第1章_物联网导论v1146

第1章物联网概述物联网来了从三部大片说起物联网的前世今生智慧地球是个什么球物联网来了——从三部大片说起物联网的萌芽：《大战皇家赌场》M夫人让人使用貌似冲击钻的大家伙在邦德的手臂中植入了一枚电子芯片，并通过扫描设备将身份的信息植入芯片，这枚能够识别个人身份信息的芯片，关键时候成为邦德的救命恩人。勒·希弗斯为了除掉邦德，在他的酒里下毒。当邦德历尽千辛万苦钻到车内，并使用扫描设备激活电子芯片后，一条求助消息发送到总部的信息系统中。在总部专家的远程指导和芙斯珀的大力协助下，邦德转危为安，从昏迷症状中恢复过来，成功赢得了最终的赌局。这枚电子芯片就是射频标签，只不过在实际生活中，它是被广泛或者说正逐渐被应用于商品，而不是我们人类。“Thename’sBond，JamesBond”。物联网来了——从三部大片说起物联网的雏形：《豚鼠特工队》在影片中，每一台赛博林生产的电器中都装有一个秘密芯片，比如制冷冰箱或者微波加热的咖啡机，这个秘密芯片的最大功能是交流，如所示。当人们按下某个按钮后，该按钮会激活一个称为“赛博感应”的无线系统，可以唤醒已存在于所有赛博林电器主板上的芯片，允许咖啡机了解有多少咖啡已经被喝掉了，并与家里的计算机进行交流，在您的购物单中填上咖啡一项。“赛博感应”会连接每一台新旧赛博林电器，组成一个无所不在的巨大网络。在该网络中，物体变得“有感觉、有思想”，物与物可进行“交流”。因此，业界专家将《豚鼠特工队》称为物联网的雏形。物联网来了——从三部大片说起史上最强的物联网宣传片：《阿凡达》圣母化身的神树实际上是潘多拉星球的服务器，星球上所有纳美人和生物都是物联网的传感器节点，物物通信、人机通信通过纳美人和马、龙等生物的精神合体来实现，经常飘现的“蒲公英”可理解为圣母监控全网的传感器，如图所示。纳美人的长辫子和树木的根须，是神经接触灵魂沟通的重要媒介，他们通过尾巴进行连接这种独特的方式，达到心灵相通。最神的是他们没有经过强制标准化，就形成了可以互通的接口，土著们的传感器发达到可以与树连接、与天上飞的翼龙连接并进行信息交换和互操作，天人合一的巨大网络让所有的一切变得有生命和灵性，人与自然之间的互相依存也变得清晰可触。这简直就是IBM描绘的“智慧的地球”的神话版！“ISeeYou”物联网技术的应用将“让一切自由连通”物联网的前世今生咖啡壶事件“特洛伊”咖啡壶事件发生在1991年。剑桥大学特洛伊计算机实验室的科学家们在工作时，要下两层楼梯到楼下看咖啡煮好了没有，但常常空手而归，这让工作人员觉得很烦恼。为了解决这个麻烦，他们编写了一套程序，并在咖啡壶旁边安装了一个便携式摄像机，镜头对准咖啡壶，利用计算机图像捕捉技术，以3帧/秒的速率传递到实验室的计算机上，以方便工作人员随时查看咖啡是否煮好，省去了上上下下的麻烦。这样，他们就可以随时了解咖啡煮沸情况，咖啡煮好之后再下去拿。1993年，这套简单的本地“咖啡观测”系统又经过其他同事的更新，更是以1帧/秒的速率通过实验室网站连接到了因特网上。没想到的是，仅仅为了窥探“咖啡煮好了没有”，全世界因特网用户蜂拥而至，近240万人点击过这个名噪一时的“咖啡壶”网站。就网络数字摄像机而言，确切地说：其市场开发、技术应用以及日后的种种网络扩展都是源于这个世界上最富盛名的“特洛伊咖啡壶”。“特洛伊”咖啡壶被全世界偷窥的咖啡壶物联网的前世今生比尔.盖茨与《未来之路》盖茨在书中写道：“虽然现在看来这些预测不太可能实现，甚至有些荒谬，但是我保证这是本严肃的书，而决不是戏言。10年后我的观点将会得到证实。”在该书中，比尔·盖茨也提到了“物联网”的构想，意即因特网仅仅实现了计算机的联网，而未实现与万事万物的联网，但迫于当时网络终端技术的局限，这一构想无法真正落实。1995年《未来之路》您将会自行选择收看自己喜欢的节目电子论坛提供丰富的信息电子钱包亲自进入地图，虚拟的第二人生丢失或失窃的物品自动向您发送信息物联网的前世今生Ashton与MIT自动识别中心真正的“物联网”概念最早由英国工程师KevinAshton（如图1-6所示）于1998年春在宝洁公司的一次演讲中首次提出。当时根据美国零售连锁业联盟的估计，美国几大零售业者，一年因为货品管理不良而遭受的损失高达700亿美元。