物联网工程技术绪论

第一章绪论1.1物联网的基本概念1.2物联网的结构与特征1.3物联网关键技术分析1.4物联网的应用前景1.5物联网的国内外发展状况1.1物联网的基本概念近年来，全球主要发达国家和地区纷纷提出了与物联网相关的信息化战略，期望借助物联网寻求金融危机解决之道，从而刺激经济增长。2008年底IBM向美国政府提出的“智慧地球”战略，2009年6月欧盟的“物联网行动计划”，以及2009年8月日本的“i-Japan”计划等，都是利用各种信息技术来突破互联网的物理限制，以实现无处不在的物联网络。中国紧随美欧日之后，对物联网有关的技术研究与设施建设提出了一系列可操作的构想，并为物联网技术的研发提供了宽松的环境和人力、物力的支持。2009年8月7日，国务院总理温家宝在视察无锡无线传感网工程研发中心时明确指出，要集中力量突破核心技术，着力提升自主创新能力，推动传感网更好地为产业可持续发展服务。从此，“感知中国”的战略浮出水面。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。国际电联曾预测，未来世界是无所不在的物联网世界，到2017年将有7万亿传感器为地球上的70亿人口提供服务。一方面物联网可以用于提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟等都在投入巨资，深入研究探索物联网。中国也正在高度关注、重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。1.1.1物联网与互联网物联网的概念分为广义和狭义两方面：广义来讲，物联网是一个未来发展的愿景，等同于“未来的互联网”或者“泛在网络”，能够实现人在任何时间、地点，使用任何网络与任何人与物的信息交换以及物与物之间的信息交换；狭义来讲，物联网是物品之间通过传感器连接起来的局域网，不论接入互联网与否，都属于物联网的范畴。物联网的一种定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、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，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网的另一种定义是：物联网是由具有自我标识、感知和智能的物理实体基于通信技术相互连接形成的网络，这些物理设备可以在无需人工干预的条件下实现协同和互动，为人们提供智慧和集约的服务，具有全面感知、可靠传递、智能处理的特点。这个定义有两层意思：物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。根据物联网与互联网的关系分类，不同的专家学者对物联网给出了各自的定义，归纳起来有如下四种类型。物联网是传感网而不接入互联网物联网是互联网的一部分物联网是互联网的补充网络物联网是未来的互联网总之，不论是哪一种类型的概念，物联网都需要对物体具有全面感知能力，对信息具有可靠传送和智能处理能力，从而形成一个连接物体与物体的信息网络。物联网的基本特征是全面感知、可靠传送、智能处理。“全面感知”是指利用RFID、二维码、GPS、摄像头、传感器、传感器网络等感知、捕获、测量的技术手段，随时随地对物体进行信息采集和获取。“可靠传送”是指通过各种通信网络与互联网的融合，将物体接入信息网络，随时随地进行可靠的信息交互和共享。“智能处理”是指利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的跨地域、跨行业、跨部门的数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。1.1.2物联网的相关概念1．物联网定义1：把所有物品通过RFID和条码等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。定义2：任何时刻、任何地点、任意物体之间的互联，无所不在的网络和无所不在的计算。定义3：由具有标识、虚拟个性的物体/对象所组成的网络，这些标识和个性等信息在智能空间使用智慧的接口与用户、社会和环境进行通信。定义4：物联网是未来互联网的一个组成部分，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。

