《物联网应用基础》 课件 第一章-走进物联网

第一章走进物联网《物联网应用基础》本章要点1物联网的基本概念2物联网的发展过程3物联网的发展过程4物联网的发展过程5物联网的发展过程1.1.1什么是物联网1.1.1什么是物联网

定义1.把所有物品通过射频识别（RadioFrequencyIdentification,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.由具有标识、虚拟个性的物体或对象所组成的网络，这些标识和个性信息在智能空间使用智能的接口与用户、社会和环境进行通信。定义3.物联网是以感知为目的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。其突出特征是通过各种感知方式来获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等进行信息的传递与交互，再采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提升人们对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。定义4.物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。

传感网又称无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN），它是由一组传感器以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。

互联网是由多个网络遵循一定的通信协议（Protocol）互联而成的网络，现在特指由美国国防部高级研究计划署资助的ARPANET分组交换网演变而来的、采用TCP/IP协议的一种互联网络。

泛在网是指基于个人和社会的需求，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络具有超强的环境感知、内容感知及智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不包的信息服务和应用。1.1.2物联网概念关系

从20世纪40年代开始，科学界就开始普遍认同这个观点，即世界是由物质、能量、信息三大要素组成的，而不仅仅是由物质组成的、或者是由物质与能量两种要素组成的。今天，人们已把信息看做一种重要的资源，甚至把当今时代视为信息革命的时代。因为如果没有信息和信息传递，就不会形成有组织的系统，也不会具备有序的能量转化和物质交换。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革命，它体现了信息通信技术在人类生活领域不断拓展和深化的需求。与前两次信息革命停留在信息世界不同，物联网强调建立依托物质的信息生命形态的信息虚拟世界，把虚拟世界和物理世界结合起来，并采用智能计算的技术对信息进行分析和处理，通过对虚拟世界的管理来实现对物理世界的管理、协调和控制，从而实现人类社会与物理世界的有机结合。

1.1.3物联网与信息化革命

感知是物联网的核心特征之一，传感器是感知物理世界的重要手段，人类社会使用传感器的历史可以追溯到很久以前。汉时期，张衡就发明了地动仪，这是世界上可考证的最早利用惯性原理发明的地震传感器；而王充在《论衡》中所载的“司南勺”可能是最早的磁性方向指示器（方向传感器）。随着通信和网络技术的进步发展，人们在生产生活实践过程中开始通过网络将传感器互联起来，甚至实现了对物体进行控制。2009年1月，在美国总统与工商业领袖举行的圆桌会议上，IBM总裁提出了“智慧地球”的构想。指出“物联网”与“互联网”的全面融合，将把商业系统和社会系统与物理系统融合起来，形成一个新的智慧基础设施。2009年8月，温家宝总理在考察中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心时提出，要尽快建立中国的“感知中国”中心。中美两国领导人相继对物联网的战略定位，使得物联网概念一举成为炙手可热的高科技明星。

1.2.1溯源物联网2004年：

韩国提出为期10年的U-Korea战略，目标是在全球最优的泛在基础设施上，将韩国建设成全球第一个泛在社会；

日本政府提出了以发展泛在网络社会为目标的U-Japan计划，将传感网列为4项重点战略之一。2006年：

韩国推出U-IT839计划，提出将泛在的传感器网（UniversalSensorNetworks,USN）列入发展重点，并在此后推出一系列相关实施计划。2009年：

欧盟委员会发布《欧盟物联网行动计划》。

韩国颁布了《物联网基础设施构建基本规划》。1.2.1溯源物联网

2009年是中国的“物联网元年”温家宝总理首次提出要建立中国的传感信息中心。

2010年3月的政府工作报告中，明确提出将加快物联网的研发应用纳入重点产业振兴计划，将物联网的发展真正提升到了国家战略高度。

2010年9月11日成立了传感器网络标准化工作组，加快制定符合我国发展需求的传感网技术标准，并开始统筹部署宽带普及、三网融合、物联网及下一代互联网的发展，并将物联网列为我国信息产业三大发展目标之一。1.2.3物联网在中国——感知中国

“感知中国”成为国家的信息产业发展战略的原因：132国家希望在这一轮新的信息技术革命中，通过发展物联网产业跻身世界信息技术前列。在这一轮物联网革命中，物联网连接的是实实在在的物理空间，涉及的是国家公共安全，关系到国家的经济命脉。物联网包括物物连接、人与物连接，与现有人与人的通信业务比例，预计会逐年增大，可能涉及几万亿的产业。1.2.3物联网在中国——感知中国

