物联网基础与应用概述

物联网基础与应用FundamentalsandApplicationsoftheInternetofThings李蔚田博士1F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第1页课程介绍

物联网是一门新兴学科，成熟且完善教本极少。本课程本着科学性、理论性和实用性相结合、现实性和前瞻性相结合标准，共设计了12章，介绍了物联网技术关键技术，对物联网应用以案例和经典范示例做了详细解读，尽可能将国外先进理论、方法和实践经验与实际需要紧密联络起来；针对信息和经管类人才培养目标，系统介绍了物联网理论构架，包含它涵义、性质、特点、职能、基本内容、形成发展、环境原因、基本原理、基础理论、应用和实践等问题。

内容以专业实践性、应用性和普及性为主，集实践与理论于一体，使其理论叙述少，应用示例多，力避空洞枯燥；同时做到形象资料多、生动案例多，使学生能系统地学习物联网技术与方法，掌握基本理论和实践，培养学生作为未来实践者所具备技能，学会用理论分析和处理实际问题方法。2F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第2页主要参考书目[1]刘化君·物联网技术[M]北京：电子工业出版社年9月[2]杨震等·物联网技术与应用导论[M]北京：人民邮电出版社2010月[3]无线龙·当代无线传感网概论[M]北京：冶金工业出版社204月[4]沈玉龙等·无线传感器网络安全技术概论[M]北京：人民邮电出版社年8月[5]A.Verwer（英）·现场总线技术及应用教程[M]北京：机械工业出版社年7月[6]单承赣等·射频识别(RFID)原理与应用[M]北京：电子工业出版社7月[7]王志良等·物联网工程概论[M]北京：机械工业出版社204月[8]张云勇等·中间件技术原理与应用[M]北京：清华大学出版社年5月引用网络资源注释与参考[1]技联网[2]物联网微博[3]物联天下http://www.wltx.cc[4]计算机世界[5]深联科技[6]物联中国[7]国脉物联网[8]baidu3F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第3页教学内容CH1.绪论CH2.射频识别技术CH3.云计算与云服务平台CH4.无线传感器网络与无线通信技术CH5.物联网规划与设计CH6.组网技术与应用CH7.智能卡技术与应用CH8.物联网在农业领域应用CH9.物联网在工业生产中应用CH10.物联网在公共服务管理中应用CH11.物联网在商业领域应用CH12.物联网经济

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一

章绪论

复习思索题1.1物联网及其体系结构1.2物联网支撑技术与演进1.3物联网与CPS和WSN1.4物联网发展综述1.5物联网体系框架1.6物联网应用与发展优势物联网基础与应用5F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第5页第一章绪论物联网应用案例：无人驾公交

北京朝阳区将修建一座占地4平方公里物联网应用服务产业园。无人驾驶节能公交车、手机刷卡付费等生活方式将在园区内实现。朝阳区信息办相关责任人表示，作为国内首个物联网示范园区，一期工程将在未来3年内建成。据市场调查资料显示，朝阳区一座占地4平方公里物联网产业示范园已经进入规划阶段。这座物联网产业园区位于东五环外，朝阳区已初步为其选定建设用地，将采取“政企共建”模式，将能够嵌入物联网全部高科技产品在园内投入使用，初步划分为商业区域、企业区域、生活区域以及公共区域。朝阳区物联网应用案例使我们对物联网含义有了一个基本认识，“所谓物联网，通俗地说是将生活中每个物件安装芯片，再经过无线系统综合联络起来，经过一个终端就能控制包含家中和户外全部设备。”该责任人表示，当前物联网技术中包含芯片嵌入、远程指令等很多内容已能够应用，关键是将这些内容在一个有限空间内进行整合，实现综合应用，朝阳区物联网示范园兴建，正是为这种综合应用提供试验场所。据介绍，朝阳区物联网示范园最大看点应该是无人驾驶公交系统，市民在园区乘坐无人驾驶节能环境保护公交车，经过十字路口时候，红绿灯也能够自动感应到公交车驶近，从而快速变灯。6F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第6页第一章绪论教学要求知识关键点能力要求相关知识物联网概念射频识别技术传感器网络物联网组成体系(1)了解物联网基本概念、特点和创新性(2)掌握物联网与互联网区分与联络(3)了解射频识别技术特点、工作流程(1)传感器网及泛在网相关概念(2)功效数据支撑技术泛在网CPS/WSN(1)了解相关技术主要内容(2)掌握基本知识点(1)物联网建立模式(2)物联网运行系统结构体系框架物联网应用(1)掌握物联网服务类型(2)熟悉物联网发展优势通用设计基本内容和标准7F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第7页第一章绪论【章前导读】

