第1章 物联网技术与应用

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1、物联网技术与应用 刘琼 华南理工大学软件学院 主要内容 第1章 物联网概论 物联网概念的提出 物联网发展的社会背景物联网发展的技术背景 物联网定义 物联网的技术特征 物联网的体系结构模型* 物联网关键技术 物联网产业链结构 我国物联网 十二五发展规划 1.1 物联网发展的社会背景 1.1.1 物联网概念的提出 1.比尔盖茨与电子别针 1995年出版的未来之路 “物物互联”的设想 “电子别针”家庭电子服务设施连接 通过“电子别针” 感知来访者的位置，控制室内照明 和温度，控制电话和音响、电视等家电设备 4 1998年，美国麻省理工学院Auto-ID 实验室 电子产品代码(EPC)研究 提出利用R

2、FID、无线网络与互联网，构建物物互 联的物联网的概念与解决方案 对象名字服务(Object Name Service, ONS)与服务器体系 EPC信息服务与服务器体系 (EPC Information Service, EPCIS) 5 2. Auto-ID 实验室、RFID与物联网的概念 EPC物联网结构 基于RFID的物联网研究 最有代表性的项目是Auto-ID 实验室的EPC标准，其核 心思想是： 为每一个产品分配唯一的电子标识符EPC码 EPC码存储在RFID标签芯片中 RFID读写器通过非接触方式(无线数据传输技术)，自动 采集EPC码 连接互联网的服务器完成对EPC码内容的解析

3、 从条形码到射频标签 条形码诞生于20世纪20年代，已被广泛应用 条形码技术已无法满足21世纪商品流通与运输业发展需要 射频标签(RFID)技术能满足上述需求，它与互联网技 术结合在一起构成物-物互联的物联网。 8 3. 物联网概念的提出 从1997年2005年，ITU从研究互联网/移动互 联网对电信业发展影响的角度，发布了七份 “ITU Internet Reports” “物联网”概念产生于20世纪90年代 2005年国际电信联盟(ITU)发布互联网研究报告物 联网(Internet of Things，IOT)之后，物联网引起 各国政府与产业界的重视 9 10 国际电国际电信信联联盟盟

4、物联网的核心 利用各种感知、测量、控制设备与系统，实现更加 透彻的感知；利用先进的网络通信技术实现更为广 泛的互联互通；利用智能分析与决策技术，提高政 府、企业和市民的决策能力 IBM提出将在六大领域开展智慧行动的方案 智慧电力、智慧医疗、智慧城市、智慧交通、智慧 供应链、智慧银行。 1.1.2 物联网与智慧地球 11 2009年，IBM公司提出“智慧地球”概念 该构想迅速上升为美国国家级发展战略，美国政府 投入巨额资金推动这一战略的落实 经济刺激资金投入到宽带网络等新兴技术中 致使美国在21世纪保持和夺回竞争优势 1.“智慧地球”战略背景 12 智慧地球 传感器嵌入到电网、铁路、桥梁、隧道、

5、公路、建筑、供水 系统、大坝、油气管道等环境中，通过超级计算机和云计算 组成物联网，实现人与物的融合 智慧设施 在基础设施和制造业中大量嵌入传感器，捕捉运行过程中的 各种信息，然后通过无线网络接入到互联网，进行计算、分 析、处理并反馈指令至控制器，远程执行指令 物联网与互联网整合 实现人类社会与物理系统的整合，数据处理能力超强的计算 集群对整合网络中的人员、机器、基础设施进行实时管理和 控制，达到“智慧”的状态 13 2. 智慧地球=互联网+物联网 智慧地球三步曲 数据化：感知技术嵌入物体，实现信息化、 网络化：物体接入网络 智能化：对海量数据处理、加工和分析 14 互联网物联网 云计算 智慧

