物联网工程技术概述

第一章绪论1.1物联网基本概念1.2物联网结构与特征1.3物联网关键技术分析1.4物联网应用前景1.5物联网国内外发展情况物联网工程技术概述第1页1.1物联网基本概念近年来，全球主要发达国家和地域纷纷提出了与物联网相关信息化战略，期望借助物联网寻求金融危机处理之道，从而刺激经济增加。底IBM向美国政府提出“智慧地球”战略，年6月欧盟“物联网行动计划”，以及年8月日本“i-Japan”计划等，都是利用各种信息技术来突破互联网物理限制，以实现无处不在物联网络。中国紧随美欧日之后，对物联网相关技术研究与设施建设提出了一系列可操作构想，并为物联网技术研发提供了宽松环境和人力、物力支持。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，要集中力量突破关键技术，着力提升自主创新能力，推进传感网更加好地为产业可连续发展服务。从此，“感知中国”战略浮出水面。物联网工程技术概述第2页物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业第三次浪潮。国际电联曾预测，未来世界是无所不在物联网世界，到将有7万亿传感器为地球上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；其次可认为全球经济复苏提供技术动力。目前，美国、欧盟等都在投入巨款，深入研究探索物联网。中国也正在高度关注、重视物联网研究，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政策措施。物联网工程技术概述第3页1.1.1物联网与互联网物联网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愿景，等同于“未来互联网”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信息交换以及物与物之间信息交换；狭义来讲，物联网是物品之间经过传感器连接起来局域网，不论接入互联网是否，都属于物联网范围。物联网一个定义是：经过射频识别（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、监控和管理一个网络。物联网另一个定义是：物联网是由含有自我标识、感知和智能物理实体基于通信技术相互连接形成网络，这些物理设备能够在无需人工干预条件下实现协同和互动，为人们提供智慧和集约服务，含有全方面感知、可靠传递、智能处理特点。物联网工程技术概述第4页这个定义有两层意思：物联网关键和基础依然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展网络；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。依据物联网与互联网关系分类，不一样教授学者对物联网给出了各自定义，归纳起来有以下四种类型。物联网是传感网而不接入互联网物联网是互联网一部分物联网是互联网补充网络物联网是未来互联网总之，不论是哪一个类型概念，物联网都需要对物体含有全方面感知能力，对信息含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信息网络。物联网工程技术概述第5页物联网基本特征是全方面感知、可靠传送、智能处理。“全方面感知”是指利用RFID、二维码、GPS、摄像头、传感器、传感器网络等感知、捕捉、测量技术伎俩，随时随地对物体进行信息采集和获取。“可靠传送”是指经过各种通信网络与互联网融合，将物体接入信息网络，随时随地进行可靠信息交互和共享。“智能处理”是指利用云计算、含糊识别等各种智能计算技术，对海量跨地域、跨行业、跨部门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改变洞察力，实现智能化决议和控制。物联网工程技术概述第6页1.1.2物联网相关概念1．物联网定义1：把全部物品经过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、任意物体之间互联，无所不在网络和无所不在计算。定义3：由含有标识、虚拟个性物体/对象所组成网络，这些标识和个性等信息在智能空间使用智慧接口与用户、社会和环境进行通信。定义4：物联网是未来互联网一个组成部分，能够被定义为基于标准和可互操作通信协议，且含有自配置能力、动态全球网络基础架构。物联网中“物”都含有标识、物理属性和实质上个性，使用智能接口实现与信息网络无缝整合。

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。经过对拥有全球唯一编码物品自动识别和信息共享，实现开环环境下对物品跟踪、溯源、防伪、定位、监控以及自动化管理等功效。物联网工程技术概述第7页2．无线传感器网络定义1：无线传感器网络是由若干含有没有线通信能力传感器节点自组织组成网络。定义2：泛在传感器网络（UbiquitousSensorNetwork）是由智能传感器节点组成网络，能够以“任何地点、任何时间、任何人、任何物”形式被布署。定义3：传感器网络以对物理世界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、物与人之间信息交互，提供信息服务智能网络信息系统。显然，由传感器、通信网络和信息处理系统为主组成传感网，含有实时数据采集、监督控制和信息共享与存放管理等功效，它使当前网络技术功效得到极大拓展，使经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。物联网工程技术概述第8页3．泛在网络泛在网络指无所不在网络。最早提出U（Ubiquitousnetwork）战略日本和和韩国给出定义是：无所不在网络社会将是由智能网络、先进计算技术以及其它领先数字技术基础设施武装而成技术社会形态。4．各概念之间关系从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两种不一样表述，其实质都是依靠于各种信息设备实现物理世界和信息世界无缝融合。泛在网是面向泛在应用各种异构网络集合，也被称为“网络网络”，更强调跨网之间互联互通和信息聚合与应用。