1.3.1物联网的层次结构1.3.1物联网的层次结构物联网应该具备三个特征：（1）全面感知：利用RFID、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速出去。（3）智能处理：利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。1.3.2感知层

感知层包括传感器等数据采集设备，包括数据接入到网关之前的传感器网络。它是物联网发展和应用的基础，RFID技术、传感和控制技术、短距离无线通信技术是感知层涉及的主要技术。感知层又包括芯片研发、通信协议研究、RFID材料、智能节点供电等细分技术。

对于目前关注和应用较多的RFID网络来说，张贴安装在设备上的RFID标签和用来识别RFID信息的扫描仪、感应器属于物联网的感知层。

无线射频识别系统由电子标签（Tag）、读写器（Reader）和天线（Antenna）三部分组成。具体的工作原理如图1-4所示：上位机发送指令使读写器工作，天线发送射频信号，电子标签接收到射频信号后，转化为电流，供芯片工作，读出内部所储存的数据，经调制后发送出去；天线接收标签反馈的信息后送至读写器，经解调后还原出标签数据，发送给上位机进行处理。1.3.2感知层

射频识别系统最重要的优点是非接触识别，它能穿透雪、雾、冰、涂料、尘垢和条形码无法使用的恶劣环境阅读标签，并且阅读速度极快，大多数情况下不到100ms。有源式射频识别系统的速写能力也是重要的优点，可用于流程跟踪和维修跟踪等交互式业务。1.3.2感知层

用于战场环境信息收集的智能微尘（SmartDust）网络，感知层由智能传感节点和接入网关组成，智能传感节点感知信息（温度、湿度、图像等），并自行组网传递到上层网关接入点，由网关将收集到的感应信息通过网络层提交到后台处理，如图1-6所示。环境监控、污染监控等应用是基于这一类结构的物联网。1.3.2感知层网络层中应有的功能包括信息存储查询、网络管理等。但是，数据感知与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。数据感知与处理技术包括本网络层数据的存储、查询、挖掘、理解以及基于感知数据的决策和行为的理论和技术。1.3.4网络层

物联网应用层利用经过分析处理的感知数据，为用户提供丰富的特定服务。物联网的应用可分为监控型（物流监控、污染监控）、查询型（智能检索、远程抄表）、控制型（智慧交通、智能家居、路灯控制）、扫描型（手机钱包、高速公路不停车收费）等。

应用层是物联网发展的目的，软件开发、智能控制技术将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。各种行业和家庭应用的开发将会推动物联网的普及，也给整个物联网产业链带来利润。1.3.2应用层

从系统角度看，物联网可划分为一个由感知互动层、网络传输层和应用服务层组成的三层体系，即上节提及的感知层、网络层和应用层。1.4物联网的关键技术1.4.1感知与识别技术

1.感知技术：

感知技术主要是指传感器，它是摄取物理信息的关键器件，是构成物联网的基础单元。传感器技术是半导体技术、测量技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材料科学等众多学科相互交叉的综合性和高新技术密集型的前沿研究课题之一，是现代新技术革命和信息社会的重要基础，它与通信技术、计算机技术构信息产业的三大支柱。

2.识别技术：

识别技术涵盖物体识别、位置识别和地理识别。

物体识别技术以RFID技术为代表；

位置识别技术比较成熟，它以全球定位系统（GPS）技术为代表；

地理识别技术以地理信息系统（GIS）为代表，以空间数据库为基础，运用系统工程信息科学的理论，对空间数据进行科学管理和综合分析。1.4.1感知与识别技术

物联网中的处理结点主要包括两类，一类是感知结点，一类是网关结点。感知结点是感知层设备，负责采集物理信息并传输到应用层，不仅具有感知和识别能力，而且还具有一定的通信和计算能力。网关结点是连接感知层和网络层的关键设备，负责实现异种异构网络的互联互通。1.4.2节点软硬件设计技术

