第1章 物联网概述(含前言)

1物联网技术及应用徐凡计算机信息工程学院2前言物联网旨在构建一个覆盖世界上所有人与物的网络信息系统。（1）基础：互联网（2）关键技术：RFID、传感器和WSN等美国独立市场研究机构FORRESTER预测：到2020年，全球物和物互联业务与现有的人和人互联业务之比将达到30:1到2035年前后，中国的物联网终端将达到数千亿个到2050年，物联网将在生活中无处不在。物联网可以“感知任何领域，智能任何行业”。3前言物联网包含五个层面的功能：信息感知层物联接入层网络传输层技术支撑层应用接口层物联网各层之间既相对独立又联系紧密。在应用接口层以下，同一层次上的不同技术互为补充，适用于不同环境，构成该层次技术的应对策略。不同层次提供各种技术的配置和组合，根据应用需求，构成完整的解决方案。4第1章物联网概述1.1物联网的概念1.1.1物联网的定义及特征1.1.2物联网发展的背景和意义1.1.3物联网发展的现状1.2物联网体系结构1.2.1物联网技术架构1.2.2物联网体系的特点1.2.3物联网、传感网和泛在网的关系5第1章物联网概述1.3物联网的应用1.3.1百姓身边的物联网1.3.2各行各业的物联网1.4物联网发展趋势1.4.1物联网技术1.4.2物联网产业1.5物联网发展面临的问题1.5.1安全问题1.5.2技术标准与关键技术1.5.3商业模式与支撑平台61.1物联网的概念1.1.1物联网的定义及特征1．物联网的定义物联网：“TheInternetofThings，IOT”，也称为“WebofThings”，是“物物相连的互联网”，包含了两层含义：（1）物联网的核心和基础仍然是互联网，物联网就是互联网的延伸和扩展。（2）其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间、人和物、物和物进行信息交换和通信。物联网是通过各种信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换、信息通信和信息处理，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。71.1物联网的概念1．物联网的定义物联网中的“物”需要满足以下条件：（1）有相应的信息接收器。（2）有数据传输通路。（3）有一定的存储功能。（4）有CPU。（5）有操作系统。（6）有专门的应用程序。（7）有数据发送器。（8）遵循物联网的通信协议。（9）在世界网络中有可被识别的唯一编号。(身份证号、学号）81.1物联网的概念2.物联网的特征（1）全面感知：数量巨大、类型繁多、每个传感器所捕获的信息内容和信息格式不同、数据具有实时性。（2）可靠传递：通过各种有线和无线网络与互联网融合，由互联网传递海量信息，适应各种异构网络和协议。（3）智能处理：智能控制、云计算、模式识别等技术。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。91.1物联网的概念3．物联网概念的解析（理解）狭义：连接物品到物品的网络，实现物品的智能化识别和管理。广义：一种无处不在的、实现物与物之间、人与物之间的信息互联的网络，从而孕育出各种新颖的应用与服务。外延：实现物理世界与信息世界的融合，将一切事物数字化、网络化，在物品之间、物品与人之间、人与现实环境之间实现高效信息交互，是信息化在人类社会综合应用达到的更高境界。技术理解：物联网是指物体的信息通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。应用理解：物联网是指把世界上所有的物体都联接到一个网络中，形成“物联网”，然后“物联网”又与现有的“互联网”结合,实现人类社会与物理系统的整合，达到更加精细和动态的方式去管理生产和生活。通俗理解：将RFID和WSN结合为用户提供生产生活的监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的服务。