第1讲(物联网的定义及主要技术方向)

教材：陈海滢，郭佳肃编著机械工业出版社2011.04物联网应用启示录——行业分析与案例实践全书分为三个部分，共6章：第一部分：物联网概述（1-2、6章）第二部分：物联网产业链及应用分析（3-4章）第三部分：典型行业物联网应用（10-12章）物联世界，感知天下按照国际电信联盟(ITU)的定义,物联网主要解决物品与物品(ThingtoThing,T2T),人与物品(HumantoThing,H2T),人与人(HumantoHuman,H2H)之间的互连。但是与传统互联网不同的是,H2T是指人利用通用装置与物品之间的连接,从而使得物品连接更加的简化，而H2H是指人之间不依赖于PC而进行的互连。因为互联网并没有考虑到对于任何物品连接的问题，故我们使用物联网来解决这个传统意义上的问题。物联网顾名思义就是连接物品的网络,许多学者讨论物联网中,经常会引入一个M2M的概念,可以解释成为人到人(MantoMan)、人到机器(MantoMachine)、机器到机器(MachinetoMachine)。一、引言IBM前首席执行官郭士纳曾提出一个重要的观点，认为计算模式每隔15年发生一次变革。这一判断像摩尔定律一样准确，人们把它称为“十五年周期定律”。1965年前后发生的变革以大型机为标志，1980年前后以个人计算机的普及为标志，而1995年前后则发生了互联网革命。每一次这样的技术变革都引起企业间、产业间甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化，现在又到了变革的时候。引言（续）另外，每次全球经济危机过后世界都将进入一个新的时代。这次经济危机（2008-2009），造成了全世界的经济低迷，也许是新时代的到来必须经历这种阵痛。互联网时代过后，我们将迎来物联网时代。可能我们并不清楚物联网时代的到来对我们的生活意味着什么，那么，先让我们来体验一下，物联网给我们的衣、食、住、行所带来的变化。“衣”的方面加入了物联网技术传感器的衣服，穿上之后随时知道自己的身体状况；加入了各类控制芯片的衣服，穿上之后可以控制各种各样的设备；有些衣服加入了感温装置，可以根据主人需要自动进行温度调节；有些衣服植入了芯片，防止日益泛滥的名牌仿制假冒；“衣”的方面(续）配有射频识别（RFID）标签的儿童睡衣，穿睡衣儿童离开父母的距离超过了一定的距离，警告器就会启动，家长们不再担心孩子在熟睡中遭到绑架；“RFID智能衣橱”，可以通过追踪嵌在衣领里面的RFID标签记录你前几天穿过的衣服，防止穿同样的衣服。如果你喜欢在离开房间之前搭配好衣服，智能衣橱甚至会帮你联系网络上的服装“管家”帮你决定如何穿出最佳效果。“食”的方面在超市购买蔬菜，只要在查询系统内输入它的商标名和编号，就可以查询到蔬菜的原材料的产地、加工地、成分等内容，甚至还能查到蔬菜的整个物流过程。如果是一块猪肉，通过购物小票，登录追溯信息系统，可以立刻查到这块猪肉从屠宰、批发到零售环节的所有信息。有了物联网技术，消费者将买得放心、吃得舒心。在物联网时代，将有了智能家居，家电产品实现了高度的数字化和联网化。当你身在千里之外，发条短信就能让在家“待命”的电饭锅开始煮饭；家中开关只需一个遥控板就可全部控制，再也不用冬天冒寒下床关灯；回家前发条短信，浴缸里就能自动放好洗澡水；“住”的方面“住”的方面（续）足不出户，就可通过手机视频同千里之外的朋友作面对面的交谈；不再有陌生人敲响你的家门，只为抄个水表燃气表，非常简单的数据采集器和传感装置可通过无线通道将数据反馈到接收端；无需担心家里会漏气或漏水，因为手机短信会及时自动报警……物联网概念产品小偷进你家，手机会报警“行”的方面有了智能交通，出行更畅通。物联网时代的智能城市交通系统会将整个城市内的车辆和道路信息实时收集起来，并通过超级计算中心动态地计算出最优的交通指挥方案和车行路线。机动车辆发生事故时，车载设备就可以向交通管理中心发出讯息，便于及时处理以减少道路拥堵；同样，后方行驶的车辆也可以及时得到消息，绕开拥堵路段。