物联网技术与应用课件

物联网技术与应用

张小强副教授西南交通大学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、应用物联网的工程应用情况、前景分析第二部分技术技术简介、作用及发展趋势第一部分

物联网技术物联网产生的背景：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（）、、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、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。物联网概念的发展历程200519991998的中心的：把技术与传感器技术应用于日常物品中形成一个“物联网”的中心：物联网是成千上万的物品采用无线方式接入了的网络。这是物联网概念真正的提出。报告：物联网是通过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2008：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”1995在《未来之路》中提及物联网概念中国政府对物联网的发展非常关注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。

物联网（)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物联网（：）的定义：通过射频识别（）、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。物联网特征物联网三个重要特征：1、全面感知，利用，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物联网网的关关键技技术传感网网络技技术是由使使用传传感器器的器器件组组成的的在空空间上上呈分分布式式的无无线自自治网网络，，用来来感知知环境境参数数，如如温度度、震震动等等等。。近程通通讯技技术是新兴兴的短短距离离连接接技术术，从从很多多无接接触式式的认认证和和互联联技术术演化化而来来，和和蓝牙牙技术术是其其中的的重要要代表表。物联网网现阶阶段最最主要要的表表现形形式：：M2MM2M是机机器到到机器器的无无线数数据传传输，，有时时也包包括人人对机机器和和机器器对人人的数数据传传输。。有多多种技技术支支持M2M网络络中的的终端端之间间的传传输协协议，，目前前主要要有、、、、802.11等等等。。物联网网的架架构基本模模型智能卡条形码二维码

GPS传感器技术网关设备近距离离通信因特网网跟踪定定位高速数据网络物联网网结构构基于物物联网网技术术的智智慧星星球物联网网发展展的三三个阶阶段初级阶阶段：：已存存在的的一些些各行行业基基于各各种行行业数数据交交换和和传输输标准准的连连网监监测监监控，，两化化融合合等应应用系系统，，主要要以（（物连连网））的方方式存存在中级阶阶段：：在物物联网网理念念推劢劢下，，基于于局部部统一一的数数据交交换标标准实实现的的跨行行业、、跨业业务综综合管管理大大集成成系统统，初初步走走向（（物联联网））高级级阶段段：基基于物物联网网统一一数据据标准准，,云计计算虚虚拟服服务的的系统统，最最终实实现““”物联网网产业业链之之划分分三层架架构：：感知知层，，网络络层，，和应应用层层物联网网四大大支柱柱产业业群:中国国股票票市场场“横横空出出世””的物物联网网概念念股都都是做做智能能卡的的公司司传感感网：：以研研究人人员为为主体体，也也包括括一些些仪器器仪表表业界界的公公司，，这也也是温温总理理“感感知中中国””提法法的主主要依依据M2M：：中国国三大大通讯讯营运运商早早已开开展M2M业务务，兲兲注末末端设设备的的互联联和集集控管管理两化化融合合：自自劢控控制，，工业业信息息化行行业相相兲产产业群群对物联联网的的看法法：物联网网已经经成为为信息息科技技产业业化的的第三三次浪浪潮，，强调调核心心技术术。