6、地球 物理世界与信息世界的融合，形成无所不在的网络世界 3. 智慧地球、物联网、互联网与云计算 15 1.1.3 欧盟与各国政府物联网产业发展规划 1. 欧盟发展物联网产业规划 第一阶段(2010年前)：基于RFID技术实现低功耗、低成本的单个 物体间的互联，并在物流、零售、制药等领域开展局部应用 第二阶段(20102015年)：利用传感网与无处不在的RFID标签实 现物与物之间的广泛互联，针对特定的产业制定技术标准，并完 成部分网络的融合 第三阶段(20152020年)：具有可执行指令的RFID标签的广泛应 用，物体进入半智能化，物联网中异构网络互联的标准制定完成， 网络具有高速数据传输能力

7、 第四阶段(2020年之后)：物体具有完全的智能响应能力，异构系 统实现协同工作，人、物、服务与网络达到深度地融合 16 提出泛在感知网络的概念 在各种物品中嵌入传感器，传感器之间自主传输和采 集环境信息，通过互联网络实现对外部环境的监控 重点发展物联网的四大领域： u-City计划，推动智能城市建设 Telematics(车载资讯系统)示范应用，发展车用信息通信服务 u-IT产业集群计划，加速新兴科技服务业的发展 u-Home计划，推动智能家庭应用的发展 U - Ubiquitous computing 17 2. 韩国政府关于物联网的发展规划 2009年7月，日本政府IT战略部制定了新一代

8、的信息化 战略i-Japan战略2015 2015年，让信息技术如同水和空气一样融入每一个角落 电子政务、医疗保健、教育与人才等三大核心公共事业领域 提出了智能电网、灾难应急处置、智能家居、智能交通与智 能医疗保健等项目 18 3. 日本政府关于物联网的发展规划 1.1.4 物联网与我国战略性新兴产业 2009年8月7日，温家宝视察无锡时提出“感知中国”的 战略构想，抓住机会，发展物联网技术与产业 2010年3月5日，温家宝在十一届全国人大三次会议的 政府工作报告中指出：“国际金融危机正在催生新的 科技革命和产业革命；发展战略性新兴产业，抢占经 济科技制高点，决定国家的未来，” 19 大力发展

9、物联网产业已成为具有战略意义的重要决策 2011年3月16日发布的我国国民经济和社会发展“十二五”规划 纲要第十章“培育发展战略性新兴产业”与第十三章“全面提 高信息化水平”多次强调“推动物联网关键技术研发和在重点 领域的应用示范” 工业和信息化部于2011年11月28日发布了物联网“十二五” 发展规划 发展优势 符合产业结构调整与转型需求 国际机会均等 资本市场欢迎 企业积极、政府支持 20 1.2 物联网发展的技术背景 1.2.1 从人类对技术需求的角 度认识物联网发展的必然性 21 1.2.2 从网络技术演变的角度认识物联网发展的必然性 22 网络结点数 主机IP地址数 Internet

10、主机IP地址数（Lottor,RFC1296） ARPANET 主机数（Mark Lottor,） 早期的ARPANET 主机数（Peter Salus,） TCP/IP协议的成功 广域网、城域网、局域网与个人区域网技术逐步成熟 互联网的大规模应用 用户接入需求膨胀，促进接入技术、宽带城域网技术发展 Web应用促使互联网应用飞速发展 电子商务、电子政务、远程医疗、远程教育，以及基于对等结 构的P2P网络、移动通信技术与移动互联网的应用 无线网络的发展 无线局域网、无线城域网与无线自组网、无线传感器网络与无 线个域网的研究与应用为物联网的发展奠定了基础 23 1.2.3 互联网技术发展与物联网的