物联网工程技术概述第9页1.2.1物联网体系结构图1-1物联网体系结构物联网工程技术概述第10页1．感知层：主要包含二维码（含IC卡、磁卡、一维码等）和识读器、RFID标签和读写器、摄像头（多媒体信息设备）、GPS（实时定位设备）、传感器、传感器网络和传感器网关以及执行器等，实现对物体感知与识别，采集物理世界中发生物理事件和数据，包含各类物理量、标识、音频、视频数据。

感知层主要负责对其工作范围内环境改变进行监视，采集数据方式主要分为两种：主动式采集：主要用于人们所设定日常工作中被动式采集：主要用于获取一些特定数据来满足特殊需要2．网络层：实现愈加广泛互连功效，能够把感知到信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送。网络层包含各种通信网络与互联网形成融合网络，是相对成熟部分。网络层是物联网成为普遍服务基础设施，有待突破方向是向下与感知层结合，向上与应用层结合。物联网工程技术概述第11页3．应用层：将物联网技术与行业专业领域技术相结合，实现广泛智能化应用处理方案，利用现有手机、PC、PDA等终端实现应用，即主要功效是物联网数据处理与应用。应用层关键问题在于信息社会化共享，以及信息安全保障。另外，物联网管理中心、信息中心、云计算平台、教授系统等对海量信息进行智能处理亟待突破。物联网体系结构中三层分别对应着物联网三个基本特征：全方面感知，即利用传感器、RFID等随时随地获取物体信息；实时传递，经过各种网络传输伎俩将物体信息实时准确地传递出去；全方面应用，包含资源共享和交换、对海量数据和信息进行分析和处理、对各种方案实施智能化决议等。物联网工程技术概述第12页物联网系统应用流程以下：对物体静态和动态属性进行标识，静态属性能够直接存放在标签中，动态属性需要先由传感器实时探测；识别设备完成对物体属性读取，并将信息转换为适合网络传输数据格式；将物体信息经过网络传输到信息处理中心（处理中心可能是分布式，如家里计算机或者手机，也可能是集中式，如IDC——InternetDataCenter），由处理中心完成相关计算或应用处理。物联网工程技术概述第13页1.2.2物联网技术体系结构图1-2物联网技术体系结构示意图物联网工程技术概述第14页1.2.3物联网特征信息量：物联信息将到达真正意义上海量级；设备接入：亿万异构设备泛在接入，异构种类、接入方式应有尽有；网络架构：信息和存放物理边缘化，个人、企业、团体、地域、国家组织、研究机构、全球所辖或在其间交换数据信息各自存放和管理，分散在机器或设备或物体之中。网络管理：网络管理高度自治化；物物互联：物物互动协同和智能化；物理安全：隐私易泄露，面临更多安全；设备制造：设备小型微型化；能量获取：能量自取、大容量，设备所取能源多样化；物联网工程技术概述第15页1.3物联网关键技术分析1．物联网架构技术要处理存放和计算能力边缘化技术问题，实现物体含有存放、处理能力，局部物体间协同工作等。要处理物体间断性通信连接技术问题，实现物体移动、无线链路动态改变以及分布式缓存和信息融合等。要处理支持物体移动和环境改变技术问题，实现物体移动带来信息移动、物体上下文不停改变等。要处理网中网技术问题，实现物体之间自治、动态组网，以及已经有各种网络操作平台、信息结构、文档格式等异构互联互通和信息转换。2．统一标识技术

该技术实现对物体进行统一标识，可方便地进行物体区分与查找，需要处理怎样对单个物体进行唯一标识、一类物品和复合物体标识问题（标识应该独立于本身位置和上下文环境等信息）。物联网工程技术概述第16页3．通信技术

要处理海量物体通信问题技术。要应对以下挑战：提供一个完整端到端系统；网络连接范围将成指数增加，可测量性，互操作性；怎样确保网络运行商投资回报；新射频技术和需要满足新设备连接需求等以及多通信协议标准融合和互操作。4．网络技术

