物联网技术概论

《物联网技术概论》物联网技术概论刘静山东理工职业学院软件工程学院第1章物联网概述物联网相关的概念1物联网的发展和特点2物联网体系架构3物联网标准化4第1章物联网概述【本章学习重点】了解物联网的相关概念、物联网的特点与发展历程，掌握物联网的体系架构组成。1.1物联网相关的概念1.1.1

物联网1.1.2

传感网1.1.3

泛在网1.1.4物联网、传感网与泛在网之间的关系

1.1.1物联网比尔・盖茨:物联网的概念最早出现于比尔・盖茨1995年《未来之路》一书。在《未来之路》中，比尔・盖茨提及InternetofThings的概念。1.物联网的概念国际电信联盟（ITU）:2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《互联网报告2005：物联网》一文，在报告中明确提出了“物联网”InternetofThings）的概念。

欧盟：2009年9月15日，欧盟第7框架下RFID和物联网研究项目簇（ClusterofEuropeanResearchProjectonTheInternetOfThings：CERP-IoT）在发布的《物联网研究战略路线图》（InternetofThingsStrategicResearchRoadmap）研究报告中对物联网的定义如下：物联网是未来Internet的一个组成部分，可以被定义为基于标准的和可互操作的通信协议且具有自配置能力的动态的全球网络基础架构。物联网中的“物”都具有标识、物理属性和实质上的个性，使用智能接口，实现与信息网络的无缝整合。1.1.1物联网

中国：2010年，我国的政府工作报告所附的注释中对物联网有如下的说明：物联网是指通过信息传感设备，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。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络。1.1.1物联网物联网2.物联网的特点（1）全面感知（3）智能处理特点（2）可靠传递传感网传感器网络(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。2008年2月，ITU-T在《泛在传感器网络(UbiquitousSensorNetworks)》研究报告指出：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。该技术可以在广泛的领域中推动新的应用和服务，从安全保卫和环境监控到推动个人生产力和增强国家竞争力。传感网传感器网络(SensorNetwork)的定义：随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的具有无线通信与计算能力的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。传感网络的节点间距离很短，一般采用多跳（Multi-hop）的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到互联网，使用户可以远程访问。传感网是以感知为目的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。泛在网1.泛在网的概念泛在网是指指无所不在在的网络，，又称泛在在网络。日韩给出的的定义是：：无所不在的的网络社会会将是由智智能网络、、最先进的的计算技术术以及其他他领先的数数字技术基基础设施武武装而成的的技术社会会形态。根根据这样的的构想，U网络将以以“无所不不在”、““无所不包包”、“无无所不能””为基本特特征，帮助助人类实现现“4A””化通信，，即在任何何时间(anytime)、、任何地点点(any-where)、、任何人(anyone)、、任何物(anything)都能顺顺畅地通信信。泛在网2.泛在网的关键技术泛在网络在在网络层的的关键技术术包括新型型光通信、、分组交换换、互联网网管控、网网络测量和和仿真、多多技术混合合组网等。。泛在网的的构建依赖赖三个实体体层的存在在和互动：：一是无所所不在的基基础网络；；二是无所所不在的终终端单元；；三是无所所不在的网网络应用图图。1.1.4物联网网、传感网网与泛在网网之间的关关系传感网是物物联网的组组成部分，，物联网是是互联网的延伸，泛泛在网是物物联网发展展的愿景。。传感网、、物联网与泛在在网之间的的关系如图图1-1所所示。

传感器网络

物联网泛在网图1-11.2物联网的发发展和特点点物联网的发发展物联网的起起源物联网的特特征物联网的起起源1999年麻省理工工学院Auto-ID（自动识别别）中心，，在美国统统一代码委委员会的支支持下提出出了EPC(ElectronicProductCode)的概念。2003年11月1日，Auto-ID中心更名为为Auto-ID实验室，致致力于自动动识别技术术的开发和和研究工作作，倡导为为能够跨越越整个供应应链的操作作方案制定定公共的标标准。2003年9月，Auto-ID中心发布的的规范1．0版中将这个个组件命名名为PML(物品标识语语言，PhysicalMarkupLanguageServer)作为EPC系统中的信信息服务关关键组件，，PML成为描述自自然物体、、过程和环环境的统一一标准。在在其后的一一年中，技技术小组依依照各个组组件的不同同标准和作作用以及它它们之间的的关系修改改了规范，，于2004年9月发布了修修订的EPC网络结构方方案，EPCIS(EPC信息服务)代替了原来来的PMLServer。2005年，突尼斯斯信息社会会世界峰会会上，国际际电信联盟盟（ITU）发布了《《ITU互联网报告告2005：物联网》》，正式将将“物联网网”称为““TheInternetofThings”。物联网的发发展主要经经历三个阶阶段。初级阶段：：已存在的的一些各行行业基于各各种行业数数据交换和和传输标准准的连网监监测监控、、两化融合合引领MAI应用系统。。中级阶段：：在物联网网理念推动动下，基于于局部统一一的数据交交换标准实实现的跨行行业、跨业业务综合管管理大集成成系统，包包括一些基基于SaaS模式和“私私有云”的的M2M营运系统。。高级阶段：：基于物联联网统一数数据标准，，SOA、WebService、云计算虚虚拟服务的的onDemand系统，最终终实现基于于“公有云云”TaaS（ThingasaService）。物联网的的发展

