物联网教学笔记

1、物联网一、物联网概述1 概念 物联网（The Internet of things）是：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。ITU 定义：From anytime, any place connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything.图1 物联网相关技术从本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网

2、络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用， “物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。2 物联网基本特点：Ø 全面感知：利用RFID、传感器、二维码、卫星、微波，及其它各种感知设备随时随地采集各种动态对象，全面感知世界。Ø 可靠的传送：利用以太网、无线网、移动网将感知的信息进行实时传送。Ø 智能控制：对物体实现智能化的控制和管理，真正达到人与物的沟通。3 物联网与互联网 互联网是物联网的基础 物联网是互联网发展的延伸 突破传统思维，在“物联”时代，“现实的世间万物” 将与 “虚拟的互联网”整合为统一的“整合网络”。全球全世界的运转以此为基础

3、就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、大坝、供水系统、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。4 WSN与物联网的关系 无线传感器网络（WSN）不可能做得太大，只能在局部的地方使用，例如战场、地震监测、智能家居等。“物联网”，是一个很大的网络，可以把世界上任何物品通过电子标签和网络联系起来。 WSN利用无线技术可以自成体系地单独使用，也可以作为互联网的“神经末梢”。物联网完全依托在互联网上。无线传感器网的节点是传感器，识读器是物联网的“神经末梢”和节点。如果把互联网比作人体，则RFID（射频识别）可以视为“眼睛”，WSN

4、可以视为“皮肤”。 RFID解决“WHO”，利用识读器，实现的是对物品的标志与识别；而WSN解决“HOW”，利用传感器，实现对物体状态的把握；眼睛可以识别，皮肤可以感觉，眼睛的功能不在于感觉温度的变化，而皮肤的功能也不是用来辨别哪个人或哪件东西。 5 RFIDRFID是Radio Frequency Identification的缩写，即射频识别，俗称电子标签。 1） RFID技术：RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 RFID是

5、一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器(或阅读器)和很多应答器(或标签)组成。2） RFID的分类RFID按应用频率的不同分为低频(LF)、高频(HF)、超高频(UHF)、微波(MW)，相对应的代表性频率分别为：低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M960MHz、微波2.4G，5.8GRFID按照能源的供给方式分为无源RFID，有源RFID，以及半有源RFID。无源RFID读写距离近，价格低；有源RFID可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本要更高一些，适用于远距离读写的应用场合。3） RFID的基本组成部分？ RFI

6、D标签俗称电子标签，也称应答器（tag, transponder, responder），根据工作方式可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大类，读写器也称阅读器、询问器（reader, interrogator），是对RFID标签进行读/写操作的设备，主要包括射频模块和数字信号处理单元两部分。天线（antenna）是RFID标签和读写器之间实现射频信号空间传播和建立无线通讯连接的设备。RFID系统中包括两类天线，一类是RFID标签上的天线，由于它已经和RFID标签集成为一体，因此不再单独讨论，另一类是读写器天线，既可以内置于读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器的射频输出端口相连。中间件（mi

7、ddleware）是一种面向消息的、可以接受应用软件端发出的请求、对指定的一个或者多个读写器发起操作并接收、处理后向应用软件返回结果数据的特殊化软件。应用软件（application software）是直接面向RFID应用最终用户的人机交互界面，协助使用者完成对读写器的指令操作以及对中间件的逻辑设置，逐级将RFID原子事件转化为使用者可以理解的业务事件，并使用可视化界面进行展示。4） RFID基本工作原理 RFID技术的基本工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag，无源标签或被动标签)，或者主动发

8、送某一频率的信号(Active Tag，有源标签或主动标签)；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。 一套完整的RFID系统, 是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部份所组成, 其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder, 用以驱动 Transponder电路将内部的数据送出，此时 Reader 便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。 5 ) 适应领域：物流和供应管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件、快运包裹处理、文档追踪、图书馆管理动物身份标识、运动计

