第1章 物联网概述

2020/3/15物联网应用技术与实践2016.82020/3/15第1章物联网概述1.1物联网的概念1.1.1物联网的定义简言之，物联网就是利用条码、射频识别、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，实现人与人、人与物、物与物在任何时间、任何地点的连接，从而进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的庞大网络系统。2020/3/15物联网组成示意图2020/3/151.1.2物联网的特征第一是全面感知的特征，利用射频识别、二维码、无线传感器等感知、捕获、测量技术随时随地对物体进行信息采集和获取。第二是可靠传递特征，通过无线网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递给用户。第三是智能处理的特征，利用云计算、数据挖掘以及模糊识别等人工智能技术，对海量的数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。2020/3/15•1.1.3物联网的发展史1991年，美国麻省理工学院(MIT)自动识别中心(AutoID)创建者之一的KevinAshton教授首次提出物联网（InternetOfThings，IOT）的概念。1995年，比尔·盖茨在《未来之路》一书中也提及类似于物品互联的想法，只是当时受限于无线网络、硬件及传感设备的技术，对这一想法，人们并未引起重视。1999年美国麻省理工学院建立了自动识别中心，提出“万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义。1999年至2003年，物联网方面的工作局限于实验室中，这一时期的主要工作集中在物品身份的自动识别上，如何减少识别错误和提高识别效率是关注的重点。1.1.3物联网的发展史2020/3/15早期的物联网是依托射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）技术的物流网络。随着技术和应用的不断发展，物联网的内涵已经发生了较大变化。2005年在信息社会世界峰会（WorldSummitofInformationSociety，WSIS)上，国际电信联盟（InternationalTelecommunicationUnion，ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》报告。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临。2020/3/15通过一些关键技术，用互联网将世界上的物体都连接在一起，使世界万物都可以上网，世界上所有物体都可以通过互联网主动进行信息交换。物联网概念开始正式出现在官方文件中。从此以后，物联网获得跨越式的发展，美国、中国、日本以及欧洲一些国家纷纷将发展物联网基础设施列为国家战略发展计划的重要内容。2020/3/15在美国，2009年1月，IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”构想，他认为，智能技术正应用到生活的各个方面，如智慧的医疗、智慧的交通、智慧的电力、智慧的食品、智慧的货币、智慧的零售业、智慧的基础设施甚至智慧的城市，这使地球变得越来越智能化。强调地球上任何人和事物都能够更透彻地感知、更全面地互联互通、更深入的智能处理。2020/3/15智慧星球模型图如图1.3所示。其中物联网为“智慧地球”不可或缺的一部分，奥巴马在就职总统演讲后，对“智慧地球”构想提出积极回应，并提升到国家级发展战略。奥巴马在能源变革中明确发展智能电网，并将信息技术视为21世纪基础设施的关键组成部分。2020/3/152000年日本提出e-Japan（电子日本）战略，2004年6月升级为u-Japan（泛在网络计划）战略，希望能促进日本整体ICT的基础建设。“e-Japan战略”的目标是于2005年在全日本建成3000万家庭宽带上网及1000万家庭超宽带（30Mbps～100Mbps）上网的环境。