物联网主要由RFID标签、标签阅读器、信息处理系统、编码解析与寻址系统、信息服务系统和互联网组成。通过对拥有全球唯一编码的物品的自动识别和信息共享，实现开环环境下对物品的跟踪、溯源、防伪、定位、监控以及自动化管理等功能。2．无线传感器网络定义1：无线传感器网络是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。定义2：泛在传感器网络（UbiquitousSensorNetwork）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。定义3：传感器网络以对物理世界的数据采集和信息处理为主要任务，以网络为信息传递载体，实现物与物、物与人之间的信息交互，提供信息服务的智能网络信息系统。显然，由传感器、通信网络和信息处理系统为主构成的传感网，具有实时数据采集、监督控制和信息共享与存储管理等功能，它使目前的网络技术的功能得到极大拓展，使通过网络实时监控各种环境、设施及内部运行机理等成为可能。3．泛在网络泛在网络指无所不在的网络。最早提出U（Ubiquitousnetwork）战略的日本和和韩国给出的定义是：无所不在的网络社会将是由智能网络、先进的计算技术以及其他领先的数字技术基础设施武装而成的技术社会形态。4．各概念之间的关系从ITU、ISO等国际标准组织对传感器网络、物联网定义和标准化范围来看，传感器网络和物联网其实是一个概念的两种不同表述，其实质都是依托于各种信息设备实现物理世界和信息世界的无缝融合。泛在网是面向泛在应用的各种异构网络的集合，也被称为“网络的网络”，更强调跨网之间的互联互通和信息聚合与应用。

1.2.1物联网的体系结构图1-1物联网的体系结构1．感知层：：主要包括二二维码（含含IC卡、磁卡、、一维码等等）和识读读器、RFID标签和读写写器、摄像像头（多媒媒体信息设设备）、GPS（实实时时定定位位设设备备））、、传传感感器器、、传传感感器器网网络络和和传传感感器器网网关关以以及及执执行行器器等等，，实实现现对对物物体体的的感知知与识别别，采采集集物物理理世世界界中中发发生生的的物物理理事事件件和和数数据据，，包包括括各各类类物物理理量量、、标标识识、、音音频频、、视视频频数数据据。。感知知层层主主要要负负责责对对其其工工作作范范围围内内的的环环境境变变化化进进行行监监视视，，采采集集数数据据的的方方式式主主要要分分为为两两种种：：主动动式式采采集集：：主主要要用用于于人人们们所所设设定定的的日日常常工工作作中中被动动式式采采集集：：主主要要用用于于获获取取一一些些特特定定的的数数据据来来满满足足特特殊殊的的需需要要2．网网络络层层：：实现现更更加加广广泛泛的的互连连功能能，，能能够够把把感感知知到到的的信信息息无无障障碍碍、、高高可可靠靠性性、、高高安安全全性性地地进进行行传送送。网网络络层层包包括括各各种种通通信信网网络络与与互互联联网网形形成成的的融融合合网网络络，，是是相相对对成成熟熟的的部部分分。。网网络络层层是是物物联联网网成成为为普普遍遍服服务务的的基基础础设设施施，，有有待待突突破破的的方方向向是是向向下下与与感感知知层层的的结结合合，，向向上上与与应应用用层层的的结结合合。。3．应应用用层层：：将物物联联网网技技术术与与行行业业专专业业领领域域技技术术相相结结合合，，实实现现广广泛泛智智能能化化应应用用的的解解决决方方案案，，利利用用现现有有的的手手机机、、PC、PDA等终终端端实实现现应应用用，，即即主主要要功功能能是是物物联联网网的的数数据据处处理理与与应应用用。。应应用用层层的的关关键键问问题题在在于于信信息息的的社社会会化化共共享享，，以以及及信信息息安安全全的的保保障障。。另另外外，，物物联联网网管管理理中中心心、、信信息息中中心心、、云云计计算算平平台台、、专专家家系系统统等等对对海海量量信信息息进进行行智智能能处处理理亟亟待待突突破破。。物联联网网体体系系结结构构中中的的三三层层分分别别对对应应着着物物联联网网的的三三个个基基本本特特征征：：全面面感感知知，即即利利用用传传感感器器、、RFID等随随时时随随地地获获取取物物体体的的信信息息；；实时时传传递递，通通过过各各种种网网络络传传输输手手段段将将物物体体的的信信息息实实时时准准确确地地传传递递出出去去；；全面面应应用用，包包括括资资源源的的共共享享和和交交换换、、对对海海量量数数据据和和信信息息进进行行分分析析和和处处理理、、对对各各种种方方案案实实施施智智能能化化的的决决策策等等。。