9、时、门禁控制、电子门票、道路自动收费.从大型远距离UHF标签到细小的UHF标签。可以为客户做定制化生产，满足各种要求。目前，RFID在中国的很多领域都得到实际应用，包括物流、烟草、医药、身份证、奥运门票、宠物管理, 二代身份证等。二、国内外发展现状发展：目前，美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。 1995年比尔盖茨在未来之路书中首次提及物联网概念。 1999年提出，“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇” 2003年美国技术评论提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首 2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布

10、了ITU互联网报告2005：物联网，报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。 2009年1月，IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”构想，其中物联网为“智慧地球”不可或缺的一部分，而奥巴马在就职演讲后已对“智慧地球”构想提出积极回应，并提升到国家级发展战略。 在“2009无线技术世界暨物联网国际高峰会议”上，欧盟发言人表示，IPv6助力移动互联网与物联网的发展。 物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个

11、覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。 实质：利用射频自动识别(RFID)技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别 和信息的互联与共享国外物联网现状：n 日本现状：日本u-Japan战略，希望实现从有线到无线、从网络到终端、包括认证、数据交换在内的无缝链接泛在网络环境，100的国民可以利用高速或超高速网络。n 韩国现状：韩国也实现了类似的发展。配合 u-Korea 推出的 u-Home 是韩国的 u-IT839 八大创新服务之一。智能家庭最终让韩国民众能通过有线或无线的方式远程控制家电设备，并能在家享受高质

12、量的双向与互动多媒体服务。国内物联网现状：纵观：中国的技术研发水平处于世界前列，具有重大的影响力。在世界传感网领域，中国与德国、美国、韩国一起，成为国际标准制定的主导国之一 。掌握“物联网”的世界话语权，不仅 体现在技术领先，更在于 我国是世界上少数能实现产业化的国家之一 n 2004年初，全球产品电子代码管理中心（EPC）授权中国物品编码中心为国内代表机构，负责在中国推广EPC与物联网技术。4月，北京建立了第一个EPC与物联网概念演示中心。n 2005年，国家烟草专卖局的卷烟生产经营决策管理系统实现用RFID出库扫描，商业企业到货扫描。许多制造业也开始在自动化物流系统中尝试应用RFID技术。

13、n 2009年月日，温总理在无锡调研时，对微纳传感器研发中心予以高度关注，提出了把“感知中国”中心设在无锡、辐射全国的想法。n 江苏省委省政府接到指示后认真落实总理的要求，热情拥抱“物联网”，突出抓好平台建设和应用示范工作。n 无锡市则作出部署：举全市之力，抢占新一轮科技革命制高点，把无锡建成传感网信息技术的创新高地、人才高地和产业高地。n 2009年8月24日，中国移动总裁王建宙访台期间解释了物联网概念n 2009年9月11日，“传感器网络标准工作组成立大会暨感知中国高峰论坛”在北京举行，会议提出传感网发展相关政策。n 2009年9月14日。国家中长期科学与技术发展规划（2006-2020年

14、）和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。 n 中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心（简称无锡传感网中心），是国内目前研究物联网的核心单位之一。n 作为“感知中国”的中心，无锡市2009年9月与北京邮电大学就传感网技术研究和产业发展签署合作协议，涉及光通信、无线通信、计算机控制、多媒体、网络、软件、电子、自动化等技术领域，包括应用技术研究、科研成果转化和产业化推广等。n 2009年11月3号，中国总理温家宝发表了题为让科技引领中国可持续发展的讲话“我们要着力突破传感网、物联网的关键技术，及早部署后时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机