在总务省的u-Japan构想中，希望在2010年将日本建设成一个“任何时间、任何地点、任何人、任何物”都可以上网的环境。此构想于2004年6月4日被日本内阁通过，总务省编制了独立预算，其中40％被用于部署泛在网络，使日本成为全球创造新技术和商业模式的最先进的温床。2020/3/152005年6月，欧盟执委会正式公布了未来5年的欧盟信息通信政策架构“i2010”，其中指出，为迎接数字融合时代的来临，必须整合不同的通信网络、内容服务、终端设备，以提供一致性的管理架构来适应全球化的数字经济，发展更具市场导向、弹性及面向未来的技术。i2010包含以下三项优先目标，一是创造统一的欧洲信息空间；二是要强化创新与ICT的投资；三是建立具有包容性、高质量的信息化社会。2020/3/152006年9月，当时的欧盟理事会轮值主席国芬兰和欧盟委员会共同发起举办了欧洲信息社会大会。此次大会以“i2010－创建一个无所不在的欧洲信息社会”为主题，并达成共识，即是信息社会正在变为一个“无所不在”的信息社会。2009年6月18日推出了《欧盟物联网行动计划》（InternetofThings-AnactionplanforEurope），在医疗专用序列码、智能电子材料系统等应用方面作出了尝试。制定了水、电、煤气抄表规范并强制推动。2020/3/152009年英国试验“新社区网络”，全国联网和电表相联，互联网控制电灯开关，并将其纳入“数字英国”战略。此外，联合国于2003年12月在日内瓦举办的信息社会世界峰会（WorldSummitontheInformationSociety，WSIS）上，首次为“无所不在的网络”提供了一个在国际上进行讨论的机会。2006年2月，国际电联在日内瓦举办了一个射频身份识别研讨会，会议特别强调了物联网的概念，指出物联网能实现任何时间和任何地点的无所不在的网络连接。2020/3/15•1.2物联网的意义•1.2.1国家驱动力由上述物联网的发展历程可知，各国政府都非常重视信息技术的深入应用，将物联网作为振兴经济的战略性产业，打造广泛覆盖的网络基础设施，重视信息技术的深入应用与服务，将它们渗透到经济和社会生活的方方面面；增值应用是物联网未来发展的重点方向，软件开发、智能控制将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。国家驱动力推动物联网市场繁荣。各国政府均将基于物联网的深度信息化提升为国家战略。2020/3/15•1.2.2人类社会急需物联网是化解当前人类与社会危机之戟。物联网的发展，能大大促进当前以效率、节能、环保、安全、健康为核心诉求的全球信息化发展。据有关统计预测，物联网技术的使用，在三表远抄方面，用户节省电费15-30%，抄表工数量降50倍；在交通能耗方面，交通、燃油费用开支降20倍，提升能效比35~40%，全球交通事故死亡人数减少30%，交通工具使用效率上升50%，公路使用率上升15％~30％，交通流量减少20%，污染下降12%~15%；2020/3/15在电子医疗方面，高血压病人月开支节省约￥200元（传统方式约为￥500元左右），使医院资源缓解67%~85%；在智能电网方面，据有关报道，单就美国而言，能耗降低10%，温室气体排放量减少25%，节省800亿美元新建电厂费用。2020/3/151.2.3IT产业的机遇当代社会信息技术高速发展、需求不断变化，应用模式也在不断创新。物联网应用的广泛性，将给IT产业和信息化发展带来了新机遇。据有关方面统计，2010年全球超过400B机器具备数据传输功能，M2M成为驱动移动通信发展的关键因素；2015年，全球将有超过500亿台仪表设备连接到无线网络，通过无线方式发送数据，实现M2M通信；全球汽车超过11亿辆，CAGR（复合年均增长率）7%，所以，未来10年，ITS（智能交通系统）将成为建设热点，市场规模将达$500BUSD。2020/3/15美国权威咨询机构FORRESTER预测，到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30比1，因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。