11、形成 1.2.4 物联网的研究背景 1. 信息世界与物理世界的融合 (1) 信息世界的发展 互联网的广泛应用造就了人类历史上最庞大的信息世界 2005年互联网包含的数据量约为5109GB 2007年约为281109GB 2008年约为487109GB 从2009到2011年的数据量以每年60%的速度增长 24 (2) 物理世界的发展 信息获取从人工方式向人工与自动方式并重的模式发展 RFID标签、传感器将成为自动获取信息的主要手段 截止2007年初，全球累计销售RFID标签37.52亿个 2009年全球销售RFID标签为19.7亿个 2010年全球销售RFID标签达到23.1亿个 目前世界上约

12、有50亿个具有通信功能的微处理器和微控制器 Intel公司预测到2015年将增长到150亿个 爱立信公司预测到2020年将增长到500亿个 25 2. 普适计算(Pervasive Computing) 普适计算的重要特征是“无处不在”与“不可见” 普适计算体现出信息空间与物理空间的融合 普适计算的核心是“以人为本” 计算系统对人具有自然和透明交互、意识和感知能力 人机关系的和谐性，交互途径的隐含性，感知通道的多样性等 普适计算的重点在于提供面向用户的、统一的、自适应 的网络服务 26 普适计算环境提供各种服务 物联网、互联网、传感网与泛在网之间的关系物联网、互联网、传感网与泛在网之间的关系

13、28 传感网 互联网 物联网 泛在网 3. CPS(Cyber Physical Systems，CPS) 随着嵌入式计算、无线通信、自动控制与新型传感器技 术的快速发展，信息物理系统CPS的研究引起了学术界的 广泛重视 CPS：综合计算、网络与物理世界的复杂系统，计算技术、 通信技术与控制技术有机融合或深度协作 CPS用于智能交通、智能电网、智慧城市、健康医疗、环 境监控、军事国防、工农业生产中，实现信息世界与物 理世界的紧密融合 29 CPS是“人、机、物”深度融合的系统 CPS是“3C( Computer、Communication、Consumer Electronic)” 与物理设备

14、深度融合的系统 CPS 是环境感知、嵌入式计算、网络通信的深度融合系统 CPS体现了“感、联、知、控” 30 物联网发展的技术物联网发展的技术背景背景 总结 NSFNET - National Science Foundation Network NII:国家信息基础结构 美国竞争力计划将信息物 理系统(Cyber Physics System, CPS)列为重要研究项目 31 ARPANET 1991年，允许商业应用 TCP/IP协议的应用 Web技术的应用 Internet 1993年，NII计划的推行 移动互联网技术的发展 宽带城域网技术的发展 1995年，互联网大规模应用 移动通信技术

15、的发展 Internet of Things 无线网络技术的发展 社会需求技术发展 云计算技术的发展 2005年，CPS研究计划的提出 1998年，RFID的商业应用 2005年，ITU提出物联网的概念 1999年，无线传感网应用的发展 2009年，我国物联网产业发展的提出 2009年，IBM智慧地球概念的提出 1984年，组建NSFNET 物理世界的发展 普适计算 CPS 物联网发展的技术背景与社会背景 32 1.3 物联网定义及主要技术特征 1.3.1 物联网的定义 在通信网络(互联网、移动通信网)等的基础上，针对不 同应用领域的需求，利用具有感知、通信与计算能力的 智能物体自动获取物理世界的各种信息；将所有能够独 立寻址的物理对象互联起来；实现全面感知、可靠传输、 智能处理，构建人与物、物与物互联的智能信息服务智能信息服务 系统系统。 理论体系未建立，其技术研究与产业发展处于起步阶段， 很难确切定义 33 理解物联网及其技术特征的3个基本问题 在互联网基础上发展起来，其基础设施与互联网有一定 的重合度，但不是互联网概念、技术与应用的简单扩展 互联网扩大人与人之间信息共享的深度与广度，物联网物联网 更强调在更强调在人类社会生活的各个方面人类社会生活的各个方面、国民经济各领域国民经济各领域 的的广泛广泛与深入与深入的的应用应用 物联网的主要特征是：全面感知、可靠传输、智能处理