15、”。三、物联网体系架构物联网主要有三层架构：即：感知层、网络层和应用层，如图所示。图2 层次图1. 感知层是传感系统，即以二维码、RFID（射频识别）、传感器为主，来实现和物相关的信息采集。Ø 传感器技术：感知物资信息Ø RFID技术：智能识别Ø 微机电系统（MEMS）：采集信息Ø GPS/GIS技术：全球定位/地理信息系统2. 网络层是通信网络，包括我们现在的互联网、通信网、广电网以及各种接入网和专用网，目的是对采集来的信息进行传输和处理。Ø 无线传感器网络（WSN）技术 Ø Wi-Fi（Wireless Fidelity,无线保真

16、技术） Ø 通信网、互联网、3G网络、IPV6（让世界的第一粒都拥有一个IP地址）Ø GPRS网络（基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接 ）Ø 广电网络、NGB（下一代广播电视网 ）3. 应用层 是应用和业务，即通过手机、PC等终端设备实现所感知信息的应用服务。Ø 企业资源计划（ERP：Enterprise Resource Planning）Ø 专家系统（Expert System) Ø 云计算（Cloud Computing）Ø 系统集成（System Integrate）Ø 行业

17、应用（Industry Application）Ø 资源打包（Resource Package） 四 物联网工作原理 步骤1 对物体属性进行标识；2 需要识别设备完成对物体属性的读取,并将信息转换为适合网络传输的数据格式；3 将物体的信息通过网络传输到信息处理中心，由处理中心完成物体通信的相关计算。EPC标签EPC识读器EPCSavant 系 统射频ONS服务器EPCIP地址EPCPMLPML服务器产品信息数据库数据库图3 物联网工作原理PS： EPC:电子产品代码，ONS:对象名称服务， PML:物理标记语言 l 关键技术ü RFID（射频识别）ü Savant

18、系统ü ONS （对象名称解析服务）ü PML（物理标记语言） u RFID（射频识别） RFID技术是利用无线射频信号进行非接触双向通信，实现自动识别与数据交换。简单的RFID系统由标签、识读器和天线三部分组成。 EPC（电子产品代码）标签是装载识别信息的载体，依附在商品上；它是物联网的心脏，保证对单个物品的标识和识别。EPC还可以与数据库里的大量数据相联系，而且随着产品的转移或变化，这些数据可以实时更新。 识读器是获取产品信息的装置，为标签提供电源。 EPC标签识读器电磁波EPC（电子产品代码）图4 RFID通信示意图u Savant系统-物联网的神经系统 Savant

19、是用来加工和处理来自识读器的所有信息和事件流的软件，是连接识读器和企业应用程序的纽带。它要对EPC进行过滤、分组和计数，以减少发往信息网络系统的数据量，并防止错误识读、漏读或多读信息。识读器识读器SAVANTONS（对象名称服务）EPC信息服务其他服务其他Savant具体程序模块采用的其他服务识 读 器 接 口应 用 程 序 接 口企业应用程序企业应用程序程序模块图5 SAVANT内部结构u ONS（对象名称解析服务） ONS的作用是将一个EPC(电子产品代码)映射成一个或多个URI(统一资源定位符),通过这些URI可以查找到在PML（产品标识语言）服务器上产品的详细信息。是联系前台Savan

20、t软件和后台PML服务器的枢纽，并且设计与架构都以因特网DNS为基础。标签标签识读器本地服务器1.EPC2.EPC3.EPC本地ONS解算器4.EPC域名5.PML服务器IP地址ONS服务器基础架构6.IP地址PML服务器7.与PML 服务器建立连接图6 ONS工作过程u PML（物理标记语言） PML 是物联网中的通用语言，用来定义物理对象的数据。它以可扩展标志语言XML的语法为基础。 PML服务器内部存放了制造商生产的所有物品相关数据信息的PML文件。标签-识读器的基层设备已探测到的EPC标签SavantONS（对象名称服务） PML-Server与ONS通讯来获得与所探测到的EPC相关的PML页面查找符合此EPC的PML-server地址请求PML数据处理从EPC标签新读取到的数据返回所请求EPC数据发布新数据处理新读取到的EPC标签图7 EPC信息获取流程图五、物联网未来业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球