（1）国外物联网的发展现状（2）物联网在我国的发展物联网的的发展（1）国外物物联网的的发展现现状从国际上上看，欧欧盟、美美国、日日本和韩韩国等国国家都十十分重视视物联网网的工作作，并且且已进行行了大量量的研究究开发和和应用。。物联网的的发展美国“智慧地球”日本“U-Japan”计划韩国“U-Korea”战略欧盟的“欧洲物联网行动计划”物联网的的发展（2）物物联网在在我国的的发展2009年8月月,温家家宝总理理在考察察无锡传传感网工工程技术术研发中中心时指指出，要要在无锡锡建立““感知中中国”中中心，发发展物联联网。2009年11月,在在首都科科技界大大会再次次提出发发展物联联网。。2010年3月月5日，，温家宝宝总理在在《政府府工作报报告》中中，将““加快物物联网的的研发应应用”明明确纳入入重点产产业振兴兴计划。。物联网的的发展各省积极极响应：：江苏提提出政府府推动、、聚焦无无锡，努努力将无无锡建设设成“感感知中国国”中心心的目标标；北京京将打造造中国物物联网产产业发展展中心；；浙江努努力将先先发优势势转化为为领先优优势；上上海制定定顶层规规划、示示范先行行的规划划；广东东计划构构筑物联联网产业业发展高高地；福福建提出出政府驱驱动、迎迎头赶上上的口号号。此外外，山东东、四川川、重庆庆、黑龙龙江等省省市也在在积极推推进物联联网技术术及产业业发展的的相关工工作。（1）各种感知技术的广泛应用。（2）建立在互联网上的泛在网络。