事实实上她她只是是反映映了学学科交交叉、、技术术集成成的科科学发发展必必然趋趋势。。我们们应该该积极极投身身于这这个浪浪潮之之中，，发挥挥自身身优势势，在在物联联网大大系统统中占占领一一席之之地，，其目目标是是使得得国家家利益益最大大化。。“””在在美国国并未未成为为一个个像中中国一一样““家喻喻户晓晓”的的“””，美美国更更关注注一些些具体体行业业应用用，如如M2M，，等等。物联网网的技技术和和理念念以及及应用用早已已在各各行业业存在在，但但共性性特征征未被被总结结、提提炼出出来，，目前前时机机已成成熟。。物物联网网之所所以目目前被被认为为是一一个产产业，，主要要缘于于各行行业应应用的的技术术共性性分析：：中国国优势势和机机会国家家戓略略高度度重视视““举国国体制制”优优势势全社社会支支持，，巨大大内需需市场场可以以调劢劢最大大的整整体资资源用户户的求求新意意识发达达地区区基础础设施施世界界一流流，和和国外外基本本处在在同一一起跑跑线发达达国家家受““产业业惯性性”制制约软件件和数数据标标准待待建立立外部部全球球经济济危机机待恢恢复，，需要要新的的增长长点其他相相关术术语感知中中国，，M2M,传感感网络络，智智慧地地球（（)，，两化化融合合()，，(普适适计算算）,，，和和、（（可执执行的的互联联网）），2.0，（（智能能电网网）………物联联网其其实已已成为为一个个“中中国制制造””的概概念，，含义义更广广阔，，影响响更深深远物联网网发展展过程程中面面临的的五个个主要要技术术问题题：（（1））技术术标准准问题题世世界界各国国存在在不同同的标标准。。中国国信息息技术术标准准化技技术委委员会会于2006年年成立立了无无线传传感器器网络络标准准项目目组。。2009年9月，，传感感器网网络标标准工工作组组正式式成立立了1(国国际标标准化化)、、2(标准准体系系与系系统架架构)、3(通通信与与信息息交互互)、、4(协同同信息息处理理)、、5(标识识)、、6(安全全)、、7(接口口)和和8(电力力行业业应用用调研研)等等8个个专项项组，，开展展具体体的国国家标标准的的制定定工作作。（（2）安安全问问题信信息息采集集频繁繁，其其数据据安全全也必必须重重点考考虑。。（（3）协协议问问题物物联网网是互互联网网的延延伸，，在物物联网网核心心层面面是基基于，，但在在接入入层面面，协协议类类别五五花八八门，，12、、、短短信、、传感感器、、有线线等多多种通通道，，物联联网需需要一一个统统一的的协议议栈。。物联网网发展展过程程中面面临的的主要要问题题（续续）：：（（4）地地址问问题每每个个物品品都需需要在在物联联网中中被寻寻址，，就需需要一一个地地址。。物联联网需需要更更多的的地址址，4资源源即将将耗尽尽，那那就需需要6来支支撑。。4向向6过过渡是是一个个漫长长的过过程，，因此此物联联网一一旦使使用6地址址，就就必然然会存存在与与4的的兼容容性问问题。。（（5）终终端问问题。。物物联联网终终端除除具有有本身身功能能外还还拥有有传感感器和和网络络接入入等功功能，，且不不同行行业需需求千千差万万别，，如何何满足足终端端产品品的多多样化化需求求，对对运营营商来来说是是一大大挑战战。第二部部分技技术介介绍射频识识别技技术是的的缩缩写，，即射射频识识别。。常称称为感感应式式电子子晶片片或近近接卡卡、感感应卡卡、非非接触触卡、、电子子标签签、电电子条条码，，等等等。无线射射频识识别技技术（（，，））是一一种非非接触触的自自动识识别技技术，，其基基本原原理是是利用用射频频信号号和空空间耦耦合（（电感感或电电磁耦耦合））或雷雷达反反射的的传输输特性性，实实现对对被识识别物物体的的自动动识别别。的发展展历程程技术的的发展展可按按10年期期划分分如下下：1941～～1950年。。