物联网及其应用教材

物联网及其应用

当今世界IT领域的三大热点技术?物联网（InternetofThings）移动互联网（MobileInternet）云计算（CloudComputing）

主要内容一、物联网概述二、国内外发展现状三、物联网体系架构四、物联网的产业链五、物联网应用案例

物联网(Internetofthings)定义：把所有物品通过无线射频识别（RFID）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。ITU定义：Fromanytime,anyplaceconnectivityforanyone,wewillnowhaveconnectivityforanything.

1.物联网概述国际电信联盟（ITU）曾描绘“物联网”时代的情形：司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求;……物联网基本概念

物联网时代示意图。例如：汽车可以根据实时路况自动选择最佳路线；当你出家门时忘关灯钥匙会自动报警等等。中国通信标准化协会对于物联网（TheInternetofThings)的定义：通过部署具有一定感知、计算、执行和通信等能力的各种设备，获得物理世界的信息，通过网络实现信息的传输、协同和处理，从而实现广域的人与物、物与物之间信息交换的互联的网络。

物联网是互联网发展到新阶段、以“物体”为核心的网络延伸拓展，是迈向泛在网络的必然过程,是信息技术的深度应用。

广义的物联网涵盖了RFID、传感网和数字物理系统（CPS）、M2M等。1999年美国麻省理工学院（MIT）首次提出物联网的概念InternetofThingsITU2005年的年度报告：信息通信技术发展到连接任何物体的阶段，形成了物联网

全面感知：利用RFID、传感器、二维码、卫星、微波，及其它各种感知设备随时随地采集各种动态对象，全面感知世界。可靠的传送：利用以太网、无线网、移动网将感知的信息进行实时传送。智能控制：对物体实现智能化的控制和管理，真正达到人与物的沟通。物联网基本特点

二维码：用某种特定的几何图形按一定规律在平面（二维方向上）分布的黑白相间的图形记录数据符号信息；在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理；二维条码/二维码能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，能在很小的面积内表达大量的信息。二维码（2-dimensionalbarcode）

条形码二维码

一、物联网概述二、国内外发展现状三、物联网体系架构四、物联网的产业链五、物联网的应用

1995年比尔・盖茨在《未来之路》书中首次提及物联网概念。2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。2009年1月，IBM首席执行官彭明盛提出“智慧地球”构想，其中物联网为“智慧地球”不可或缺的一部分，而奥巴马在就职演讲后已对“智慧地球”构想提出积极回应，并提升到国家级发展战略。

2.1

国外物联网现状10共同点:政府重视信息技术深入应用，将物联网作为振兴经济的战略性产业；打造广泛覆盖的网络基础设施，重视信息技术的深入应用与服务，渗透到经济和社会生活的方方面面；增值应用是物联网未来发展的重点方向，软件开发、智能控制将会为用户提供丰富多彩的物联网应用。日本：2009年8月i-Japan战略中国：2009年8月提出建立“感知中国”传感网中心欧盟：2009年6月物联网行动方案

美国：2008年底IBM向美国政府提出”智慧的地球”战略强调传感等感知技术的应用，提出建设智慧型基础设施具体务实，强调RFID广泛应用，注重协调管理和信息安全在u-Japan的基础上，强调电子化政府治理、医疗健康信息服务、教育与人才培育等三大目标物联网成为后金融危机时代世界各国振兴经济的共同选择112008年11月，美国IBM公司总裁彭明盛在纽约对外关系理事会上发表题为《智慧地球：下一代领导人议程》的讲话，正式提出“智慧地球”（SmarterPlanet）设想。1月28日，奥巴马就任美国总统后与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，彭明盛推销“智慧的地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施，阐明其短期和长期效益。奥巴马对此给予了积极的回应。认为“智慧地球”有助于美国的“巧实力”(SmartPower)战略，是继互联网之后国家发展的核心领域。美国：政府积极回应IBM的“智慧地球”12日本：从e-Japan到i-Japan战略13中国：物联网成为国家战略新兴产业《国家中长期科学技术发展规划（2006-2020年）》2009年8月7日，温家宝总理视察无锡提出：传感网的核心技术、关键设备应早一点谋划建立中国的“感知中国”传感网中心。2010年10月18日，国务院发布《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》《决定》明确了信息为七大战略性新兴产业之一，突破方向为：新一代信息网络、“三网”融合、物联网、云计算。2010年6月7日，在中国科学院第十五次院士大会、中国工程院第十次院士大会上，胡锦涛总书记发表重要讲话，指出“加快发展物联网研发和建设新一代互联网”。14江苏、上海、北京、广东等28个省将物联网作为重点发展领域