（3）不仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力物联网的的特征1.3物联网体体系架构构网络层感知层应用层物联网是是以感知知与应用用为目的的的物物物互联系系统，涉涉及传感感器、RFID、安全、、网络、、通信、、信息处处理、服服务技术术、标识识、定位位、同步步等众多多技术领领域。物物联网的的价值在在于让物物体也拥拥有了““智慧””，从而而实现人人与物、、物与物物之间的的沟通。。物联网网的特征征在于感感知、互互联和智智能的叠叠加。作作为一种种形式多多样的聚聚合性复复杂系统统，物联联网涉及及了信息息技术自自上而下下的每一一个层面面，对它它的体系系结构划划分有比比较多的的争议，，人们普普遍认同同的体系系架构一一般可分分为三层层，如图图1-2所示。1.3物联网体体系架构构1.3物联网体体系架构构图1-2物物联网体体系架构构感知层主主要用于于采集物物理世界界中发生生的物理理事件和和数据，，包括各各类物理理量、标标识、音音频、视视频数据据。物联联网数据据采集涉涉及到的的技术有有多种，，主要包包括传感感器、RFID、二维码码技术、、Zigbee、蓝牙、、多媒体体信息采采集、实实时定位位等等。。传感器器网络组组网并协协同信息息处理技技术来实实现传感感器、RFID等数据采采集技术术所获取取数据的的短距离离传输、、自组织织组网以以及多个个传感器器对数据据进行处处理。1.3.1感知层1.3.1感知层（1）传感器技术（2）RFID技术（3）二维码技术（4）ZigBee（5）蓝牙感知层主要技术图1-感感知层主主要技术术物联网的的发展是是基于其其他网络络基础上上的，特特别是三三网融合合中的三三网（电电信网、、电视网网、互联联网），，还包括括通信网网、卫星星网、行行业专网网等。网网络层将将来自感感知层的的各类信信息通过过基础承承载网络络传输到到应用层层，网络络层中的的感知数数据管理理与处理理技术是是实现以以数据为为中心的的物联网网的核心心技术。。感知数数据管理理与处理理技术包包括物联联网数据据的存储储、查询询、分析析、挖掘掘、理解解以及基基于感知知数据决决策和行行为的技技术。1.3.2网络层1.3.1网络层（1）Internet技术术（2）移移动通信信网技术术（3）无无线传感感器网络络技术网络层主要技术术图1-网网络层主主要技术术应用层主主要包括括服务支支撑层和和应用服服务子集集层。服务支撑撑层的主主要功能能是根据据底层采采集的数数据，形形成与业业务需求求相适应应、实时时更新的的动态数数据资源源库；应应用服务务子集层层的主要要功能是是把感知知和传输输来的信信息进行行分析和和处理，，做出正正确的控控制和决决策，实实现智能能化的管管理、应应用和服服务。物联网应应用层利利用经过过分析处处理的感感知数据据，为用用户提供供丰富的的特定服服务。物物联网的的应用可可分为监监控型（（物流监监控、污污染监控控）、查查询型（（智能检检索、远远程抄表表），控控制型（（智能交交通、智智能家居居、路灯灯控制））、扫描描型（手手机钱包包、高速速公路不不停车收收费）等等。应用层应用层（1）M2M（2）云计算（3）人工智能（4）数据挖掘（5）SOA应用层主要技术图1-应应用层主主要技术术物联网自自身能够够打造一一个巨大大的产业业链，在在当前经经济形势势下对调调整经济济结构、、转变经经济增长长方式具具有积极极意义。。目前，，我国物物联网产产业和应应用还处处于起步步阶段，，只有少少量专门门的应用用项目，，零散地地分布在在独立于于核心网网络的领领域，而而且多数数还只是是依托科科研项目目的示范范应用。。它们采采用的是是私有协协议，尚尚缺乏完完善的物物联网标标准体系系，缺乏乏对如何何采用现现有技术术标准的的指导，，在产品品设计、、系统集集成时无无统一标标准可循循。因此此，严重重制约了了技术应应用和产产业的迅迅速发展展。而为为了实现现无处不不在的物物联网，，要实现现与核心心网络的的融合，，关键技技术尚需需突破。。1.4物联网标标准化

1.4.1国际物联网标准制定现状1.4.2我国物联网标准制定现状1.4.3我国物联网标准1.4物联网标标准化国际上针针对不同同技术领领域的标标准化工工作早已已开展。。由于物物联网的的技术体体系庞杂杂，因此此物联网网的标准准化工作作分散在在不同标标准化组组织，各各有侧重重。RFID：标准已已经比较较成熟，，ISO/IEC、EPCglobal标准应用用最广。。传感器网网络：ISO/IECJTC1/WG7（传感器网络工工作组）负责责标准化工作作。架构技术：ITU-TSG13对NGN环境下无所不不在的泛在网网需求和架构构进行了研究究和标准化。。国际物联网标标准制定现状状国际物联网标标准制定现状状M2M：ETSIM2MTC（（欧洲电信标标准化协会M2MTC小组)开开展了对M2M需求和和M2M架架构等方面的的标准化研究究制定，3GPP在M2M核心心网和无线增增强技术方面面正开展一系系列研究和标标准化工作。。通信和网络技技术：重点由由ITU、3GPP、IETF、IEEE等等组织开展标标准化工作。。目前IEEE802.15.4近距离无无线通信标准准被广泛应用用，IETF标准组织织也完成了简简化IPv6协议应用用的部分标准准化工作。SOA：相关关标准规范正正由多个国际际组织，如W3C、OASIS、WS-I、TOG、OMG等研究究制定。