雷达达的改改进和和应用用催生生了技技术，，1948年奠奠定了了技术术的理理论基基础。。1951——1960年。。早期期技术术的探探索阶阶段，，主要要处于于实验验室实实验研研究。。1961——1970年。。技术术的理理论得得到了了发展展，开开始了了一些些应用用尝试试。1971——1980年。。技术术与产产品研研发处处于一一个大大发展展时期期，各各种技技术测测试得得到加加速。。出现现了一一些最最早的的应用用。1981～～1990年。。技术术及产产品进进入商商业应应用阶阶段，，各种种规模模应用用开始始出现现。1991～～2000年。。技术术标准准化问问题日日趋得得到重重视，，产品品得到到广泛泛采用用，产产品逐逐渐成成为人人们生生活中中的一一部分分。2001——今。。标准准化问问题日日趋为为人们们所重重视，，产品品种类类更加加丰富富，有有源电电子标标签、、无无源电电子标标签及及半无无源电电子标标签均均得到到发展展，电电子标标签成成本不不断降降低，，规模模应用用行业业扩大大。的组组成成电子子标标签签电子子标标签签是是射射频频识识别别系系统统的的数数据据载载体体，，电电子子标标签签由由标标签签天天线线和和标标签签专专用用芯芯片片组组成成。。依依据据电电子子标标签签供供电电方方式式的的不不同同，，电电子子标标签签可可以以分分为为有有源源电电子子标标签签()、、无无源源电电子子标标签签()和和半半无无源源电电子子标标签签(——)。。有有源源电电子子标标签签内内装装有有电电池池，，无无源源射射频频标标签签没没有有内内装装电电池池，，半半无无源源电电子子标标签签(——)部部分分依依靠靠电电池池工工作作。。电子子标标签签依依据据频频率率的的不不同同可可分分为为低低频频电电子子标标签签、、高高频频电电子子标标签签、、超超高高频频电电子子标标签签和和微微波波电电子子标标签签。。依依据据封封装装形形式式的的不不同同可可分分为为信信用用卡卡标标签签、、线线形形标标签签、、纸纸状状标标签签、、玻玻璃璃管管标标签签、、圆圆形形标标签签及及特特殊殊用用途途的的异异形形标标签签等等。。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。只读读标标签签与与可可读读可可写写标标签签只读读标标签签：：内内部部只只有有和和。。用用于于存存储储发发射射器器说说明明和和安安全全性性要要求求较较高高的的数数据据，，它它与与内内部部的的处处理理器器或或逻逻辑辑处处理理单单元元完完成成内内部部的的操操作作控控制制功功能能.可读读可可写写标标签签：：内内部部的的存存储储器器除除了了、、和和缓缓冲冲存存储储器器之之外外，，还还有有非非活活动动可可编编程程记记忆忆存存储储器器。。这这种种存存储储器器除除了了存存储储数数据据功功能能外外，，还还具具有有在在适适当当的的条条件件下下允允许许多多次次写写入入数数据据的的功功能能。。标识识标标签签与与便便携携式式数数据据文文件件根据据标标签签中中存存储储器器数数据据存存储储能能力力的的不不同同，，可可以以把把标标签签分分成成仅仅用用于于标标识识目目的的的的标标识识标标签签与与便便携携式式数数据据文文件件两两种种.标识识标标签签：：一一个个数数字字或或者者多多个个数数字字字字母母字字符符串串存存储储在在标标签签中中，，为为了了识识别别的的目目的的或或者者是是进进入入信信息息系系统统中中数数据据库库的的钥钥匙匙（（））.标标识识标标签签中中存存储储的的只只是是标标识识号号码码，，用用于于对对特特定定的的标标识识项项目目，，如如人人、、物物、、地地点点进进行行标标识识。。便携式数数据文件件：是标标签中存存储的数数据非常常大，可可以看作作是一个个数据文文件。这这种标签签一般都都是用户户可编程程的，标标签中除除了存储储标识码码外，还还存储有有大量的的被标识识项目其其它的相相关信息息.