物质、能量、信息是物质世界三大支柱，是当今人类社会赖以生存和发展重要条件。新经济时代二十一世纪是人类进入信息化世纪，信息已是今天一种不可或缺开发资源，社会信息化、信息时代化成为新经济时代基本标志。目前在通信、互联网、射频识别等新技术推进下，一种能够实现人与人、人与机器、人与物乃至物与物之间直接沟通全新网络构架——“物联网”（InternetofThings）正日渐清晰。互联网时代，人与人之间距离变小了；而继互联网之后物联网时代，则是物与物之间距离变小了。互联网改变了人们世界观，而“物联网”出现将再次强烈改变人们对世界认识。8F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第8页第一章绪论1.1物联网及其体系结构

物联网（IOT，InternetofThings）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。有教授预测，未来10年内物联网在全球有可能大规模普及。目前，美国、欧盟等都在投入巨款，深入研究探索物联网。9F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第9页

第一章绪论任何时刻任意物品任何人任何网络任何服务任何地点物联网图1.1ITU物联网示意图10F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第10页第一章绪论1.1.1认识物联网

1.物联网概念最早出现于比尔•盖茨1995年出版《未来之路》一书中。2.1998年，美国麻省理工学院创造性地提出了当初被称为EPC（ElectronicProductCode产品电子代码）系统“物联网”构想。3.1999年，美国Auto-ID首先提出“物联网”概念，主要是建立在物品编码、射频识别（RFID，RadioFrequencyIdentification）技术和互联网基础上。4.，国际电信联盟（ITU）在《ITU互联网汇报：物联网》中，正式提出了“物联网”概念。按照ITU给出这个定义，物联网主要处理物品到物品（T2T，ThingtoThing）、人到物品（H2T，HumantoThing）、人到人（H2H，HumantoHuman）之间互联。11F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第11页第一章绪论1.1.2物联网含义

即使物联网技术已经引发国内外学术界、工业界和媒体高度重视，但当前对物联网定义、内在原理、体系结构、关键技术、应用前景等都还在进行着热烈讨论。即使大家都在谈论物联网，不过谈内容却似乎并不一样。（1）物联网定义：当前，物联网准确定义并未统一。关于物联网比较准确定义应该是：物联网是经过各种信息传感设备及系统（传感网、射频识别系统、红外感应器、激光扫描器等）、条码与二维码、全球定位系统，按约定通信协议，将物与物、人与物、人与人连接起来，经过各种接入网、互联网进行信息交换，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理一个信息网络。这个定义关键是，物联网主要特征是每一个物件都能够寻址，每一个物件都能够控制，每一个物件都能够通信。12F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第12页第一章绪论1.1.2物联网含义（2）物联网三个主要含义物联网是指对含有全方面感知能力物体及人互联集合。物联必须遵照约定通信协议，并经过对应软、硬件实现。物联网能够实现对各种物品（包含人）进行智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等功效。这也是组建物联网目标。（3）从应用角度了解

从应用角度来看，物联网主要是在提升数据传送效率、提升生产率、降低企业管理成本、改进民生等方面发挥主要作用。比如，就电信运行产业链而言，物联网内涵主要是基于特定终端，以有线或无线（IP/CDMA）等为接入伎俩，为集团和家庭客户提供机器到机器、机器到人处理方案，满足客户对生产过程/家居生活监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊疗等方面信息化需求。13F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第13页第一章绪论1.1.3物联网基本属性物联网属性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。