（1）ITU-T物联网标准（2）ETSI物联网标准（3）3GPP/3GPP2物联网标准（4）IEEE物联网标准标准组织国际物联网标标准制定现状状（1）ITU-T物联网标准进进展ITU-T的中文名称是是国际电信联联盟远程通信信标准化组织织是国际电信信联盟管理下下的专门制定定远程通信相相关国际标准准的组织。由ITU-T指定的国际标标准通常被称称为建议（Recommen-dations）。由于ITU-T是ITU的一部分，而而ITU是联合国下属属的组织，所所以由该组织织提出的国际际标准比其它它的组织提出出的类似的技技术规范更正正式一些。ITU-T的研究内容主主要集中在泛泛在网总体框框架、标识及及应用三方面面。研究工作作已经从需求求阶段逐渐进进入到框架研研究阶段，目目前研究的框框架模型还处处在高层层面面。ITU-T在标识研究方方面和ISO通力合作，主主推基于对象象标识（OID）的解析体系系。国际物联网标标准制定现状状国际物联网标标准制定现状状ITU-T包包含下列相关关研究课题组组：SG13主要要从NGN（（下一代网络络，NextGenerationNetwork））角度展开泛泛在网相关研研究，标准主主导是韩国。。目前标准化化工作集中在在基于NGN的泛在网络络/泛在传感感器网络需求求及架构研究究、支持标签签应用的需求求和架构研究究、身份管理理（IDM））相关研究、、NGN对车车载通信的支支持等方面。。SG16组成成立了专门的的问题组展开开泛在网应用用相关的研究究，日、韩共共同主导，内内容集中在业业务和应用、、标识解析方方面。SG16组研究的的具体内容有有：Q.25/16泛在在感测网络（（USN）应应用和业务、、Q.27/16通信/智能交通系系统（ITS）业务/应应用的车载网网关平台、Q.28/16电子健康康（E-Health））应用的多媒媒体架构、Q.21和Q.22标识识研究。国国际物联网网标准制定现现状ITU-T包包含下列相关关研究课题组组：SG17组成成立有专门的的问题组展开开泛在网安全全、身份管理理和解析的研研究。SG17组研究的的具体内容有有：Q.6/17泛在通通信业务安全全，Q.10/17身份份管理架构和和机制，Q.12/17抽象语法标标记（ASN.1）、OID及相关关注册。SG11组成成立有专门的的问题组“NID和USN测试规范范”，主要研研究节点标识识（NID））和泛在感测测网络（USN）的测试试架构、H.IRP测试试规范以及X.oid-res测试试规范。（2）ETSI物联网标准进进展欧洲电信标准准化协会（ETSI）是由欧共体体委员会1988年批准建立的的一个非赢利利性的电信标标准化组织，，总部设在法法国南部的尼尼斯。ETSI的标准化领域域主要是电信信业，并涉及及与其他组织织合作的信息息及广播技术术领域。ETSI作为一个被CEN（欧洲标准化化协会）和CEPT（欧洲邮电主主管部门会议议）认可的电电信标准协会会，其制定的的推荐性标准准常被欧共体体作为欧洲法法规的技术基基础采用并被被要求执行。。ETSI采用M2M的概念进行总总体架构方面面的研究，ETSI成立了了一个个专项项小组组M2MTC，从M2M的角度度进行行相关关标准准化研研究。。ETSIM2MTC小组的的主要要研究究目标标是从从端到到端的的全景景角度度研究究机器器对机机器通通信，，并与与ETSI内NGN的研究究及3GPP已有的的研究究展开开协同同工作作。国际物物联网网标准准制定定现状状（3）3GPP/3GPP2物联网网标准准进展展第三代代合作作伙伴伴计划划(3GPP)是领先先的3G技术规规范机机构，，是由由欧洲洲的ETSI、日本本的ARIB和TTC、韩国国的TTA以及美美国的的T1在1998年底发发起成成立的的，旨旨在研研究制制定并并推广广基于于演进进的GSM核心网网络的的3G标准，，即WCDMA，TD-SCDMA，EDGE等。中中国无无线通通信标标准组组(CWTS)于1999年加入入3GPP。3GPP2主要工工作是是制订订以ANSI-41核心网网为基基础，，CDMA2000为无线线接口口的移移动通通信技技术规规范。。该组组织于于1999年1月成立立，由由美国国TIA、日本本的ARIB、日本本的TTC、韩国国的TTA四个标标准化化组织织发起起，中中国无无线通通信标标准研研究组组（CWTS）于1999年6月在韩韩国正正式签签字加加入3GPP2,成为这这个当当前主主要负负责第第三代代移动动通信信CDMA2000技术的的标准准组织织的伙伙伴。。国际物物联网网标准准制定定现状状国国际物物联网网标准准制定定现状状中国通通信标标准化化协会会（CCSA））成立立后，，CWTS在3GPP2的组组织名名称更更名为为CCSA。3GPP和和3GPP2采采用M2M的概概念进进行研研究。。作为为移动动网络络技术术的主主要标标准组组织，，3GPP和3GPP2关注注的重重点在在于物物联网网网络络能力力增强强方面面，是是在网网络层层方面面开展展研究究的主主要标标准组组织。。