感知中国，赢在未来抢占信息产业第三次浪潮的制高点。我国各地政府强力“抢滩”物联网转变经济发展方式、实现经济结构调整的重要手段;无锡、重庆、杭州、广州、深圳、武汉等80％以上大城市将物联网列为主导产业

2009年8月24日，中国移动总裁王建宙访台期间解释了物联网概念2009年9月11日，“传感器网络标准工作组成立大会暨‘感知中国’高峰论坛”在北京举行，会议提出传感网发展相关政策。2009年9月14日。《国家中长期科学与技术发展规划（2006-2020年）》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将传感网列入重点研究领域。

1.3国内物联网现状

对于物联网在国内市场空间，权威机构预测，仅“产业排头兵”RFID领域，今年国内市场规模就将达50亿元，年复合增长率为33%，其中电子标签超过38亿元、读写器接近7亿元、软件和服务达到5亿元的市场格局。而业内人士估计，中国物联网产业链今年就能创造约1000亿元产值,并成为下一个万亿级信息产业引擎。美国权威咨询机构FORRESTER预测，到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30比１，因此，“物联网”被称为是下一个万亿级的通信业务。

2.2物联网现状

物联网技术一、物联网概述二、国内外发展现状三、物联网体系架构四、物联网的产业链五、物联网的应用

3.1物联网体系架构20物联网体系架构:感知层/网络层/应用层

全面感知、可靠传送、智能处理是物联网的三大特征。21

3.2地区物联网架构——分层架构图

3.4地区物联网架构——功能模块图24运营管理工具端到端服务质量传感器/执行器层传感网层传感网关层广域网络层应用网关层服务平台层分析与优化咨询和集成工具IBM提出了八层物联网开放架构,应对挑战,促进创新应用层分析与优化层八层物联网参考架构IBM中国研究院根据与政府、企业、科研单位的合作而提出多年物联网项目实践经验的积累和提炼开放架构，符合中国特色

一、感知层传感器技术：感知物资信息RFID技术：智能识别微机电系统（MEMS）：采集信息GPS/GIS技术：全球定位/地理信息系统二、网络层无线传感器网络（WSN）技术Wi-Fi（WirelessFidelity,无线保真技术）通信网、互联网、3G网络、IPV6（让世界的第一粒都拥有一个IP地址）GPRS网络（基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接）广电网络、NGB（下一代广播电视网）

3.5关键技术

RFID工作原理电子标签RFID的基本组成部分

标签（Tag）：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象

阅读器（Reader）：读取（有时还可以写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；

天线（Antenna）：在标签和读取器间传递射频信号。RFID标签分为被动，（无源）半被动（有源），主动RFID标签工作频率分为低频，125KHz到135KHz高频，13.56MHz超高频。860MHz到960MHz

三、应用层企业资源计划（ERP：EnterpriseResourcePlanning）专家系统（ExpertSystem)

云计算（CloudComputing）系统集成（SystemIntegrate）行业应用（IndustryApplication）资源打包（ResourcePackage）