14F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第14页第一章绪论1.1.3物联网基本属性

计算任何时间任何内容物联网内容任何事物任何人搜集任何服务任何商务连接任何地方任何地点集中任何物体任何设备通信任何路径任何网络图1.2物联网基本属性15F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第15页第一章绪论1.1.3物联网基本属性

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。显然，物联网这一概念来自于同互联网类比。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4种类型。1．物联网是传感网而不接入互联网2．物联网是互联网一部分3．物联网是互联网补充网络4．物联网是未来互联网16F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第16页第一章绪论1.1.4物联网、传感器网及泛在网相关概念和联络

泛在网络物联网/泛在传感网络网络传感网络最初定义图1.3物联网、传感网、泛在网之间关系

从RFID技术出发，在RFID网络基础上，构建基于RFID物联网；从传感器技术出发，在传感网络基础上，构建基于传感器物联网；将RFID技术和传感器技术融合，构建更广义物联网，即泛在网。17F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第17页第一章绪论1.1.4物联网、传感器网及泛在网相关概念和联络

泛在网物联网传感网互联网电信网广电网…感知技术、FFID、智能芯片、纳米技术等传感器、ZigBee、蓝牙、UWB等机器通信（M2M）智能处理、自动控制、模式识别、云计算移动通信网WiFi、WiMAX、3G/B3G等互联网物联网泛在网图1.4泛在网络图1.5物联网与其它网络之间关系18F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第18页第一章绪论1.2物联网支撑技术与演进

互联网能够把世界上不一样角落人紧密地联络在一起一样，采取RFID技术Internet也能够把世界上全部物品联络在一起，而且彼此之间能够相互“交流”，从而组成一个全球性实物相互联络物联网。假如说RFID为物品提供了自我表示能力，物品之间交流则需要一个网络即物联网来实现。

1.2.1物联网与互联网区分不一样应用领域专用性高度稳定性和可靠性严密安全性和可控性尽管物联网与互联网有很大区分，不过从信息化发展角度看，物联网发展与互联网发展密不可分，而且和移动电信网络发展、下一代网络以及网络化物理系统、无线传感网络等都有千丝万缕联络。19F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第19页第一章绪论1.2.2物联网在信息化发展中位置

在未来网络发展过程中，拼图将逐步被揭开，从人角度和从物角度对信息通信探索将实现融合，最终实现无所不在“泛在网络”（如图1.7所表示），而这也就是终极意义上物联网。1.2.3物联网演进路径电信网发展传感网发展M2M实现

M2M概念，能够解释为人到人（MantoMan）、人到机器（MantoMachine）、机器到机器（MachinetoMachine）。20F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第20页第一章绪论1.3物联网与CPS和WSN

按照ITU物联网研究组研究结论，物联网关键技术主要是普适网络、下一代网络和普适计算。这3项关键技术简单定义：普适网络是无处不在、普遍存在网络；下一代网络，能够在任何时间、任何地点，互联任何物品，提供各种形式信息访问和信息管理网络；普适计算是无处不在、普遍存在计算。

1.3.1物联网与CPS

国际上把利用计算技术监测和控制物理设备行为嵌入式系统称为网络化物理系统（CPS，CyberPhysicalSystems）或者深度嵌入式系统（DES，DeeplyEmbeddedSystems），CPS也能够翻译为“物理设备联网系统”。绝大部分CPS系统都是安全关键系统，必须在外部攻击和打击下能够继续正常工作。CPS这种融合信息世界和物理世界技术具备以下特征。

1．CPS是未来革命性技术2．信息材料即CPS技术3．计算技术与控制技术融合4．开放嵌入式系统5．可靠和确定嵌入式系统21F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第21页第一章绪论1.3.2物联网与WSN（无线传感网）