在物联网时代，智能医疗、环境监控、智能电梯、动物标识、电子钱包，智能电网等等都将慢慢渗透到我们人类生活的各个领域，这听起来有如科幻片的生活片段，但这还只是物联网的冰山一角而已。有专家预测10年内物联网就可能大规模普及。其它方面南京邮电大学:开创“物联网”新生活未来的办公场所未来的办公室6月11日，IBM在京推出两项最新云计算解决方案——“物联网云”和“分析云”。7月8日海尔推出卡萨帝物联网空调基于飞信的空调智能控制系统物联网(TheInternetofthings)的概念最早是在1999年提出的，其后又多次被重复。其定义是：把任何物品通过射频识别（RFID），红外感应器，全球定位系统，激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议与互联网连接起来，进行信息交换和共享，以实现智能化识别和管理的一种网络。物联网概念第一章物联网的定义及主要技术方向1.1物联网的定义1.2物联网的体系架构：感知层、网络层、应用层1.3物联网的主要技术：无线传感器、M2M、RFID、条码、云计算1.1物联网的定义物联网（TheInternetofthings）：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，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的感知范围包括了温度、湿度、浓度、压力、位置、速度、亮度等物理量；事物开关、进出、是否正常、是否存在、是否完成等0／1量；客观的音频、视频、运转情况等状态量；以及身份、数量、历史记录等客观信息。物联网的传输手段是以无线传感网为核心的通信网络。目前，物联网的传输已不再局限于无线传感网，更包括了WiFi、WiMax、2G及3G移动通信网、万维网，甚至公共电话交换网等多种有线和无线网络传输手段。物联网的智能应用发展至今，主要包括了监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策优化等方面。随着以云计算、专家系统等代表性智能信息处理技术的发展，物联网的智能应用队伍还在迅速扩大，向着更加智能化、自动化的方向发展。如下图所示，物联网作为一种新型综合性网络架构，其核心网络传感网决定了物联网既是一种独立于各种固有网络之外的，具有自有网络架构，通信协议的新型网络，同时，因其开放性的接口，物联网又可与互联网、移动通信网等网络架构相对接，将故有网络为物联网所用，从而形成广域综合性网络架构。具体来说，物联网由感应末梢、传输网络和应用单元三个部分组成。其中感应末梢即利用条码、射频标签、传感器、全球定位系统(GlobalPositioningSys-term，GPS)、激光扫描仪等信息感应设备实现实时全方位数据采集；传输网络是通过传感网技术与多种联网技术融合，将物品的信息实时准确地交互；应用单元是指利用云计算、反馈控制等各种智能处理技术，对海量信息进行分析和处理，同时使物品能依照环境状况自动分析，判断所获取信息并执行相应操作。结合物联网的组成，可以看出物联网本身的三大特性：（1）透彻的感知和度量；（2）泛在的介入与互连；（3）深入的智能分析与回控；1.2物联网的体系架构从结构上来说，物联网的结构普遍被认为是三层：感知层：信息的感知；传输层：信息的传输；应用层：信息的应用。实际上就是物联网的三个特性。下图为物联网的体系架构。物联网感知层感知层将大范围内的现实世界中的各种物理量通过各种手段，实时并自动化地转化为虚拟世界可处理的数字化信息。感知层是物联网的基层——识别物体、采集信息，主要实现智能感知功能，包括信息采集，捕获和物体识别。感知延伸层的关键技术包括传感器、RFID、自组织网络、短距离无线通信、低功耗路由等。感知层采集的信息主要分为环境信息、属性信息、状态信息三类。其中传感网方面采集的信息主要包括如温度、湿度、压力、气体浓度等状态信息；而基于RFID所采集的大多属于物品的属性信息，如物品名称、型号、特性、价格等；状态信息也是感知层所采集的范畴，如仪器、设备的工作参数或者物品所处的地理位置等；对各种信息进行标记，并通过传感等手段，将这些标记的信息和现实世界的物理信息进行采集，将其转化为可供处理的数字化信息。