3.4关键技术

物联网技术一、物联网概述二、国内外发展现状三、物联网体系架构四、物联网的产业链五、物联网的应用38物联网的本质：是带有各类感知/识别设备的智能信息网络系统，这些设备包括RFID、GPS、各类传感器、智能终端等。是信息技术在各个行业的“智慧”应用；ICT的作用：通过感知网络检测和收集各类物体的信息，通过信息技术分析数据，并实现实时监控和智能管理。感知设备电力交通物流医疗……环境监控传感网络通讯网络信息应用智能电网智能交通智能家庭航运物流环境监控灾难监控电子医疗食品安全……物联网的本质—信息技术在各行业的“智慧”应用39预测到2010年，此类市场可超过7000亿美元–InformaGroup从全球市场来看，无线机器互联通信市场将从2004年的199亿美元增长到2010年的2700亿美元。

-AlexanderResources.

尽管手机市场以每年10%的速率增长，但无线机器互联应用是一个高速发展的市场，到2010年底将以每年40%的速率增长。-ABIResearch:May26,2004数据来源:ABIResearch

$55B增值应用软件和服务实时监控

网络、集成和服务

硬件到2010年，全球将有超过4000亿台机器装设行动传输功能，让机器与机器进行数据传输，取代人力控制、操作的成本，整体市场规模，将远远超过以个人移动市场。

-NTTDoCoMo.

物联网产业链价值分析—服务主导型产业

40上游：芯片商、通信模块商、外部硬件提供商、应用设备与软件提供商、管理咨询提供商、测试认证提供商中游：M2M服务提供商、传统电信运营商等下游：系统集成商各类应用服务提供商物联网产业体系

物联网产业链可以细分为标识、感知、处理和信息传送四个环节，每个环节的关键技术分别为RFID、传感器、智能芯片和运营商的无线传输网络。EPoSS在《InternetofThingsin2020》报告中分析预测，未来物联网的发展将经历四个阶段：2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域；2010-2015年物体互联(M2M)；2015-2020年物体进入半智能化；2020年之后物体进入全智能化。

4.1物联网产业链

M2M的产业包括：一是与感知物理设备相关的芯片、终端、软件开发、系统集成制造等相关产业;二是新的智能服务产业,包括商务、政务、公务和个人服务等等.物联网的信息传感设备:包括射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等装置。与互联网相结合，可以实现所有物品的远程感知和控制，由此生成一个更加智慧的生产生活体系。广泛用于智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、智能家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。

4.1物联网产业链

MEMS传感器的主要优势在于体积小、大规模量产后成本下降快，目前主要应用在汽车和消费电子两大领域。根据ICInsight最新报告，预计在2007年至2012年间，全球基于MEMS的半导体传感器和制动器的销售额将达到19%的年均复合增长率(CAGR)，与2007年的41亿美元相比，五年后将实现97亿美元的年销售额。

4.3基于MEMS传感器的物联网产业

物联网将成为继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，但目前国内对究竟什么是物联网？谁来主导产业链的发展？

没有统一的答案目前运营商涉足物联网主要可分为：智能传输通道和行业集成解决方案两种模式。智能通道是指运营商在终端M2M以及应用平台上提供可靠的协议或者是模组和二次开发的环境，通过对移动网络专业性的理解和规模化运营的经验，来跟产业链各方合作，以达到共赢的局面。智能通道模式下的共赢，实际上仍是以运营商为产业链主导。但在技术发展、商业模式、利益博弈等诸多问题的限制下，当物联网涉及到远远超出通信行业的利益时，运营商能否一呼百应，还有待市场的检验。

4.4物联网产业主导

4.4物联网产业主导

4.5物联网产业甁颈目前我国“物联网”的应用主要是RFID、GPS等，广东在这方面的应用已经占到了5成，粤港合作和物流信息化是广东在“物联网”产业中的独特优势”。