宝洁公司（P&G，Procter&Gamble）前任营销副总裁KevinAshton对此有切身之痛，1997年宝洁公司的欧蕾保湿乳液上市，商品大为畅销，可是太畅销了，许多商店货架常常空掉，由于商品太多、查补的速度又太慢，“我们眼睁睁地看着钱一分一秒从货架上流失。”Ashton表示。作为“条形码退休运动”的核心人物，KevinAshton花了两年找到了答案，就是将RFID取代现在的商品条形码，使电子标签变成零售商品的绝佳信息发射器，并由此变化出千百种应用与管理方式，来实现供应链管理的透明化和自动化。物联网的前世今生ITU因特网报告2005：物联网2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS，WorldSummitontheInformationSociety）上，国际电信联盟（ITU，InternationalTelecommunicationsUnion）发布了《ITU因特网报告2005：物联网》，正式提出了物联网的概念。1.1历史进程2009“感知中国”2008IBM“智慧地球”2005国际电信联盟《ITU互联网报告2005：物联网》，指出无所不在的“物联网”通信时代即将来临1995BillGates《未来之路》物物互联物联网的基本思想出现于20世纪90年代什么是物联网？概念的提出物联网的英文说法其实更清楚，“TheInternetofThings”直译过来就是“物体的因特网”。其理想是让每个目标物体通过传感系统接入网络。•运动中•室外与室内•晚上•白天•PC机之间•人与人之间，不是用PC机•人与物之间，使用普通设备•物与物之间物联网的其他定义物联网技术支持根据信息生成、传输、处理和应用将物联网分为感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层。物联网核心技术：感知识别层核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层物联网核心技术：感知识别层核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层•通过感知识别技术，让物品“开口说话、发布信息”是融合物理世界和信息世界的重要一环，是物联网区别于其他网络的最独特的部分。•物联网的“触手”是位于感知识别层的大量信息生成设备，既包括采用自动生成方式的RFID、传感器、定位系统等，也包括采用人工生成方式的各种智能设备，例如智能手机、PDA、多媒体播放器、上网本、笔记本电脑等等。•信息生成方式多样化是物联网的重要特征之一。•感知识别层位于物联网四层模型的最底端，是所有上层结构的基础。核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层详见第2章技术举例：RFID基本组成：工业界经常将RFID系统分为标签，阅读器和天线三大组件。工作原理：阅读器通过天线发送电子信号，标签接收到信号后发射内部存储的标识信息，阅读器再通过天线接收并识别标签发回的信息，最后阅读器再将识别结果发送给主机。技术举例：传感器网络发展历程：传感器→无线传感器→无线传感器网络（大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络）应用举例：•VigilNet:美国弗吉尼亚大学研制的用于军事监测的系统。传感节点具有自主成网，多跳传输等特点。•Mercury:美国哈佛大学研制的可穿戴的医疗监控传感器。传感器具有设计人性化，高精度感知，连续长期采集数据等特点。•GreenOrbs（绿野千传）：森林监测传感网系统，适用于长期、大规模、自动化的环境监测任务核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层详见第3章技术举例：定位系统位置信息拓展：所在地理位置+处在该地理位置的时间+处在该地理位置的对象（人或设备）定位系统与技术：GPS，蜂窝基站定位，无线室内环境定位（红外线/.