2020/3/15•1.3物联网的应用1.3.1物联网应用领域物联网可以看作是现有的人与应用之间交互的扩展。正因为如此，物联网必将给现在传统技术的应用（如：自动识别和数据采集技术的应用）带来更大的附加价值，将扩展这些技术的使用范围，打破现有本地化的限制，从而大大扩展这些技术的应用领域和适应能力。因此，为了更好地思考未来物联网的应用范围，需要正确识别物联网所涉及的主要应用领域，找到物联网和这些领域的结合点与交集，正如图1.4所示的一样。2020/3/15领域特征描述典型事例实业领域物联网可以涉及公司、机构和其他实体之间的金融与商业活动制造业、物流业、服务业、银行业、政府金融部门、流通业等环境领域物联网可以涉及环境保护、环境监测和自然资源开发等活动农业与畜牧业、环保、环境管理、能源管理等社会领域物联网可以涉及涵盖人口、城市和社会中各种群体以及他们发展的相关活动与计划包含公民和社会结构、以及其他社会群体等的政府服务2020/3/15•1.3.2交通运输与物流在航空航天领域中，物联网可以大大提高航天和航空领域中产品和服务的安全性、隐私性以及可靠性。物联网通过使用附着在机舱内部和外部的具有感知能力的智能设备，为我们建立起一个实时、无线监控航空器的网络环境，它将帮助改进维修计划的制定工作，也可以有效减少维修成本的投入和浪费，改善飞机的实际安全和可靠程度。2020/3/15在汽车工业中，物联网可以帮助我们监控像轮胎气压、周围车辆状况等数据，以便实时获取车辆全方位的各种信息。在汽车生产和销售过程中，通过采用RFID自动识别技术，可以提高汽车工业的整体生产效率、改善物流的整体水平、加强车辆的质量控制以及改善客户的服务体验等。车辆也可以适时地自动、自主地在发生紧急情况或者故障的情况下发起呼叫；也可以尽其所能地收集周围“物品”的数据与信息，比如：来自车辆部件、交通设施（如：道路、铁路等）、周边车辆的状况、以及所承载物品（如：人、货物等）的各种各样的探测到的数据以及信息。2020/3/151.3.3电信服务业物联网将整合现在已经存在的各种不同的通信技术，并且将发展出以及创造出更多崭新的应用类型和服务模式。完全可以预期，未来的SIM卡可以集成GSM、NFC、低功耗蓝牙、WLAN、多跳网络、GPS和传感网络等多种通信功能。在一些自动识别技术的应用中，同一台智能手机既可以作为标签，也可以充当读取设备，智能手机的许许多多应用全部被整合在同一块SIM卡中。用户可以方便地使用各种功能；应用提供商可以顺利地开展他们的业务；管理机构可以有效地管理和协调整个网络中应用以及通信的流量与安全。2020/3/15•1.3.4智能建筑智能能源测量技术可以帮助我们动态地监测能源的消耗，并将相关的数据和信息反馈到能源提供商，帮助他们减少碳排放水平，保护我们所处的环境。同时在未来，这些用于测量能源消耗的设备也可以与基于通用计算平台的现代家庭娱乐系统相整合，甚至可以与所处建筑物的其他传感探测装置以及其它设备相连接，构建一个闭环的、可以相互连接、相互通信的智能生活环境。2020/3/15未来的自动化家庭网络环境将是具有智能的。它将具有多种自主能力，例如，自主配置能力、自主修复能力、自主优化能力和自我保护能力等。它能够感知和适应环境的各种变化，更加适宜人类居住。通过自动化技术，家庭网络的结构将呈现高度的动态化和离散化。这将使得各种设备之间、各种系统之间、设备与系统之间的交互工作更加简单与便捷。2020/3/15在未来的智能建筑中，物联网将使得任何具备输入和控制接口的设备和物品可以安全、便捷地与整个建筑物的各种服务相连接，从而方便人们对系统的状态和设置情况进行实时地监视和控制。例如，在这种环境下，可以通过电冰箱上的触摸屏控制和调整自动温控装置的设置。或者当人们携带自己的手机进入时，住宅可以根据手机主人的偏好设置，来自动调节到适合于自己的居住环境。总的来说，在未来的家庭网络的范围内，个人移动设备和移动终端将真正可以做到自主感知、自动整合。2020/3/151.3.5生活与医疗保健1、医疗卫生保健首先，随着带有RFID传感器功能的智能手机得到普遍使用，特别是基于它们的各种可以采集病人状态、医疗参数和药品配送信息的监控平台被搭建起来以后，物联网必