物联联网网系系统统的的应应用用流流程程如如下下：对物物体体静静态态和和动动态态的的属属性性进进行行标标识识，，静静态态属属性性可可以以直直接接存存储储在在标标签签中中，，动动态态属属性性需需要要先先由由传传感感器器实实时时探探测测；；识别别设设备备完完成成对对物物体体属属性性的的读读取取，，并并将将信信息息转转换换为为适适合合网网络络传传输输的的数数据据格格式式；；将物物体体的的信信息息通通过过网网络络传传输输到到信信息息处处理理中中心心（（处处理理中中心心可可能能是是分分布布式式的的，，如如家家里里的的计计算算机机或或者者手手机机，，也也可可能能是是集集中中式式的的，，如如IDC———InternetDataCenter），，由由处处理理中中心心完完成成相相关关的的计计算算或或应应用用处处理理。。物联联网网技技术术体体系系结结构构图1-2物联联网网技技术术体体系系结结构构示示意意图图物联联网网的的特特征征信息息量量：物物联联信信息息将将达达到到真真正正意意义义上上的的海海量量级级；；设备备接接入入：亿亿万万异异构构设设备备的的泛泛在在接接入入，，异异构构种种类类、、接接入入方方式式应应有有尽尽有有；；网络络架架构构：信信息息和和存存储储的的物物理理边边缘缘化化，，个个人人的的、、企企业业的的、、团团体体的的、、地地区区的的、、国国家家的的组组织织的的、、研研究究机机构构的的、、全全球球的的所所辖辖或或在在其其间间交交换换的的数数据据信信息息各各自自存存储储和和管管理理，，分分散散在在机机器器或或设设备备或或物物体体之之中中。。网络络管管理理：网网络络管管理理的的高高度度自自治治化化；；物物物互互联联：物物物物互互动动的的协协同同和和智智能能化化；；物理理安安全全：隐隐私私的的易易泄泄露露，，面面临临更更多多安安全全；；设备备制制造造：设设备备的的小小型型微微型型化化；；能量量获获取取：能能量量自自取取、、大大容容量量，，设设备备所所取取能能源源多多样样化化；；1.3物联联网网关关键键技技术术分分析析1．物物联联网网架架构构技技术术要解解决决存存储储和和计计算算能能力力边边缘缘化化的的技技术术问问题题，，实实现现物物体体具具有有存存储储、、处处理理能能力力，，局局部部物物体体间间协协同同工工作作等等。。要解解决决物物体体间间断断性性通通信信连连接接的的技技术术问问题题，，实实现现物物体体移移动动、、无无线线链链路路动动态态变变化化以以及及分分布布式式的的缓缓存存和和信信息息融融合合等等。。要解解决决支支持持物物体体的的移移动动和和环环境境变变化化的的技技术术问问题题，，实实现现物物体体移移动动带带来来信信息息的的移移动动、、物物体体上上下下文文不不断断变变化化等等。。要解解决决网网中中网网的的技技术术问问题题，，实实现现物物体体之之间间自自治治的的、、动动态态的的组组网网，，以以及及已已有有多多种种网网络络的的操操作作平平台台、、信信息息结结构构、、文文档档格格式式等等异异构构的的互互联联互互通通和和信信息息转转换换。。2．统一标标识技术术该技术实实现对物物体进行行统一标标识，可可方便地地进行物物体的区区分与查查找，需需要解决决如何对对单个物物体进行行唯一标标识、一一类物品品和复合合物体的的标识问问题（标标识应该该独立于于自身位位置和上上下文环环境等信信息）。。3．通信技技术要解决海海量物体体通信问问题的技技术。要要应对以以下挑战战：提供供一个完完整的端端到端系系统；网网络连接接的范围围将成指指数增长长，可测测量性，，互操作作性；如如何确保保网络运运营商的的投资回回报；新新的射频频技术和和需要满满足新设设备的连连接需求求等以及及多通信信协议标标准的融融合和互互操作。。4．网络技技术集合了有有线和无无线方式式的网络络技术，，实现物物体无缝缝和透明明接入。。新的网网络技术术应该能能支持现现有网络络结构；；组网系系统间可可扩展、、跨平台台兼容；；支持芯芯片级的的组网；；减小开开销并为为物体提提供有效效连接的的解决方方案；芯芯片通信信结构中中参数可可动态配配置；通通信基础础设施随随网络负负荷而变变化；通通过功率率感知来来进行自自适应；；可能以以IP为基础础组成成满足足新需需求的的网络络。5．软件件服务务与算算法该类技技术实实现不不同软软件的的统一一与互互操作作。