101.1物联网的概念1.1.2物联网发展的背景和意义必然性：社会发展的需求互联网：人与人之间的信息交互和共享。物联网是互联网的延伸与扩展：人与物、物与物之间信息的自动交互和共享。物联网可以实现物理世界与信息世界的无缝连接，见下图。数字世界真实的物理世界虚拟的信息世界描述语义的集成物联网社会知识的集成举例：语言（语法、语义、语用）：徐家福老教授111.1物联网的概念2.技术背景（1）互联网技术是物联网的发展基础（2）三网融合是物联网理想的通信平台移动网＋IP网＋广播电视多媒体网（3）云计算是物联网应用的商业模式海量数据存储、海量数据处理；云计算可以成为物联网网络引擎。（4）普适计算是物联网智能的理论模型普适计算：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。两个特征：间断连接与轻量计算（即计算资源相对有限）。（5）3G/4G/M2M是物联网便捷的接入方式（6）WSN/Sensor是物联网无处不在的感知手段（7）RFID是物联网最成熟的应用技术121.1物联网的概念3.社会背景（1）国际金融危机必然要通过催生新的科技革命和产业革命来解决（2）物联网可以解决我们面临的诸多问题经济衰退、能源危机、全球竞争、气候变化、人口老龄化等；（3）世界各国高层领导的重视和亲自推动奥巴马、我国前总理温家宝(无锡基地）、欧洲各国、日本和韩国(“U-Japan”，“U-Korea”)（4）信息化产业对物联网强力推动IBM、中移动、中科院物联网研究所、研祥、罗克佳华等。（5）传统产业的积极呼应沃尔玛、海尔（“智慧冰箱”）等传统产业积极呼应（6）社会经济发展与产业转型成为物联网发展的推动力（7）解决物理世界与信息世界分离所造成的问题成为物联网发展的推动力131.1物联网的概念1.1.3物联网发展现状1.国外发展现状（1）美国国防部：“智能微尘”（SMARTDUST）国家科学基金会：“全球网络研究环境”（GENI）德州仪器、英特尔、高通、IBM、微软：通信芯片及通信模块设计。已经开始在军事、工业、农业、环境监测、建筑、医疗、空间和海洋探索等领域投入应用（2）欧盟2009年6月制定物联网行动方案2009年9月15日，发布《欧盟物联网战略研究路线图》，提出欧盟到2010、2015、2020三个阶段物联网研发路线图，并提出物联网在航空航天、汽车、建筑、医药、能源等18个主要应用领域和识别、数据处理、物联网架构等12个方面需要突破的关键技术。141.1物联网的概念1.国外发展现状（3）日本2004年，日本总务省召开了“实现泛在网络(Ubiquitous)社会政策座谈会”，提出“U-Japan”战略。（4）韩国2004年，”U-Korea“战略，目标是“在全球最优的泛在基础设施上，将韩国建设成全球第一个泛在社会”。国外发展现状小结：美、欧、日、韩等少数国家起步较早，总体实力较强。从商业零售和物流领域拓展到环境监测、生物医疗、智能基础设施等领域。目前，物联网开发和应用仍处于起步阶段，抓住机遇，占领先机，提升综合竞争力的重要手段。151.1物联网的概念2.国内发展现状（1）中国不落后有一定的基础、与国际同步，并已在诸多行业得到初步应用。领域应用：电力、智能交通、医疗卫生、家庭安防、重点区域防入侵、工业控制、农业、环境监测等。例如，（a)上海市公共安全传感网平台成功应用于上海、宁波、嘉兴段的北京奥运火炬接力，(b)上海组织六国峰会、特奥会国家元首的保卫中得到应用。(c)基于低、高速传感网的太湖水质监测系统已投入使用。(d)基于传感网的智能交通系统在流量监测、红绿灯控制、停车信息服务等方面已投入应用，部分产品还打入北美市场。161.1物联网的概念2.国内发展现状（2）物联网标准化现状2010年3月9日，中国“物联网标准联合工作组”筹备会议在北京召开。2010年6月8日，物联网标准联合工作组正式成立。（3）物联网技术研发现状传感器网络硬件节点的研究：中国科学院计算技术研究所深联科技的“基于ZigBee无线通信协议栈的GAINJ、GAINZ等系列传感器节点”；香港科技大学的“基于Telos一B平台的无线传感器网络节点”；南京邮电大学的“无线传感器网络系列节点UbiCell和UbiCell无线医疗传感器节点”等。