超声波/蓝牙），新兴定位系统（A-GPS/无线AP/网络定位）；距离/距离差/无线信号特征物联网环境下对定位技术的挑战：异构网络、多变环境下的精准定位大规模应用基于位置的服务（LocationbasedServices）位置信息带来的信息安全和隐私保护问题核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层详见第4章技术举例：智能信息设备传统智能设备：个人计算机（PC）/个人数字助理（PDA）/…物联网时代新智能设备：数字标牌（实时信息互动）/智能电视（具有全功能的互联网，个性化体验）/智能手机/…物联网环境下智能设备发展新趋势：•更深入的智能化：纵向（包括传统的智能设备）+纵向（融入没有计算能力的简单物理对象）•更透彻的感知：主动感知(部署传感器)+被动感知(发出查询请求)•更全面的互联互通：互联互通+信息共享核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层详见第5章1.2核心技术：网络构建层核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层详见第6章1.2核心技术：网络构建层核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层详见第6章•网络是物联网最重要的基础设施之一。•物联网的网络和现有网络有何异同？物联网是下一代互联网吗？无线网络在物联网中究竟扮演了什么角色？•网络构建层在物联网四层模型中连接感知识别层和管理服务层，具有强大的纽带作用，高效、稳定、及时、安全地传输上下层的数据。各种网络形式如何应用于物联网？互联网：IPv6扫清了可接入网络的终端设备在数量上的限制。互联网/电信网是物联网的核心网络、平台和技术支持。无线宽带网：WiFi/WiMAX等无线宽带技术覆盖范围较广，传输速度较快，为物联网提供高速可靠廉价且不受接入设备位置限制的互联手段。无线低速网：ZigBee/蓝牙/红外等低速网络协议能够适应物联网中能力较低的节点的低速率、低通信半径、低计算能力和低能量来源等特征。移动通信网：移动通信网络将成为“全面、随时、随地”传输信息的有效平台。高速、实时、高覆盖率、多元化处理多媒体数据，为“物品触网”创造条件。1.2核心技术：管理服务层核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层•管理服务层位于感知识别和网络构建层之上，综合应用层之下，是物联网智慧的源泉。人们通常把物联网应用冠以“智能”的名称，如智能电网、智能交通、智能物流等，其中的智慧就来自这一层。•当感知识别层生成的大量信息经过网络层传输汇聚到管理服务层，如果不能有效地整合与利用，那无异于入宝山而空返，望“数据的海洋”而兴叹。•管理服务层解决数据如何存储（数据库与海量存储技术）、如何检索（搜索引擎）、如何使用（数据挖掘与机器学习）、如何不被滥用（数据安全与隐私保护）等问题。数据库与物联网核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层详见第7章物联网数据特点：海量性，多态性，关联性及语义性关系数据库系统作为一项有着近半个世纪历史的数据处理技术，仍可在物联网中大展拳脚，为物联网的运行提供支撑。与此同时，结合物联网应用提出的新需求，数据库技术也在进行不断的更新，发展出新的方向。新兴数据库系统（NoSQL数据库）针对非关系型、分布式的数据存储，并不要求数据库具有确定的表模式，通过避免连接操作提升数据库性能。海量信息存储与物联网核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层详见第7章网络存储体系结构：•直接附加存储（DAS）•网络附加存储（NAS）•存储区域网络（SAN）困难：只能满足中等规模商业需求数据中心不仅包括计算机系统和配套设备（如通信/存储设备），还包括冗余的数据通信连接/环境控制设备/监控设备及安全装置，是一大型的系统工程。通过高度的安全性和可靠性提供及时持续的数据服务，为物联网应用提供良好的支持。典型的数据中心：Google/Hadoop搜索引擎与物联网核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层详见第8章Web搜索引擎：一个能够在合理响应时间内，根据用户的查询关键词，返回一个包含相关信息的结果列表（hitslist）服务的综合体。传统的Web搜索引擎是基于查询关键词的，对于相同的关键词