国内物联网产业面临的三大瓶颈：一是国内RFID产业仍然以低端为主，在RFID高端芯片等核心领域无法产业化；二是国内传感器产业化水平较低，高端产品被国外厂商垄断；三是实现物物互联的数据计算量庞大，需要更大的计算平台支撑。在物联网中：传感是前提，计算是核心，安全是保障，网络是基础，应用服务是牵引。另外，标准是支持物联网产业链的重要基础：如何统一终端和接入标准都是困扰运营商M2M业务发展的首要问题。

4.5物联网产业政策

2009年11月20日，工业和信息化部部长李毅中在全国装备工业“两化”融合典型经验座谈会上首次明确了物联网应用示范方向。他表示，传感网、物联网的发展将优先选择重点工业领域、基础设施、环保监测、公共安全、工业控制、医疗卫生等领域，开展应用示范。同时，要加强TD-SCDMA与传感网的密切结合，推进传感网与通信网融合发展。联想到当年“三金工程”对我国信息化发展的推动，示范工程的启动意味着尚处于产业初创阶段的物联网将进入发展快车道。在工业和信息化部牵头组织的国家科技重大专项“新一代宽带无线移动通信网”中，传感网就已作为主要支持内容之一，加大了资金投入，启动了从总体战略到关键技术与设备等多项课题研究

物联网技术一、物联网概述二、国内外发展现状三、物联网体系架构四、物联网的产业链五、物联网的应用

“物联网是指通过各种传感和传输手段，将现实世界的信息进行自动化、实时性、大范围、全天候的标记、采集、传输和分析，并以此为基础搭建信息运营平台、构建应用体系，从而增强社会生产生活中信息互通性和决策智能化的综合性网络系统。”并将物联网划分为信息采集、信息传输、信息运营和整合应用四个层级。