标签的编编码（卡號，，）：：由于各各家晶片片廠商各各有其编编码方式式方式，，且资料料加密方方式不同同，並未未统一。。（））：由麻麻省理工工学院的的中心心所研发发，的的编码码，其结结构：标标头、管管理者（（公司））、物件件（产品品品）、、序号四四大区段段，其中中公司码码及产品品码均可可与現行行的编码码系统结结合，减减少少重重新编码码的工作作。电子标签签的组成成()标签签规范名稱描述注釋0简单、被动式及仅在制造厂()中规制的只读标签可從2003年2月開始提供0標籤1简单、被动式及拥有可供一次编制、非易变性()内存的只读标签可從2003年3月開始提供1标签2具可擦写()内存的被动式标签尚未完成3准被动式()标签，具可擦写()内存以及一个内建电池以支持增加读取距离尚未完成4准被动式()标签或可与每一个或与其它仪器沟通之主动式()标签尚未完成天线天线()：在标标签和读读取器间间传递射射频信号号。天线线的工艺艺有:线圈工艺艺(生产产复杂,成本高高,单通通信距离离长)蚀刻工艺艺(在附附着铝箔箔的胶片片上进行行蚀刻形形成的天天线)印刷工艺艺(通通过使用用导电油油墨的丝丝网印刷刷法形成成天线的的工艺,可以生生产最廉廉价的电电子标签签,但是是在频率率特性技技导电稳稳定性方方面还不不足)天线的选选择天线必须须：足够的小小以至于于能够贴贴到需要要的物品品上；有全向或或半球覆覆盖的方方向性；；提供最大大可能的的信号给给标签的的芯片；；无论物品品什么方方向，天天线的极极化都能能与读卡卡机的询询问信号号相匹配配；具有鲁棒棒性；非常便宜宜。阅读器阅读器（（读写器器）通过过天线与与电子标标签进行行无线通通信，可可以实现现对标签签识别码码和内存存数据的的读出或或写入操操作。典典型的阅阅读器包包含有高高频模块块(发送送器和接接收器)、控制制单元以以及阅读读器天线线。的工作原原理标签进入入磁场后后，接收收解读器器发出的的射频信信号，凭凭借感应应电流所所获得的的能量发发送出存存储在芯芯片中的的产品信信息（，，无源源标签或或被动标标签），，或者主主动发送送某一频频率的信信号（，，有源源标签或或主动标标签）；；解读器器读取信信息并解解码后，，送至中中央信息息系统进进行有关关数据处处理。电子标签签与阅读读器之间间通过耦耦合元件件实现射射频信号号的空间间(无接接触)耦耦合、在在耦合通通道内，，根据时时序关系系，实现现能量的的传递、、数据的的交换。。发生在阅阅读器和和电子标标签之间间的射频频信号的的耦合类类型有两两种。(1)电电感耦合合。变压压器模型型，通过过空间高高频交变变磁场实实现耦合合，依据据的是电电磁感应应定律律。电感耦合合方式一一般适合合于中、、低频工工作的近近距离射射频识别别系统。。典型的的工作频频率有：：125、225和13．56。识识别作用用距离小小于1m，典型型作用距距离为10～20。(2)电电磁反反向散射射耦合：：雷达原原理模型型，发射射出去的的电磁波波，碰到到目标后后反射，，同时携携带回目目标信息息，依据据的是电电磁波的的空间传传播规律律。电磁反向向散射耦耦合方式式一般适适合于高高频、微微波工作作的远距距离射频频识别系系统。典典型的工工作频率率有：433，，915，2．．45，，5．8。识别别作用距距离大于于1m，，典型作作用距离离为3——l0m。读写器读写器频频率分类类和我们听听的收音音机道理理一样，，射频标标签和阅阅读器也也要调制制到相同同的频率率才能工工作。,,就就对应应著不同同频率的的射频。。代表低低频射频频，在125左左右，代代表高频频射频，，在13.54左右，，代表超超高频射射频，在在850至910范围围之内，，还有2.4G的微波波读写器器。1基片片、小型型(天线线较小、、适合近近距离通通信)2手持持型读读写器中中装有电电池，输输出功率率较低，，通信距距离适中中3面板板型天天线稍大大，通信信距离较较长，适适合货运运托盘管管理、工工程管理理等需要要自动读读取电子子标签的的场合系统的频频段特点点对一个系系统来说说，它的的频段概概念是指指读写器器通过天天线发送送、接收收并识读读的标签签信号频频率范围围。