第11章.万物互联-物联网

第11章万物互联——物联网CONTENTS目录11.1物联网概述11.2物联网的体系结构11.3物联网网络层关键技术物联网概述11.1什么是物联网物联网的发展物联网的特征11.1.1什么是物联网物联网（InternetofThings，IoT）是指“万物相连的互联网”，是指在任何时间、任何地点实现任何人、任何物、任何机器之间的信息交换和通信的网络什么是物联网智能化识别跟踪定位监控和管理应用层面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”结合技术层面物体的信息通过智能感应装置，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物联网的定义第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，它是在互联网基础上延伸和扩展的网络；第二，其客户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换。因此，物联网就是“万物相连的互联网”。提供监控指挥调度远程数据采集和测量远程诊断通俗含义在任何时间、任何地点实现任何人、任何物、任何机器之间的信息交换和通信，为信息通信技术提供了“所有物间通信”功能，称之为物物相连的互联网互联网又称国际网络，指的是网络与网络之间所串连成的庞大网络物联网是互联网的延伸，各种感知设备将信息传送到接收器，再通过互联网传送，通过高层应用进行信息处理物联网管理控制营运以实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护联系与区别联系物联网的核心仍然是互联网区别物联网能够实现物与物之间的连接，但互联网只能实现人与人之间的连接11.1.2物联网的发展物联网的发展2009年感知中国的理念被提出1999年我国启动了传感网的研究2010年教育部设立物联网工程本科新专业物联网的发展2012年我国主导的“物联网概述”标准成为全球第一个物联网总体标准2010年6月“感知中国”物联网联盟在无锡正式成立2013年国务院提出《关于推进物联网有序健康发展的指导意见》2013年9月，国家发展改革委、工业和信息化部、科技部、教育部、国家标准委联合物联网发展部际联席会议相关成员单位制定了10个物联网发展专项行动计划指导思想总体目标重点任务分工与进度物联网的发展物联网的发展2016年国务院发布了《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》2017年工信部发布《关于全面推进移动物联网建设发展的通知》2021年工信部发表《物联网新型基础设施建设三年行动计划（2021-2023年）》物联网新型基础设施社会现代化治理产业数字化转型民生消费升级

2022年，国务院正式发布《“十四五”数字经济发展规划》，物联网建设发展进入黄金时期。11.1.3物联网的特征物联网的特征1.全面感知2.可靠传输3.智能处理人的感官人的神经人的大脑三个缺一不可，互相协作，组成了物联网1.全面感知利用射频识别、条形码、二维码等随时随地获取物体信息，比如可以利用温湿度传感器、红外传感器、照相机等识别设备信息采集协同处理智能组网信息服务物联网的特征2.可靠传输通过无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递给用户公共网络专用网络物联网的特征各种物体经由多种接入模式实现异构互联3.智能处理利用云计算、数据挖掘以及模式识别等各种智能计算技术，对随时接收到的跨地域、跨行业、跨部门的海量数据和信息进行分析处理，增强对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制物联网的特征信息技术物联网信息网络全面感知智能应用什么是物联网物联网的发展物联网的特征物联网的体系结构11.2条形码技术RFID技术传感器技术定位技术多媒体信息采集与处理技术感知层物联网的体系结构感知层网络层应用层感知层位置位于底层，相当于人的感官，是物联网全面感知的基础作用感知和识别物体，采集和捕获信息网络层位置位于物联网的第二层，是物联网无处不在的前提作用随时随地连接感知层和应用层，通过通信网络进行数据传输应用层位置位于最高层，是物联网智能处理的中枢，也是物联网的核心作用对感知层采集的数据进行计算、处理和信息挖掘，从而实现对物理世界的实时控制、精确管理和科学决策感知层概念有感知、识别、控制和执行等功能的多种设备组成11.2.1 物联网感知层关键技术一维条形码二维条形码1.条形码技术一维条形码信息内容只包含数字和英文二维条形码信息内容包含数字、英文、中文、图片和声音条形码的区别具有检错和纠错能力可在水平和垂直两个方向表达信息，可直接储存商品信息只能在水平方向表达信息，需另接数据库，只能标识物品条形码只有检错能力没有纠错能2.RFID技术标签阅读器天线是射频识别的英文缩写，俗称电子标签唯一标识读取标签传递射频信号优点电子标签和阅读器无需接触便可完成识别，其识别工作无需人工干预应用为物联网中各种物品建立唯一的身份。2.FRID长距离射频产品多用于交通上：自动收费或识别车辆身份等短距离射频多用于恶劣的环境：流水线上跟踪物体3.传感器技术是能感受特定的被测信号并按照一定的规则将其转换成可用信号的器件或装置敏感元件转换元件变换电路辅助电源敏感元件直接感受被测量，并输出与被测量有确定关系的物理量信号转换元件将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号负责对转换元件输出的电信号进行放大调制变换电路转换元件和变换电路一般还需要辅助电源供电1.种类温湿度传感器、红外传感器、压力传感器等2.应用从工业交通到家用电器以及机械制造、国防工业、环保气象、土木建筑、农林水产、医疗保健、金融流通、海洋及资源开发3.传感器技术地位是物联网感知、获取数据信息的窗口，是物联网不可或缺的信息收集手段，传感器的发展将直接影响物联网的发展及应用4.多媒体信息采集与处理技术各种摄像头、相机、麦克风等设备采集视频、图像、音频等信息进行抽取、挖掘和处理保存到结构化数据库中5.定位技术卫星定位基站定位室内定位是测量目标的位置参数、时间参数、运动参数等时空信息的技术5.定位技术全球定位系统格洛纳斯系统伽利略系统北斗卫星导航系统美国俄罗斯欧洲中国美国全球定位系统俄罗斯格洛纳斯系统欧洲伽利略系统中国北斗卫星导航系统5.定位技术基站定位通过运营商的网络获取移动终端用户的位置信息，运营商主要包括移动、电信和联通室内定位