微机电系统（MEMS，Micro-Electro-MechanismSystem）、片上系统（SystemonChip，SoC）、无线通信和低功耗嵌入式技术飞速发展，孕育出无线传感器网络（WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自组织特点带来了信息感知一场变革。WSN就是由布署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，经过无线通信方式形成一个多跳自组织网络，是一个全新信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内各种检测对象信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂指定范围内目标检测与跟踪，含有快速展开、抗毁性强等特点，有着辽阔应用前景。

按照国内权威学术期刊定义，WSN是一个“随机分布集成有传感器、数据处理单元和通信模块微小节点经过自组织方式组成网络”，它能够借助于节点中内置形式多样传感器测量所在周围环境中热、红外、声纳、雷达和地震波信号，而且传感器网络有着与传统网络显著不一样技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目标。22F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第22页第一章绪论1.3.3物联网技术框架

环境监测智能电力……智能交通工业监控物联网应用公共中间件信息开放平台云计算平台服务支撑平台物联网应用支撑子层应用层异构网融合资源和存放管理专用网络远程控制移动通信网、互联网和其它专网下一代承载网M2M无线接入移动通信网互联网网络层传输层与感知层互通低速和中高速短距离传输技术传感器网络组网和协同信息处理传感器二维条码RFID多媒体信息数据采集自组织组网技术协同信息处理技术传感器中间件技术感知层标识解析安全技术QoS管理网络管理公共技术图1.8物联网技术体系架构23F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第23页第一章绪论1.3.3物联网技术框架

图1.9物联网标准体系框架通用规范通信与信息交互接口服务支持协同信息处理测试信息安全网络管理基础平台标准术语物理层物理接口信息描述支撑服务及接口一致性测试安全技术网络管理需求分析MAC层数据接口信息存放参考模型互操作测试安全管理标识目录服务中间件功效和接口参考架构组网需求分析需求分析安全评价系统测试公共安全环境保护医疗和家庭看护工业控制军事领域精细化农业智能交通智能建筑太空探索能源和智能电网应用子集（轮廓）标准24F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第24页1.4物联网发展概述1.4.1国外发展概述1．美国研究与应用据美国《科课时报》报道，在美国国家自然科学基金会（NSF）资助下，马萨诸塞州剑桥城于年就着手打造全球第一个全城无线传感网。不过，掀起物联网关注热潮应该是在201月IBM提出“智慧地球”之后，201月，在奥巴马总统与美国工商界领袖举行一次会议上，提议美国政府投资新一代智慧型基础设施。2．欧盟发展远景欧盟制订了“欧洲行动计划”，科学规划未来发展路线。欧盟早在就成立工作组，专门进行RFID技术研究，并于20公布《20物联网--未来路线》。第一章绪论25F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第25页第一章绪论3．日本发展战略日本政府自20世纪90年代中期以来相继制订了“e-Japan”、“u-Japan”、“i-Japan”等多项国家信息技术发展战略。7月日本IT战略本部颁布了日本新一代信息化战略—“i-Japan”战略，并于8月日本又将“u-Japan”升级为“i-Japan”。4．韩国产业政策韩国政府自1997年起出台了一系列推进国家信息化建设产业政策，包含RFID先导计划、RFID全方面推进计划、USN领域测试计划等。10月，韩国通信委员会出台了《物联网基础设施构建基本规划》，将物联网市场确定为新增加动力。该规划提出，到年实现“经过构建世界最先进物联网基础实施，打造未来广播通信融合领域超一流信息通信技术强国”目标，并确定了构建物联网基础设施、发展物联网服务、研发物联网技术、营造物联网扩散环境等4大领域、12项详细课题。另外，法国、德国、澳大利亚、新加坡等国也在加紧布署物联网经济发展战略，加紧推进下一代网络基础设施建设步伐。26F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第26页第一章绪论1.4物联网发展概述1.4.2国内物联网发展情况8月7日，温家宝总理视察无锡微纳传感网工程技术研发中心并发表主要讲话之后，物联网概念在国内快速升温。与国外相比，我国物联网发展在最近几年取得了重大进展。《国家中长久科学与技术发展规划（2006－年）》和新一代宽带移动无线通信网重大专题中均将传感网列入重点研究领域。9月11日，经国家标准化管理委员会同意，全国信息技术标准化技术委员会组建了传感器网络标准工作组。国内物联网产业链和应用范围不停得到扩大和拓展，并主要展现以下趋势。1．全方面发展建设物联网体系（1）集电子产业、软件业、通信运行业、信息服务业和面向行业应用与系统集成中心等于一体完整产业链正在逐步形成。（2）应用试点向行业规模化应用拓展，跨行业和地域综合性应用正逐步开启。（3）应用功效以当前身份识别、电子票证为主逐步向物品识别过渡，如向资产管理、食品药品安全监管、电子文档、图书馆、仓储物流等物品识别拓展；应用频率以低、高频为主逐步向超高频和微波过渡，即从低高频门禁、二代身份证应用逐步向高速公路不停车收费、交通车辆管理等超高频应用拓展。（4）RFID与新技术融合将会衍生出更多商业模式，如手机移动支付将会是未来RFID最大市场，利用RFID进行人与物实时定位也将会成为未来主流应用之一。（5）RFID以及传感技术发展使得社会公共管理展现出管理智能化、物流可视化、信息透明化发展趋势。27F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第27页第一章绪论1.4物联网发展概述1.4.2国内物联网发展情况