满满足以以下需需求：：如何何在大大量无无关软软件模模块中中建立立一个个固有有应用用软件件；将将不同同环境境下的的软件件整合合成一一个系系统；；互联联网之之上，，定义义一个个新的的协议议来描描述和和解决决服务务实例例；解解决可可扩展展性的的关键键——分布式式智能能等。。6．硬件件低功耗耗多处处理系系统中中的自自适应应硬件件和并并行处处理等等。新新的硬硬件要要满足足以下下挑战战：对对配置置进行行动态态修改改和设设置；；处理理自适适应和和自配配置设设计时时的不不可预预测问问题；；根据据具体体应用用和上上下文文的通通信需需求按按需调调整基基础设设施之之间的的互联联情况况等。。7．物联联网能能量技技术让传感感设备备从环环境中中获取取能量量，这这些物物体的的电池池可以以自动动地进进行充充电。。目前前面临临的问问题有有：能能量收收集技技术仍仍然不不够；；微功功率技技术的的应用用；大大能量量存储储设备备的小小型化化问题题；能能源高高效利利用等等。8．安全全和隐隐私技技术目的是是保护护个人人隐私私、商商业机机密和和国际际安全全。应应对的的挑战战：阻阻止非非授权权实体体的识识别和和跟踪踪；阻阻止未未授权权信息息的访访问；；需要要考虑虑物体体位置置、数数据所所有性性等保保密问问题。。9．标准准物联网网应用用系统统会数数不胜胜数，，要确确保不不同系系统间间的信信息能能畅通通地交交互，，就必必须订订立标标准，，使异异构设设备可可通过过标准准接口口和数数据模模型来来交互互信息息。目目前面面临的的挑战战：物物联网网的异异构设设备互互联的的接口口标准准与数数据模模型；；目前前已有有多种种标准准（硬硬件、、组网网、通通信等等技术术都已已存在在各种种各样样的标标准）），而而物联联网设设备如如何支支持多多协议议，融融合这这些标标准，，向多多频段段发展展；信信息产产生和和收集集的完完整性性和可可信性性如何何保证证等。。物联网网应用用领域域简介介1．交通领领域2．医疗疗领域域3．农业业应用用4．零售行业业5．电力管理理6．数字家庭庭通过使用不不同的传感感器和RFID可以对交通通工具进行行感知和定定位，及时时了解车辆辆的运行状状态和路线线；方便地地实现车辆辆通行费的的支付；显显著提高交交通管理效效率，减少少道路拥堵堵。通过在病人人身上放置置不同的传传感器，对对人的健康康参数进行行监控，及及时获知病病人的生理理特征，提提前进行疾疾病的诊断断和预防，，并且实时时传送到相相关的医疗疗保健中心心通过使用不不同的传感感器对农业业情况进行行探测，帮帮助人们进进行精确管管理或精细细农业生产产。比如沃尔玛玛等大型零零售企业要要求他们采采购的所有有商品上都都贴上RFID标签，以替替代传统的的条形码，，促进了物物流的信息息化。电力公司对对分布在全全国范围内内配电变压压器安装传传感装置，，对运行状状态进行实实时监测。。数字家庭是是以计算机机技术和网网络技术为为基础，通通过不同的的互联方式式进行通信信及数据交交换，实现现家庭网络络中各类电电子产品之之间的“互互联互通””。物联网下的的新的工作作和生活方方式更精细:物联网中大大量传感器器的使用，，提高了数数据采集的的实时性、、精确性。。更智能:从复杂程度度上来讲，，物联网使使人类可管管理的范围围更加扩大大，管理更更加智能。。物联网专专项的应用用所涉及的的产业众多多，对各类类服务商、、设备商的的协同要求求也更高，，就个人使使用者而言言直接的体体会是我们们得到的服服务更加智智能和人性性化。更简单:物联网技术术将对各类类设备的管管理和控制制更加简单单和高效。。在物流、、环保、工工业控制、、电力、产产品制造等等各方面的的应用将使使工作流程程变得更加加简化，工工作效率大大大提高。。物联网国外外发展状况况1．美国物联联网发展现现状--美国很多大大学在无线线传感器网网络方面已已开展了大大量工作，，如加州大大学洛杉矶矶分校的嵌嵌入式网络络感知中心心实验室、、无线集成成网络传感感器实验室室、网络嵌嵌入系统实实验室等。。--国外的各大大知名企业业也都先后后开展了无无线传感器器网络的研研究。--IBM提出的“智智慧地球””概念已上上升至美国国的国家战战略。2．欧盟物联联网发展现现状2009年，欧盟委委员会向欧欧盟议会、、理事会、、欧洲经济济和社会委委员会及地地区委员会会递交了《欧盟物联网网行动计划划》，以确保欧欧洲在建构构物联网的的过程中起起主导作用用。3．日本物联联网发展现现状自上世纪90年代中期以以来，