物联网技术与应用培训讲义

1物联网技术与应用张小强副教授西南交通大学[e-mail]2第一部分物联网技术物联网产生的背景、技术现状、产业链等提纲第三部分物联网、RFID应用物联网的工程应用情况、前景分析第二部分RFID技术RFID技术简介、作用及发展趋势3第一部分物联网技术4物联网产生的背景：1、全球性的经济危机经济长波理论：每一次的经济低谷必定会催生出某些新的技术，而这种技术一定是可以为绝大多数工业产业提供一种全新的使用价值，从而带动新一轮的消费增长和高额的产业投资，以触动新经济周期的形成。过去的10年间，互联网技术取得巨大成功。目前的经济危机让人们又不得不面临紧迫的选择，物联网技术成为推动下一个经济增长的特别重要推手。2、传感技术的成熟随着微电子技术的发展，涉及人类生活、生产、管理等方方面面的各种传感器已经比较成熟。例如常见的无线传感器（WSN）、RFID、电子标签等。3、网络接入和信息处理能力大幅提高目前，随着网络接入多样化、IP宽带化和计算机软件技术的飞跃发展，基于海量信息收集合分类处理的能力大大提高。5物联网概念的发展历程200519991998MIT的Auto-ID中心的KevinAshton：把RFID技术与传感器技术应用于日常物品中形成一个“物联网”EPCglobal的Auto-ID中心：物联网是成千上万的物品采用无线方式接入了Internet的网络。这是物联网概念真正的提出。ITU报告：物联网是通过RFID和智能计算等技术实现全世界设备互连的网络。把物联网的概念拓展到了传感网络2008IBM：互联网＋物联网＝智慧地球把传感器设备安装到电网、铁路、桥梁、隧道、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且普遍连接形成网络，即“物联网”1995BillGates在《未来之路》中提及物联网概念6中国政府对物联网的发展非常关注2009年8月7日温家宝总理在考察中国科学院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时，对该中心正在对继互联网、移动通信之后的全新技术领域传感网进行攻关，立志开辟“感知中国”（又称“智慧中国”）的创新之举，做出高度评价。“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国’中心”。72009年8月26日，工信部总工程师朱宏任在中国工业经济运行2009年夏季报告会上表示，我国也正在高度关注、重视物联网方面的研究。2009年9月11日，工信部传感器网络标准化工作小组的成立，标志着我国将加快制定符合我国发展需求的传感网技术标准，力争主导制定传感网国际标准。2009年11月3日，温家宝总理在人民大会堂向首都科技界发表了题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话，再次强调科学选择新兴战略性产业非常重要，并指示要着力突破传感网、物联网关键技术。8物联网（InternetofThings)产业在两会期间被正式提升为国家戓略之一，写入政府工作报告，国家物联网标准联合工作组成立物联网如果要被当成“一个产业”，需要有一个一致认同的定义和规范的统计标准，如果不统一，将无法准确统计产业规模有人说物联网产业“看丌清楚”，正在中国“野蛮生长“物联网是一个“已经探明储量的巨大金矿”，但矿产资源很分散，遍布世界各个角落，眼下还难以集中开采9物联网（IOT：InternetofThings）的定义：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。1、技术层面的定义物联网是指物体通过智能感应装置，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。2、应用层面的定义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管理生产和生活。10物联网特征物联网三个重要特征：1、全面感知，利用RFID，传感器，二维码等随时随地获取物体的信息2、可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去3、智能处理，利用云计算，模糊识别等各种智能计算技术，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11物联网的关键技术传感网络技术是由使用传感器的器件组成的在空间上呈分布式的无线自治网络，用来感知环境参数，如温度、震动等等。近程通讯技术是新兴的短距离连接技术，从很多无接触式的认证和互联技术演化而来，RFID和蓝牙技术是其中的重要代表。物联网现阶段最主要的表现形式：M2MM2M是机器到机器的无线数据传输，有时也包括人对机器和机器对人的数据传输。有多种技术支持M2M网络中的终端之间的传输协议，目前主要有CDMA、GPRS、IEEE802.11a/b/gWLAN等等。12物联网的架构上层：互联网络物联网的信息存储物联网的计算决策中层：泛在接入无线网络（蜂窝、WiFi等）有线网络下层：物物网络智能嵌入式设备感知、标识和通信协同、互动接入网互联网络物物网络云计算服务决策移动、3G网络WIFI、WIMAX局域网络感知网络家居网络个域网络家居网络13IOT基本模型智能卡条形码二维码GPS传感器技术网关设备近距离通信因特网跟踪定位高速数据网络14物联网结构15基于物联网技术的智慧星球16物联网发展的三个阶段初级阶段：已存在的一些各行业基于各种行业数据交换和传输标准的连网监测监控，两化融合等应用系统，主要以NetworksofThings（物连网）的方式存在中级阶段：在物联网理念推劢下，基于局部统一的数据交换标准实现的跨行业、跨业务综合管理大集成系统，初步走向InternetofThings（物联网）高级阶段：基于物联网统一数据标准，SOA,WebService,云计算虚拟服务的onDemand系统，最终实现“ThingasaService”17物联网产业链之DCM划分三层架构：感知层，网络层，和应用层18物联网四大支柱产业群RFID:中国股票市场“横空出世”的物联网概念股都是做RFID智能卡的公司传感网：以研究人员为主体，也包括一些仪器仪表业界的公司，这也是温总理“感知中国”提法的主要依据M2M：中国三大通讯营运商早已开展M2M业务，兲注末端设备的互联和集控管理两化融合：自劢控制，工业信息化行业相兲产业群19对物联网的看法：物联网已经成为信息科技产业化的第三次浪潮，强调核心技术。