5.1物联网应用推进框架

53浙江、广东等地的物联网产业规划中都有现代航运物流的典型应用北京浙江江苏智慧广东到2012年，将建成全国首个物联网应用资源共享服务、信息交换、传感信息网络、超级计算和云计算中心等共性基础支撑平台，完成政府、社会、企业三方面几十个示范应用园区。在物联网研发资源和产业集聚方面的基础比较雄厚。成立了中关村物联网产业联盟和北京物联网关键应用技术工程研究中心。规划思路是建成以杭州为核心，嘉兴、温州乐清为“两翼”的物联网产业集群；成立物联网“产学研用”联盟，设立物联网产业发展专项资金。以标准为基础、以数据交换为核心、以广泛应用为目标、以综合信息为方向，在浙江现代交通大港口、大路网、大物流三大建设中搭建了物流公共信息平台。将在全省3000家成规模物流企业和26万家道路货运企业全面推广使用、向全国辐射，已得到16个省（区、市）的积极响应。2009年8月温家宝总理视察无锡并作重要指示。11月，组建“中国物联网研究发展中心”。无锡设立了专业发展园区。江苏省特别是无锡在我国物联网发展方面抢得了政策先机。江苏省经信委已安排无锡机场周界防入侵系统的实施，确定了南京，无锡，苏州三城市作为传感网的发展基地江苏《2009-2012年物联网产业发展规划纲要》提出发展物联网产业要“举全省之力”愿景是打造“数字广东、智慧城市、知识经济、无处不在的网络社会”。物联网发展的主要设想包括:第一，建设南方物流公共信息平台；第二，在粤港合作中，推进RFID在物流供应链管理、食品药品安全和通关便利化等领域的应用；第三，进行智慧城市试点，推进传感器在智能交通、桥梁建筑、水资源利用、电力设施、环境监测、公共安全等方面的应用等六项内容。54运营商等巨头积极部署物联网战略——（引自中国移动M2M业务实践的资料）54通过与各行业合作，中移动目前M2M终端数已达到300万，年均增长超过80。截至2009年6月底，全国已有31个省开通M2M业务。从世界范围内看，我国在M2M应用的广度和深度方面都处于领先地位。交通物流调度、定位导航电力远程抄表、负载监控农业动物溯源、大棚监控城市管理电梯监控、路灯控制安全平安城市、企业安防环保污染监控、水土检测家居老人看护、家庭安防企业生产监控、设备管理为南方电网、北京、重庆的电力公司等客户提供服务，实现了104万台电表的远程抄表。北京、上海、辽宁等地出租车及公交车上已安装了超过110万台终端设备，实现对车辆管理和调度。在重庆市为1200部电梯部署了带有传感器的M2M终端，将电梯连接到智能管理系统，当电梯发生故障时，无需乘客报警，电梯管理部门第一时间得到信息，能以最快的速度到达现场处理故障。中国电信、联通等大企业均积极发力物联网，抢占未来明确将物流管理列为应用示范工程：“通过RFID技术在多式联运、大型物流园区、城市配送、冷链物流等方面的应用，探索利用物联网技术对物流环节的全流程管理；开发面向物流行业的公共信息服务平台，开发适用于各种物流环境的特种电子标签、物流装备、读写器、中间件、管理系统等产品。”多式联运、大型物流园区、城市配送、冷链物流都是国际航运中心建设、现代航运物流的重要环节。55上海：2010年4发布《上海推进物联网产业发展行动方案》智能交通智能电网智能农业楼宇节能管理智能安防环境监控新型医疗卫生服务物流管理产业示范应用园区智能小区十大示范工程56上海物联网技术与应用优势明显传感网领域技术“十一五”期间，以中科院上海微系统所、上海交通大学为代表的传感网研发群体传感网方面的国家90％的专项经费支持，正加速推动在上海成立“中国物联网应用工程研究中心应用在全国率先开展了传感网技术的推广及应用示范探索，实施了世博园区防入侵的传感器网络关键技术研究及应用示范、带状传感器网络关键技术攻关及世博防入侵应用、浦东机场电子围界防入侵工程等工程，取得了良好地示范效应。标准上海微系统所技术牵头推进我国无线传感器网络标准；代表我国参加国际传感网标准化工作组。在应用标准方面，技术牵头制定了国内首个城轨反恐技防标准（上海市地方标准），其他多个国内大型城市也纷纷效仿制定。57RFID领域技术2006年，科技部建设“国家射频识别产业化（上海）基地”。“十一五”期间，承担了国家863RFID重大项目1/4的课题，取得国家各级政府科研总经费达1亿元，是国内RFID研发投入最密集的区域。研究内容涵盖RFID芯片设计与制造、读写器、中间件、标准制定等整个产业链关键技术，已经取得了一批国内领先的研究成果，有些成果已经达到世界先进水平。应用在药品流通监管、钢铁和汽车等跨行业供应链的管理、物流仓储管理，以及集装箱RFID管理等领域开展RFID应用示范，RFID应用水平处于国内领先地位。具有标志性的应用是上海世博会RFID门票，上海华虹是上海世博会门票系统的整体解决方案供应商，将为上海世博会提供7000万张RFID门票、读写机具和软件系统，这也是目前国内最大的RFID应用系统之一。标准起草了RFID方面的标准总计20多项，包括集装箱/城市大型会展、供应链监控等的标准。标志性的工作是2009年5月国际标准化组织一致通过上海港提出的国际标准提案——《货运集装箱RFID货运标签》，并任命包起帆负责起草工作。2010年8月，国家标准化管理委员会、交通运输部联合宣布ISO正式发布了ISO/PAS18186。这是第一项由我国提出并积极推动制定，由ISO正式发布的可公开提供的规范，标志着中国在获准制定航运国际标准方面实现了零的突破。无线传感网应用实例展示