物联网网络层网络层主要实现信息的传送和通信以及相关部分的处理，包括接入层和核心层。网络层可以依托企业或行业的专用网，也可以依托电信网和互联网等公用网，一般兼而有之。从技术实现方式来看，网络层的传输手段可以分为无线通信和有线通信两大类：有线通信：可分为相对短距离的现场总线和相对长距离的可支持IP的网络等。无线通信：也可分为短距离接人技术的无线网状网(Mesh、ZigBee等十多种)、RFID、WiFi／WiMax等和中长距离的GSM、CDMA(2G／3(；／4G)、卫星通信技术等两大类。物联网应用层应用层实现物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，并且最终提供应用服务。应用层包括中间件层和应用服务层。中间件层：主要实现网络层与应用服务间的接口和能力调用，包括对业务的分析整合、共享、智能处理、管理等，具体实现为一系列业务支撑平台、管理平台、信息处理平台等。随着物联网技术的发展，专家系统与云计算等技术将取代现有简单单一化的信息管理与处理，在中间件层占据更大的比重。应用服务层：则包括各类具体应用，例如监控服务、智能电网、工业监控、绿色农业、智能家居、环境监控、公共安全等。1.3物联网的主要技术方向1.3.1无线传感网无线传感网(WSN)的基本功能是将一系列在空间上分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。表1．1为无线传感网的典型特征（P6）。无线传感网技术最早起源于冷战时期美国军方的反潜需求，此后逐渐被应用到越来越多的领域，引起了许多科研单位以及商业机构的投入与研究。2003年2月，美国的《技术评论(TechnologyReview)》杂志评选出了对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，无线传感网技术在其中名列第一。时至今日，无线传感网技术的研究已经初具规模，在理论和实际应用方面都有了许多进展。随着以ZigBee为代表的一系列标准的推出和TI、Cisco等大型的有经验的芯片供应商和系统集成商的介入，无线传感网技术在国际上已经广泛应用于各种场合，并被认为在2008年为各领域企业累计节约成本超过10亿美元。1.3.1无线传感网2008年2月，欧洲第一届无线传感网论坛召开，与会的科研院所和商业机构都表示出了对这一领域的浓厚兴趣。各国政府也加大了对无线传感网研发的投资力度，美国的多家工程院校都开展了政府支持的无线传感网相关研究项目，而亚洲国家如韩国等，也已经成立了无线传感网科研国家计划。目前，无线传感网技术在我国已经由科研机构的理论研究为主向商业机构的应用研究转型，并且在矿山安全、精准农业、精细加工、物流管理、个人医疗监测、智能建筑等许多行业取得应用，为改善人民生产、生活条件，建设环保、节能、高科技、自动化的工农业生产体系，贡献出越来越大的力量。无线传感网是面向应用的，贴近客观物理世界的网络系统，其产生和发展一直都与应用相联系。多年来经过不同领域研究人员的演绎，无线传感网技术在军事领域、精细农业、安全监控、环保监测、建筑领域、医疗监护、工业监控、智能交通、物流管理、自由空间探索、智能家居等领域的应用都得到了充分的肯定和展示。无线传感网的应用（1）环境监控和精细农业方面2002年，英特尔(Intel)公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园，这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例。在我国，杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作管理决策服务平台，该平台利用无线传感器技术实现了对农田温室大棚温度、湿度、露点、光照等环境信息的监测。（2）民用安全监控方面英国的一家博物馆利用无线传感网设计了一个报警系统，他们将节点放在珍贵文物或艺术品的底部或背面，