WIFI定位技术、蓝牙定位技术、ZigBee定位技术以及超宽带定位技术11.2.2 物联网网络层关键技术无线传感网技术蓝牙技术Wi-Fi技术ZigBee技术NB-IoT技术LoRa技术移动通信技术感知层网络层“感觉器官”“神经系统”大数据的含义主要进行信息的传递，通过因特网和各种网络的结合，对接收到的各种感知信息进行传送，更好地完成物与物之间的通信、物与人之间的通信以及人与人之间的通信，并实现信息的交互共享和有效处理1.无线传感网技术由大量具有通信和计算能力、低成本、小体积的传感器节点随机部署在无人值守的监控领域而构成的能够自主完成指定任务的智能网络系统无线传感网综合了传感器技术、嵌入式技术、无线通信技术等传感器节点汇聚节点传输网络远程监控中心2.蓝牙技术一种支持设备短距离通信的无线通信技术同一个蓝牙设备可以在这两种角色之间转换在任意时刻，主设备单元可以向从设备单元中的任何一个发送信息也可以通过广播方式同时向多个从设备发送信息一个主设备最多可以同时和7个从设备通信蓝牙技术3.Wi-Fi技术含义是一种基于IEEE802.11系列协议标准实现的无线通信技术，被公认为是目前最为主流的无线局域网技术标准使用最广4.ZigBee技术的含义是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备ZigBee2节5号干电池可支持1个节点工作6到24个月蓝牙能工作数周WiFi可工作数小时低功耗低成本降低了对通信控制器的要求，每块芯片的价格远低于蓝牙或WiFi特征ZigBee特征提供250kbps、40kbps和20kbps的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求低速率响应速度较快从睡眠转入工作状态只需15毫秒，节点连接进入网络只需30毫秒蓝牙需要3秒到10秒WiFi需要3秒智慧农业工业控制医疗监测高安全：提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单防止非法获取数据以及在数据转移中采用高级加密标准的对称密码加密5.NB-IoT是窄带物联网的简写，是物联网领域的一个新兴技术，聚焦于低功耗、低成本、广覆盖、大连接的物联网市场NB-IoT低成本单个连接模块价格不超过35元，可在智慧城市大规模部署低功耗终端模块的待机时间可长达10年，可用于水电表、智慧停车/灯杆等应用NB-IoT大连接一个扇区能够支持超过10万个连接，在农林牧渔监控领域应用广泛广覆盖比LTE和GPRS基站提高了20dB的增益，覆盖区域扩大100倍，可用于地面井盖检测LoRa技术的特点同样的功耗条件下比其他无线方式传播距离更远，比传统的无线射频通信距离增加了3到5倍，实现了低功耗和远距离的统一LoRa技术的含义是一种低功耗局域网无线标准，基于物理层实现网络数据通信的技术，支持双向数据传输6.LoRa技术自动抄表无线预警安全系统工业监测和控制智能家居6.LoRa技术含义指通信的双方，至少有一方是在移动中进行的通信内容固定点与移动点移动点与移动点7.移动通信技术特点移动终端可以对信息数据进行高效的接收传送工作，并且作为终端设备的一种，它具有良好的便捷性。高效性及时性移动终端在使用过程中，能够根据网络通信接入点的变化，随时对信息开展改变工作与传递工作广泛性物联网信息节点的广泛性和移动性移动通信技术11.2.2 物联网应用层关键技术1．中间件技术中间件技术是一种独立的基于分布式处理的服务程序，它应用于客户端、服务器的操作系统之上，用来管理计算机资源和网络通信，连接两个独立的应用程序或者独立系统，能够使相连的系统即便拥有不同的接口仍然能实现信息交换。中间件技术可以运行于多种硬件和操作系统平台，支持分布式计算，提供跨网络、硬件、操作系统平台的透明应用和服务交互。它的这些特性使得它成为物联网应用中的关键部分，实现了各种传感器、RFID系统等感知设备与应用系统之间的数据传输转换。开发人员只需要提供一个中间件的接口就可以保证应用软件在物联网中的正常使用，在很大程度上降低了应用开发难度。2．人工智能技术物联网时代一个显著的特征就是大数据时代的到来。很显然，要想处理好这些信息，需要进行筛选、分析、数据挖掘等任务，单靠人力是不行的。而现有的数据库系统固有的弊端又对这些信息的处理助益不大，通用的计算方式和软件能力也限制了信息的过滤能力。人工智能的目标就在于为人们提供能够有所超越的信息处理能力，提高信息采集和应用的效率。在物联网中，人工智能技术通过对感知信息的分析及智能处理来实现物联网的智能化，并提供科学决策。例如，当整条道路上几乎没有车辆的时候，利用感知层获得的实时数据和应用层积累的历史数据，可以实时调整一些路口的红绿灯，如将这条路上的人行指示灯全部设置为绿色等。3．云计算技术云计算技术是分布式计算的一种，可实现对海量数据的存储、计算，是物联网发展重要的技术支撑。4．信息和隐私安全技术信息和隐私安全技术包括安全体系架构、网络安全技术，以及“智能物体”的广泛部署给社会生活带来的隐私保护、安全管理机制和保障措施等。为实现对物联网广泛部署的“智能物体”进行管理，需要进行网络功能和适用性分析，开发合适的管理协议。物联网的应用领域11.31.智慧停车随着我国私家车的日益增加，现有的车位已满足不了市民的需求，停车难已经成为困扰“有车