集合了有线和无线方式网络技术，实现物体无缝和透明接入。新网络技术应该能支持现有网络结构；组网系统间可扩展、跨平台兼容；支持芯片级组网；减小开销并为物体提供有效连接处理方案；芯片通信结构中参数可动态配置；通信基础设施随网络负荷而改变；经过功率感知来进行自适应；可能以IP为基础组成满足新需求网络。5．软件服务与算法

该类技术实现不一样软件统一与互操作。满足以下需求：怎样在大量无关软件模块中建立一个固有应用软件；将不一样环境下软件整合成一个系统；互联网之上，定义一个新协议来描述和处理服务实例；处理可扩展性关键——分布式智能等。物联网工程技术概述第17页6．硬件

低功耗多处理系统中自适应硬件和并行处理等。新硬件要满足以下挑战：对配置进行动态修改和设置；处理自适应和自配置设计时不可预测问题；依据详细应用和上下文通信需求按需调整基础设施之间互联情况等。7．物联网能量技术

让传感设备从环境中获取能量，这些物体电池能够自动地进行充电。当前面临问题有：能量搜集技术依然不够；微功率技术应用；大能量存放设备小型化问题；能源高效利用等。8．安全和隐私技术

目标是保护个人隐私、商业机密和国际安全。应正确挑战：阻止非授权实体识别和跟踪；阻止未授权信息访问；需要考虑物体位置、数据全部性等保密问题。物联网工程技术概述第18页9．标准

物联网应用系统会数不胜数，要确保不一样系统间信息能通畅地交互，就必须订立标准，使异构设备可经过标准接口和数据模型来交互信息。当前面临挑战：物联网异构设备互联接口标准与数据模型；当前已经有各种标准（硬件、组网、通信等技术都已存在各种各样标准），而物联网设备怎样支持多协议，融合这些标准，向多频段发展；信息产生和搜集完整性和可信性怎样确保等。物联网工程技术概述第19页1.4.1物联网应用领域介绍1．交通领域2．医疗领域3．农业应用4．零售行业5．电力管理6．数字家庭经过使用不一样传感器和RFID能够对交通工具进行感知和定位，及时了解车辆运行状态和路线；方便地实现车辆通行费支付；显著提升交通管理效率，降低道路拥堵。经过在病人身上放置不一样传感器，对人健康参数进行监控，及时获知病人生理特征，提前进行疾病诊疗和预防，而且实时传送到相关医疗保健中心经过使用不一样传感器对农业情况进行探测，帮助人们进行准确管理或精细农业生产。比如沃尔玛等大型零售企业要求他们采购全部商品上都贴上RFID标签，以替换传统条形码，促进了物流信息化。电力企业对分布在全国范围内配电变压器安装传感装置，对运行状态进行实时监测。数字家庭是以计算机技术和网络技术为基础，经过不一样互联方式进行通信及数据交换，实现家庭网络中各类电子产品之间“互联互通”。物联网工程技术概述第20页1.4.2物联网下新工作和生活方式更精细:物联网中大量传感器使用，提升了数据采集实时性、准确性。更智能:从复杂程度上来讲，物联网使人类可管理范围愈加扩大，管理愈加智能。物联网专题应用所包括产业众多，对各类服务商、设备商协同要求也更高，就个人使用者而言直接体会是我们得到服务愈加智能和人性化。更简单:物联网技术将对各类设备管理和控制愈加简单和高效。在物流、环境保护、工业控制、电力、产品制造等各方面应用将使工作流程变得愈加简化，工作效率大大提升。

物联网工程技术概述第21页1.5.1物联网国外发展情况1．美国物联网发展现实状况 --美国很多大学在无线传感器网络方面已开展了大量工作，如加州大学洛杉矶分校嵌入式网络感知中心试验室、无线集成网络传感器试验室、网络嵌入系统试验室等。 --国外各大著名企业也都先后开展了无线传感器网络研究。 --IBM提出“智慧地球”概念已上升至美国国家战略。2．欧盟物联网发展现实状况 ，欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经济和社会委员会及地域委员会递交了《欧盟物联网行动计划》，以确保欧洲在建构物联网过程中起主导作用。物联网工程技术概述第22页3．日本物联网发展现实状况

自上世纪90年代中期以来，日本政府相继制订了e-Japan、u-Japan、i-Japan等多项国家信息技术发展战略