，全球范围内M2M市场容量已经达到200亿欧元，而到2010年，市场容量将达到2200亿欧元，年复合增长率达到49％。中国政府已将M2M相关产业正式纳入国家《信息产业科技发展十一五规划及2020年中长期规划纲要十一五规划》重点扶持项目。1.2.4下一代互联网指以IPv6(区别于现行IPv4协议)为基础核心协议的下一代网络。IP协议是互联网协议集的核心。现行Internet的通用协议是IPv4(InternetProtocolversion4，互联网协议第4版)，制定于1981年，其成功应用导致了第一代互联网取得了巨大成功。由于互联网产业的快速发展，互联网地址空间匮乏、带宽瓶颈、网络安全漏洞多、服务质量难以保证等诸多问题。从20世纪90年代初，IETF(TheInternetEngineeringTaskForce，Internet工程任务组)开始“下一代网络互连协议”(IPng)的研究，至1995年9月正式形成IPv6(InternetProtocolVersion6，互联网协议第6版)的核心协议。IPv6协议最显著的特征是通过采用128位的地址空间替代IPv4的32位地址空间来提高下一代互联网的地址容量；除此之外，IPv6协议在安全性、服务质量、移动性、整体吞吐量等方面具有比IPV4协议更好的特性，而采用IPv6的下一代互联网比现有互联网更具扩展性，更安全，且更容易为用户提供高质量和更多类型的服务。1.2.5泛在网泛在网(Ubiquitousnetwork)来源于拉丁语Ubiquitous，是指无所不在的网络，又称泛在网络。即广泛存在的网络，它以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征，以实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信为目标。目前，随着经济发展和社会信息化水平的日益提高，构建“泛在网络社会”，带动信息产业的整体发展，已经成为一些发达国家和城市追求的目标。U战略最早提出U战略的日韩给出的定义是：无所不在的网络社会将是由智能网络、最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。根据这样的构想，U网络将以“无所不在”、“无所不包”、“无所不能”为基本特征，帮助人类实现“4A”化通信，即在任何时间(anytime)、任何地点(anywhere)、任何人(anyone)、任何物(anything)都能顺畅地通信。“4A”化通信能力仅是U社会的基础，更重要的是建立U网络之上的各种应用。1.2.6普适计算又称普存计算、普及计算（pervasivecomputing或者Ubiquitouscomputing）。该概念强调和环境融为一体的计算，而计算机本身则从人们的视线里消失。在普适计算的模式下，人们能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理。提出1991年MarkWeiser在《ScientificAmerican》上发表文章“TheComputerforthe21stCentury”，正式提出了普适计算（ubiquitouscomputing）。MarkWeiser指出：“Themostprofoundtechnologiesarethosethatdisappear.Theyweavethemselvesintothefabricofeverydaylifeuntiltheyareindistinguishablefromit.”1999年，IBM也提出普适计算(IBM称之为pervasivecomputing)的概念，即为无所不在的，随时随地可以进行计算的一种方式。跟Weiser一样，IBM也特别强调计算资源普存于环境当中，人们可以随时随地获得需要的信息和服务。1999年欧洲研究团体ISTAG提出了环境智能（AmbientIntelligence）的概念。核心思想小型、便宜、网络化的处理设备广泛分布在日常生活的各个场所，计算设备将不只依赖命令行、图形界面进行人机交互，而更依赖“自然”的交互方式，计算设备的尺寸将缩小到毫米甚至纳米级。在普适计算的环境中，无线传感器网络将广泛普及，在环保、交通等领域发挥作用；人体传感器网络会大大促进健康监控以及