物联网接入技术包括有线（双绞线、光纤、同轴电缆等）接入和无线（2G、3G、4G、卫星通信以及WiMAX、Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等）接入两大类型。而接入网及其后的核心网与现有的末梢网络完全不同，它并不是为承载物联网应用设计的。为了实现异构信息之间的互联、互通与互操作，未来的物联网需要以一个开放的、分层的、可扩展的网络体系结构为框架，来实现异种异构网络能够与骨干网络实现无缝连接，并提供相应的服务质量保证。1.4.3组网与泛在接入技术

物联网是一个智能的网络，传感器仅仅提供了对物理变量、状态及其变化的探测和测量所必需的手段，而对物理世界由“感”而“知”的过程则由智能分析和信息处理技术来实现。信息处理技术贯穿由“感”而“知”的全过程，它基于多个物联网感知层节点或设备所采集的传感数据，实现对物理世界及其变化的全面、透彻感知，以及智能反馈、决策的过程，是实现物联网应用系统物物互联、物人互联的关键技术之一。1.4.4大规模的感知信息处理技术

1.智能电网：将物联网技术应用于智能电网，是信息通信技术发展到一定阶段的必然结果，它将有效整合通信基础设施资源和电力系统基础设施资源，为电网发电、输电、变电、配电、用电等环节提供重要技术支撑，使信息通信基础设施资源服务于电力系统运行，提高电力系统信息化水平，改善现有电力系统基础设施的利用效率。电网智能化将成为拉动物联网产业，甚至整个信息通信产业发展的强大驱动力，并有力影响和推动其他行业的物联网应用和部署进度，进而提高我国工业生产、行业运作和公众生活等各个方面的信息化水平。1.5.1物联网的应用领域

2.智能交通：智能交通是交通管理理念与物联网系统相结合的产物，它将先进的传感、通信和数据处理等物联网技术，应用于交通运输领域，以构建一个安全、畅通和环保的交通运输系统。其中包括智能化交通管理、交通诱导和出行信息服务、智能道路收费、公共交通管理和智能汽车等多个方面的应用。我国政府已将智能交通系统作为中国未来交通发展的重要方向，加大了对智能交通系统的投资力度。1.5.1物联网的应用领域

3.现代物流：由于物流管理的基础是物流信息，是用信息流来控制实物流的，这就使得物流信息化成为现代物流业的灵魂。物流企业纷纷将物流信息化作为提高物流效率的重要途径。物流领域越来越成为现代信息技术应用比较普遍和成熟的领域，物流企业正在转变为信息密集型企业。物联网技术是物流信息化最重要的技术手段，借助物联网的智能采集、传输与处理等技术手段，物流企业的信息化水平得以显著提升，实现了目达耳通的智慧物流管理，降低了物流成本，提升了物流效率。1.5.1物联网的应用领域

4.智能农业：智能农业在农业环境监测、农业生产、农产品流通等领域有大量的应用空间，如快速气象监测、智能大田温室种植、工业化养殖、生鲜农产品运输等。借助“绿色农业”的提倡与政府对农业科技有力地扶持投入，大力推广智能农业有着良好的经济效益和社会效益，市场前景广阔。1.5.1物联网的应用领域

5.公共安全：公共安全防护泛指对人们日常生活中的食品安全、生产安全、重大灾害及疫情、社会安方面进行的全方位防护。视频监控系统是最为常见的一类安防系统，用于区域监视并将监视画面呈现给安防监护人员。智能安防系统则尝试使现有安防系统具备更多更复杂的功能。智能安防将多种功能互异的安防检测设备连接在一起，使它们各自独立地捕获危险信号与异常信号，并基于物联网平台进行交互，从而实现局部智能决策，判断与定位危险源，并实施初级救援工作。1.5.1物联网的应用领域

6.智慧医疗：智慧医疗利用物联网技术实时感知各种医疗信息，实现全面互联互通的信息化医疗系统。此系统可以方便医生准确地掌握病人病情，提高诊断的准确性；可以方便医生对病人的情况进行有效跟踪，提升医疗服务质量；可以有效提高医院包括药品和医疗器械在内的医疗资源管理，通过传感器终端的延伸，加强医院服务的效能，从而达到有效整合资源的目的。1.5.1物联网的应用领域

7.环境监测：环境监测是环境保护和预防控制灾害的基础性工作之一。传统的监测手段只能解决局部监测问题，而及时准确全面的监测结果必须依赖现代信息网络技术。物联网技术凭借其低成本、低能耗、适合快速灵活大规模部署及自动智能化处理方面