从应应用概念念来说，，射频标标签的工工作频率率也就是是射频识识别系统统的工作作频率，，直接决决定系统统应用的的各方面面特性。。在系统统中，系系统工作作就像我我们平时时收听调调频广播播一样，，射频标标签和读读写器也也要调制制到相同同的频率率才能工工作。射频标签签的工作作频率不不仅决定定着射频频识别系系统工作作原理（（电感耦耦合还是是电磁耦耦合）、、识别距距离，还还决定着着射频标标签及读读写器实实现的难难易程度度和设备备成本。。应用占占据的频频段或频频点在国国际上有有公认的的划分，，即位于于波段。。典型的的工作频频率有：：125、133、13.56、27.12、433、、902～928、2.45、5.8等。。按照工作作频率的的不同，，标签可可以分为为低频()、高高频()、超高高频()和微波波等不同同种类。。不同频段段的工作作原理不不同，和和频段电电子标签签一般采采用电磁磁耦合原原理，而而及微波波频段的的一般采采用电磁磁发射原原理。目前国际际上广泛泛采用的的频率分分布于4种波段段，低频频(125)、、高频(13.54））、超高高频（850～～910）和微微波（2.45）。每每一种频频率都有有它的特特点，被被用在不不同的领领域，因因此要正正确使用用就要先先选择合合适的频频率。不同频段段系统的的优缺点点：工作频段优点缺点低频技术简单、无频率限制受环境影响较小通信速率低、工作距离短（小于10）、天线尺寸大高频与低频相比有较高的通信速率和较长的工作距离距离不够远（最大75）天线尺寸大，受金属材料影响较大超高频工作距离长（大于1m）、天线尺寸小、可绕开障碍物，无须视线接触，可定向识别各国都有不同的频段管制，对人体有伤害，发射功率受限制，受某些材料影响较大微波除具有超高频标签的优点外，还具有更高的带宽和通信速率，更长的工作距离和更小的天线尺寸共享此频段产品多，易受干扰，技术复杂，对人体有伤害，发射功率受限制，受某些材料影响较大各国使用用频率情情况第三部分分物物联网应应用物联网应应用物联网总总体应用用前景：：在在国家大大力推动动工业化化与信息息化两化化融合的的大背景景下，物物联网将将是工业业乃至更更多行业业信息化化过程中中一个比比较现实实的突破破口。一一旦物联联网大规规模普及及，无数数的物品品需要加加装更加加小巧智智能的传传感器，，用于动动物、植植物、机机器等物物品的传传感器与与电子标标签及配配套的接接口装置置数量将将大大超超过目前前的手机机数量。。按按照照目前对对物联网网的需求求，在近近年内就就需要按按亿计的的传感器器和电子子标签。。专家预预计，2011年，内内嵌芯片片、传感感器、无无线射频频的“智智能物件件”将超超过1万万亿个，，物联网网将会发发展成为为一个上上万亿元元规模的的高科技技市场，，这将大大大推进进信息技技术元件件的生产产，给市市场带来来巨大商商机。智能交通通医疗监护护智能家居居环境监测测国防军事事防灾减灾灾工业监控控物联网应应用领域域城市管理理物联网物联网——感知城城市公共安全全自然灾害害气象灾害害事故灾难难电梯安全全地下空间间事故危化品事事故桥梁安全全检测公共卫生生“三品一一械”安安全事件件社会安全全重特大群群体性事事件公共场所所治安事事件市政管理理城市部件件：广告告牌、停停车场、、市政车车辆、垃垃圾物流流、市政政井盖、、古木名名树、地地下管网网、路灯灯监测、、市政供供暖监测测、公共共场所环环境监测测等城市事件件：聚集集、游商商、闯入入禁区等等节能减排排建筑物节节能：公共场所所温度监监测空调无线线监控照明智能能控制水电风气气监测能源设备备安全燃气储气气输送安安全监测测电力变电电设备和和传输设设备的监监控智能电网网智能电表表，记录录用户的的用电习习惯无线抄表表，远程程上传55低碳智能交通通交通引导导通告停车场信信息获取取事件发现现/处理理/发布布车辆自身身状况的的发布乘客通信信