3GPP针针对M2M的研研究主主要从从移动动网络络出发发，研研究M2M应用用对网网络的的影响响，包包括网网络优优化技技术等等。3GPP研研究范范围为为：只只讨论论移动动网的的M2M通通信，，只定定义M2M业务务，不不具体体定义义特殊殊的M2M应用用。（4）IEEE物联网网标准准进展展在物联联网的的感知知层研研究领领域，，IEEE（电气气和电电子工工程师师协会会)重要地地位显显然是是毫无无争议议的。。目前前无线线传感感网领领域用用得比比较多多的Zigbee技术就就基于于标准。。IEEE802系列标标准是是IEEE802LAN/MAN标准委委员会会制订订的局局域网网、城城域网网技术术标准准。1998年，IEEE802.15工作组组成立立，专专门从从事无无线个个人局局域网网（WPAN）标准准化工工作。。在IEEE802.15工作组组内有有5个任务务组，，分别别制订订适合合不同同应用用的标标准。。这些些标准准在传传输速速率、、功耗耗和支支持的的服务务等方方面存存在差差异。。国际物物联网网标准准制定定现状状国国际物物联网网标准准制定定现状状工作组标准名称研究内容适用范围TG1IEEE802.15.1蓝牙无线通信标准适用于手机、PDA等设备的中等速率、短距离通信。TG2IEEE802.15.2IEEE802.15.1标准与IEEE802.11标准的共存TG3IEEE802.15.3超宽带（UWB）标准适用于个域网中多媒体方面高速率、近距离通信的应用。TG4IEEE802.15.4低速无线个人局域网（WPAN）把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互联提供统一标准。TG5IEEE802.15.5无线个人局域网（WPAN）的无线网状网（MESH）组网提供MESH组网的WPAN的物理层与MAC层的必要的机制。1.4.2我国物物联网网标准准制定定现状状物联网网国家家标准准的制制定主主要由由中国国物联联网标标准联联合工工作组组进行行统筹筹组织织，该该联合合工作作组包包含全全国11个个部委委及下下属的的19个标标准工工作组组，其其中电电子标标签标标准工工作组组和传传感器器网络络标准准工作作组（（WGSN）是是我国国物联联网标标准研研制的的核心心力量量。此此外，，中国国通信信标准准化协协会（（CCSA）泛泛在网网技术术工作作委员员会（（TC10）、、中国国RFID产业业联盟盟等一一批产产业联联盟和和协会会，它它们积积极开开展联联盟标标准的的研制制工作作，推推进联联盟标标准向向行业业标准准、国国家标标准转转化。。1.4.2我国物物联网网标准准制定定现状状WGSN是是由中中国国国家标标准化化管理理委员员会批批准筹筹建，，中国国信息息技术术标准准化技技术委委员会会批准准成立立并领领导，，从事事传感感器网网络（（简称称传感感网））标准准化工工作的的全国国性技技术组组织。。WGSN于2009年年9月月正式式成立立，由由中国国科学学院上上海微微系统统与信信息技技术研研究所所任组组长单单位，，中国国电子子技术术标准准化研研究所所任秘秘书处处单位位，成成员单单位包包括中中国三三大运运营商商、主主要科科研院院校、、主流流设备备厂商商等。。目前前WGSN已有有一些些标准准正在在制订订中，，并代代表中中国积积极参参加ISO、IEEE等等国际际标准准组织织的标标准制制订工工作。。1.4.2我国物物联网网标准准制定定现状状CCSA于于2002年年12月月18日日在在北北京京正正式式成成立立。。CCSA的的主主要要任任务务是是为为了了更更好好地地开开展展通通信信标标准准研研究究工工作作，，把把通通信信运运营营企企业业、、制制造造企企业业、、研研究究单单位位、、大大学学等等关关心心标标准准的的企企事事业业单单位位组组织织起起来来，，按按照照公公平平、、公公正正、、公公开开的的原原则则制制订订标标准准，，进进行行标标准准的的协协调调、、把把关关，，把把高高技技术术、、高高水水平平、、高高质质量量的的标标准准推推荐荐给给政政府府，，把把具具有有中中国国自自主主知知识识产产权权的的标标准准推推向向世世界界，，支支撑撑中中国国的的通通信信产产业业，，为为世世界界通通信信做做出出贡贡献献。。2009年年11月月，，CCSA新新成成立立了了泛泛在在网网技技术术工工作作委委员员会会（（即即TC10）），，专专门门从从事事物物联联网网相相关关的的研研究究工工作作。。我国国物物联联网网标标准准我国国《《物物联联网网““十十二二五五””发发展展规规划划》》指指出出““以以构构建建物物联联网网标标准准化化体体系系为为目目标标，，依依托托各各领领域域标标准准化化组组织织、、行行业业协协会会和和产产业业联联盟盟，，重重点点支支持持共共性性关关键键技技术术标标准准和和行行业业应