物联网应用实例农业园林2医疗保健3智能楼宇4交通运输5城市市政管理1

城市市政管理

城市物联网公共服务平台

特点:（1）开放式的、共享的物联网架构体系（2）物联网物品编码、数据共享交换机制、共享数据管理标准（3）物联网海量数据挖掘（4）物联网数据安全与认证

城市物联网公共服务平台

实现城市公共设施供应链的全程追踪溯源及对已建设部署设施的追踪监控，保证城市公共安全，最终实现政府的数字化的政务管理与城市运行职能。城市公共设施重要物资的准确标识，实现管理透明化，为公共安全、公共设施建设质量监管提供法律依据实现公共设施、及相关供应链的追踪，提高突发事件防控能力和水平，促进城市规划、建设持续健康发展

基于物联网的公共设施监管无线传感网应用实例展示

物联网应用案例农业园林2医疗保健3智能楼宇4交通运输5城市市政管理1精细农业

将无线传感器网络布设于农田、园林、温室等目标区域，网络节点大量实时地收集温度、湿度、光照、气体浓度等物理量，精准地获取土壤水分、养分程度、电导率、pH值、氮素等土壤信息。无线传感器网络有助于实现农业生产的标准化、数字化、网络化。将从三个方面有效促进农业的发展：增产增收、节约能源，相当于露地栽培产量10倍以上精细农业

由于边远山区网络难以覆盖，现有的监控手段成本过高，严重影响了园林绿化的动态监测活动。采用低成本、低功耗无线传感器网络动态监测造林营林、林木采伐、林地征占、城市绿地等多方面园林资源变化，建立园林绿化的评价模型和园林绿化信息管理服务平台,促进园林绿化的信息化和现代化,提高园林绿化的经济效益、社会效益和生态效益。

基于物联网的园林绿化信息管理服务

特点：（1）面向园林绿化的物联网的组网与最优覆盖；（2）面向园林监控的无线传感器网络；（3）面向园林监控的无线传感器网络数据融合；（4）基于GIS的园林灾害预测预报模型；（5）面向园林绿化的统一监测技术标准和规范。

基于物联网的园林绿化信息管理服务无线传感网应用实例展示

物联网应用实例农业园林2医疗保健3智能楼宇4交通运输56城市市政管理应用1

医院病房电子巡检

通过建立医疗保健信息交换平台，实现医疗保健信息资源共享，降低药品库存和成本并提高效率；增加医生对患者以往病史和治疗记录的了解，提高诊断质量和服务质量；推动各医院之间的服务共享和灵活转账，形成一种新的管理系统，使开支和流程更加透明化。

基于物联网的医疗保健信息交换平台

特点：（1）基于射频识别的药品溯源；（2）基于传感器网络的药品库存监控；（3）海量数据索引与存储；（4）物联网数据安全与隐私保密；（5）面向医疗保障的物联网数据共享机制

基于物联网的医疗保健信息交换平台无线传感网应用实例展示

物联网应用实例展示农业园林2医疗保健3智能楼宇4交通运输56城市市政管理应用11

智能家居

目前，国内剧院场馆、体育场馆、会展中心、地铁站等大型公共建筑越来越多，这些公共建筑规模大、结构复杂、人员密集、内部设备庞杂，紧急情况的预警以及疏散依靠传统的人工管理难以应对。面向大型公共建筑监控与应急管理的重大需求，研究大型公共建筑复杂环境监控与应急管理系统关键技术，建立产业化应用示范，为大型建筑监控与应急管理的产业化提供技术支撑与应用示范。

基于无线感知的大型公共建筑监控应急

无线传感网应用实例展示

物联网应用实例农业园林2医疗保健3智能楼宇4交通运输5城市市政管理应用1

实现公共交通工具全程追踪和溯源，保证运输的安全，最终实现政府的数字化的调度管理与城市交通资源优化配置运行职能。实现城市公共交通、轨道交通等重要设备的准确标识，实现管理的透明化，为运输安全、保障交通设施设备安全提供法律依据。实现车辆、列车等运营全程的追踪，提高事故防控能力和水平，增强实时调度监控和应急