事实上她只是反映了学科交叉、技术集成的科学发展必然趋势。我们应该积极投身于这个浪潮之中，发挥自身优势，在物联网大系统中占领一席之地，其目标是使得国家利益最大化。“InternetofThings”在美国并未成为一个像中国一样“家喻户晓”的“buzzword”，美国更关注一些具体行业应用，如M2M，SmartGrid等。物联网的技术和理念以及应用早已在各行业存在，但共性特征未被总结、提炼出来，目前时机已成熟。物联网之所以目前被认为是一个产业，主要缘于各行业应用的技术共性20SWOT分析：中国优势和机会国家戓略高度重视“举国体制”优势全社会支持，巨大内需市场可以调劢最大的整体资源用户的求新意识发达地区基础设施世界一流，和国外基本处在同一起跑线发达国家受“产业惯性”制约软件和数据标准待建立外部全球经济危机待恢复，需要新的增长点21其他相关术语感知中国，M2M,传感网络，智慧地球（SmartPlanet)，两化融合(DigitalConvergence)，PervasiveComputing(普适计算）,AmbientIntelligence，Haptic和UbiquitousComputing、X-internet（可执行的互联网），Building2.0，SmartGrid（智能电网）……物联网其实已成为一个“中国制造”的概念，含义更广阔，影响更深远22物联网发展过程中面临的五个主要技术问题：（1）技术标准问题世界各国存在不同的标准。中国信息技术标准化技术委员会于2006年成立了无线传感器网络标准项目组。2009年9月，传感器网络标准工作组正式成立了PG1(国际标准化)、PG2(标准体系与系统架构)、PG3(通信与信息交互)、PG4(协同信息处理)、PG5(标识)、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(电力行业应用调研)等8个专项组，开展具体的国家标准的制定工作。（2）安全问题信息采集频繁，其数据安全也必须重点考虑。（3）协议问题物联网是互联网的延伸，在物联网核心层面是基于TCP/IP，但在接入层面，协议类别五花八门，EPCCLASS1GEN2、GPRS/CDMA、短信、传感器、有线等多种通道，物联网需要一个统一的协议栈。23物联网发展过程中面临的主要问题（续）：（4）IP地址问题每个物品都需要在物联网中被寻址，就需要一个地址。物联网需要更多的IP地址，IPv4资源即将耗尽，那就需要IPv6来支撑。IPv4向IPv6过渡是一个漫长的过程，因此物联网一旦使用IPv6地址，就必然会存在与IPv4的兼容性问题。（5）终端问题。物联网终端除具有本身功能外还拥有传感器和网络接入等功能，且不同行业需求千差万别，如何满足终端产品的多样化需求，对运营商来说是一大挑战。24第二部分RFID技术介绍25射频识别技术RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别。常称为感应式电子晶片或近接卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码，等等。无线射频识别技术（RadioFrequencyIdenfication，RFID）是一种非接触的自动识别技术，其基本原理是利用射频信号和空间耦合（电感或电磁耦合）或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。26RFID的发展历程RFID技术的发展可按10年期划分如下：1941～1950年。雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。1951—1960年。早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。1961—1970年。RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。1971—1980年。RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。1981～1990年。RFID技术及产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。1991～2000年。RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。2001—今。标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。27RFID的组成28电子标签电子标签是射频识别系统的数据载体，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签(Activetag)、无源电子标签(Passivetag)和半无源电子标签(Semi—passivetag)。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池，半无源电子标签(Semi—passivetag)部分依靠电池工作。电子标签依据频率的不同可分为低频电子标签、高频电子标签、超高频电子标签和微波电子标签。依据封装形式的不同可分为信用卡标签、线形标签、纸状标签、玻璃管标签、圆形标签及特殊用途的异形标签等。29类型优点缺点应用领域有源标签电能充足工作可靠性高信号传送的距离远限制标签的使用时间或次数。寿命受到限制随着电池电力的消耗数据传输的距离会越来越小。可用在需要限制数据传输量或使用数据有限制的领域。无源标签有永久的使用期支持长时间的传输距离永久的数据存储。数据输出的距离，比主动式标签小，电能较弱数据传输的距离和信号强度受到限制。用语标签信息需要每天读写或频繁读写多次的地方。30只读标签与可读可写标签只读标签：内部只有ROM和RAM。ROM用于存储发射器OS