171.1物联网的概念2.国内发展现状（4）物联网应用现状领域：电力行业、交通行业、物流行业、金融行业和家居行业等。电力行业：电力传输、电能计量自动化系统使南方电网电信通信故障评价处理时间缩短一倍以上。交通行业：高速公路联网收费、不停车收费、多路径识别等。物流行业：车辆管理、集装箱管理、船舶管理、货物管理、堆场管理等。上海港通过国家信息化试点项目“中美集装箱电子标签国际航线应用”的实施，已代表中国，将该项目中有关应用RFID的核心技术向国际标准化组织提出制定相关国际标准的工作提案《Freightcontainer-RFID-CargoshipmentTag》，并已获得了授权，将由中国主持起草“集装箱货运标签”国际标准，编号为150/NP18186。这为我国抢占未来集装箱制造和运输市场，引领RFID在集装箱运输领域的应用发展奠定了一个较好的基础。金融行业：基于IC和RFID技术的全国银行卡、基于物联网技术的手机支付。181.2物联网体系结构1.2.1物联网体系架构完整的物联网系统包含五个层面的功能：信息感知层、物联接入层、网络传输层、技术支撑层和应用接口层。1.物联网五层架构模型191.2物联网体系结构1.物联网五层架构模型（1）信息感知层获取物体信息的来源：相当于人的眼、耳、鼻、喉和皮肤等神经末梢主要功能：识别物体，采集信息。主要技术：RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术，包括芯片研发、通信协议研究、RFID材料、智能节点供电等细分领域。（2）物联接入层将采集到的信息进行汇总，重点强调各类接入方式：Ad-hoc（多跳移动无线网络）、传感器网络，Wi-Fi、3G/4G、Mesh网络、有线或者卫星等方式。（3）网络传输层无障碍、高可靠性、高安全性地进行传输，综合使用IPv6、2G/3G、Wi-Fi等通信技术，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合。201.2物联网体系结构1.物联网五层架构模型（4）技术支撑层物联网基础信息运营与管理，是网络基础设施与架构的主体。主要功能：支撑跨行业、跨应用、跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。（5）应用接口层物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，与行业需求结合，实现物联网的智能应用。主要功能：完成服务发现和服务呈现。211.2物联网体系结构2．物联网分层架构从行政区域和级别的角度来看，可将物联网的结构分为四级。如下图所示。221.2物联网体系结构1.2.2物联网体系的特点1．实时性（数据采信）2．大范围（数量巨大）3．自动化一经部署，一般不再需要人工干预；既提高了运作效率、减少出错几率，又能够在很大程度上降低维护成本。4．全天候其布设可以基本不受环境条件、时间和气象变化的限制，实现全天候的运转和工作，从而使整套系统更为稳定而有效。231.2物联网体系结构1.2.3物联网、传感网和泛在网的关系物联网与其它网络之间的关系见下图。241.2物联网体系结构(1).物联网与传感器网络的关系传感器网络（SensorNetwork）的概念最早由美国军方提出，起源于1978年美国国防部高级研究计划局（DARPA）开始资助卡耐基梅隆大学进行分布式传感器网络的研究项目，当时此概念局限于由若干具有无线通信能力的传感器节点自组织构成的网络。随着近年来互联网技术和多种接入网络以及智能计算技术的飞速发展，2008年2月，ITU-T发表了《泛在传感器网络（UbiquitousSensorNetworks）》研究报告。在报告中ITU-T指出，传感器网络已经向泛在传感器网络的方向发展，它是由智能传感器节点组成的网络，可以以“任何地点、任何时间、任何人、任何物”的形式被部署。泛在传感器网络等同于现在我们提到的物联网。2