2、我国物联网智能产品主要应用领域(1)智能家居(2)智能医疗(3)智能城市(4)智能环境保护(5)智能交通(6)智能司法(7)智能农业(8)智能物流(9)智能校园(10)智能文博(11)电子门票M2M平台是物联网应用基础支撑设施平台。中国电信M2M协议规范引领着M2M终端、中间件和应用接口标准统一，为跨越传感网络和承载网络物联信息交互提供表示和交流规范。在电信级M2M平台上驱动着遍布各行各业物联网应用逻辑，提倡基于物联网络泛在网络时空，让广大消费者尽情享受物联网带来个性化、智慧化、创新化信息新生活。28F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第28页第一章绪论1.4.3物联网发展面临问题我们应该清醒了解我国当前物联网产业还处于零星应用启蒙期，距离关键应用形式以及大规模产业化推广还存在很大差距。当前物联网更多是一个概念上推广阶段，物联网发展需要全社会共同努力。我们要清楚梳理出物联网发展面临问题：1．技术标准问题2．亟待掌握关键技术问题3．协议与安全问题4．终端与地址问题5．费用与规模化问题6．商业模式还未成熟7．产业链缺乏推力8．配套政策和规范制订与完善1.4.4物联网未来物联网被很多国家称为信息技术革命第三次浪潮，有教授预言，未来间，物联网一定会像现在互联网一样高度普及。物联网产业链大致可分为3个层次，首先是传感网络，以二维码、RFID、传感器为主，实现“物”识别；其次是传输网络，经过现有互联网、广电网络、通信网络或者未来NGN（NextGenerationNetwork，下一代网络），实现数据传输与计算；三是应用网络，即输入输出控制终端，可基于现有手机、PC等终端进行。美国权威咨询机构Forrester预测，到年全球物联网业务，和人与人通信业务相比，将到达30:1。所以，物联网被称为是下一个万亿级庞大信息技术产业。在国内市场，依据预测，仅RFID市场规模就到达50亿元，年复合增加率为33%，其中电子标签超出38亿元，读写器靠近7亿元，软件和服务到达5亿元。29F&AoftheInternetofThings物联网基础与应用概述第29页第一章绪论1.5物联网应用与发展优势物联网被视为互联网应用扩展，应用创新是物联网发展关键，以用户体验为关键创新是物联网发展灵魂。图1.10物联网