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1、1 物联网的技术与挑战物联网的技术与挑战 邬贺铨邬贺铨 中国工程院中国工程院 2011 01 11 2 物联网的技术与挑战物联网的技术与挑战 物联网的技术物联网的技术 物联网的挑战物联网的挑战 物联网的技术物联网的技术 3 物联网的定义物联网的定义 欧盟关于物联网的定义欧盟关于物联网的定义 Internet of Things Strategic Research Roadmap CERP IoT SRA first presentation 16 September 2009 物联网是未来互联网的一部分 能够被定义为基于标准和交互通信物联网是未来互联网的一部分 能够被定义为基于标准和交互通信
2、 协议具有自配置能力的动态全球网络设施 在物联网内物理和虚拟协议具有自配置能力的动态全球网络设施 在物联网内物理和虚拟 的 物件 具有身份 物理属性 拟人化 使用智能接口并且无缝的 物件 具有身份 物理属性 拟人化 使用智能接口并且无缝 综合到信息网络中 综合到信息网络中 2010年我国的政府工作报告所附的注释中对物联网有如下的说明 年我国的政府工作报告所附的注释中对物联网有如下的说明 是指通过信息传感设备 按照约定的协议 把任何物品与互联网连是指通过信息传感设备 按照约定的协议 把任何物品与互联网连 接起来 进行信息交换和通讯 以实现智能化识别 定位 跟踪 接起来 进行信息交换和通讯 以实现
3、智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 它是在互联网基础上延伸和扩展的网络 监控和管理的一种网络 它是在互联网基础上延伸和扩展的网络 4 物联网的组成物联网的组成 5 信息获取信息获取 通信网络通信网络 信息处理信息处理 通过飞机 汽车 人工等通过飞机 汽车 人工等 方式 将大量传感器节点分布方式 将大量传感器节点分布 在需要监测的区域内 此时在需要监测的区域内 此时节节 点处于睡眠状态点处于睡眠状态 网关网关 节点节点 传感器节点开始激活 通过传感器节点开始激活 通过 无线通信 确定自身的位置 无线通信 确定自身的位置 自动组织成网络 各传感器自动组织成网络 各传感器 分别探测外部信息
4、分别探测外部信息 温度温度 核辐射核辐射 湿度湿度 光照光照 位移位移 压力压力 图象图象 磁场磁场 声音声音 压强压强 土壤成分土壤成分加速度加速度 因环境影响 能量耗尽等因环境影响 能量耗尽等 原因 节点容易发生故障原因 节点容易发生故障 结点能量不足时 只能输出结点能量不足时 只能输出 本身的信息 而无法传递其本身的信息 而无法传递其 它结点的信息它结点的信息 节点出故障 其它节点会自节点出故障 其它节点会自 动寻找别的 邻居 协助完动寻找别的 邻居 协助完 成任务成任务 作为路由器的 邻居 节点作为路由器的 邻居 节点 既要输出本身的信息 还要既要输出本身的信息 还要 传递其它节点的信
5、息传递其它节点的信息 网关对各路信息进行过滤 网关对各路信息进行过滤 把重要的信息发送给用户把重要的信息发送给用户 无线互联网无线互联网 物理网物理网工作工作原理原理 6 7 物理网的特点物理网的特点 网络网络中的节点数量大 节点的配置非常密集中的节点数量大 节点的配置非常密集 节点节点的位置并不一定需要预先设计和计算的位置并不一定需要预先设计和计算 网络拓扑 网络拓扑 的的变化可能十分变化可能十分频繁频繁 网络网络中的部分或全部节点可以移动中的部分或全部节点可以移动 网络每个网络每个节点既是终端 也可能又是路由器节点既是终端 也可能又是路由器 网络节点网络节点不一定有全球性的标识不一定有全球
6、性的标识 网络节点网络节点的电能 计算能力及存储器容量都很有限的电能 计算能力及存储器容量都很有限 网络主要网络主要用广播方式用广播方式通信通信 物联网的支撑技术物联网的支撑技术 8 识别技术识别技术 全球识别方案 识别 管理 识别编码 加密 识别和寻址方案及其 认证和储存管理 全 球查号业务和发现业 务 发现技术发现技术 设备发现 分布存储 定位 实际与虚拟实 体的映射 网管技术网管技术 身份 关系和信誉管 理 分布数据库 存 储 网络设备的自动 轮询 网络拓扑变化 和流量的实时图形显 示 体系技术体系技术 基于节点对等通信的 无中心自治体系 事 件驱动体系 断连操 作与同步 网络技术网络技
7、术 固定 无线和移动网 及Ad hoc网技术 自 治计算与连网 网络 级的口令和身份分配 匿名连网等 通信技术通信技术 能效优化的通信 多 频无线前端和协议 通信频谱及频率分配 软件定义无线电与认 知无线电 后IP的无 连接通信 数据和信号处理数据和信号处理 技术技术 数据共享与合作 自 治代理 人机接口 边缘处理 过滤和集 成 QOS和流处理 硬件技术硬件技术 纳技术 自愈电路体 系 天线 能效射频 前端 嵌入传感器 激励器 低成本制造 技术等 软件与算法软件与算法 能效操作系统 节能 自管理技术 口令分 配机理 优化资源分 配的算法 库存管理 产品调度和数据挖掘 的模型及算法等 功率与能量
8、存储功率与能量存储 技术技术 电池和能量存储技术 能量获得 提取技术 换能技术 能量测量 技术 基于能量优先 调度的软件技术 安全与隐私技术安全与隐私技术 隐私保护 认证和可 信的模型 能效加密 和数据保护 云计算 的安全和可信性 认 证技术 匿名机理 标准化标准化 识别识别技术技术 编号与寻址 编号与寻址 物联网会出现一个物件有多个识别号的情况 例如制造商编号 网络地物联网会出现一个物件有多个识别号的情况 例如制造商编号 网络地 址 在一个址 在一个ad hoc集合中的临时编号 嵌入到物件中的传感器和读写器集合中的临时编号 嵌入到物件中的传感器和读写器 还可以有各自的地址还可以有各自的地址
9、需要需要开发开发全球识别方案 识别管理 识别编码全球识别方案 识别管理 识别编码 加密 匿名 使用识别和加密 匿名 使用识别和 寻址方案的认证和储存管理 认证寻址方案 全球查号和发现业务 寻址方案的认证和储存管理 认证寻址方案 全球查号和发现业务 9 物品编码物品编码EAN UCC GS1 标准 标准 RFIDRFID标识标识 传感器标识传感器标识 私有编码或私有编码或 EPCglobal 需要有传感器标识和传感器网络节点标识标准需要有传感器标识和传感器网络节点标识标准 IPv4 IPv6 M2M业务使用对业务使用对E 164编号和编号和IMSI码码 通信标识通信标识 物 体 标 识 物 体
10、标 识 2010前前2010 20152015 20202020后后 识别识别 技术技术 SO GS1 u Code IPv6 等各种方案的 域名 ID 用于唯一识别的统一框 架 物联网开放框架 URI 身份管理 语义 隐私知觉性 物品 DNA 身份 10 编码器编码器 解码器解码器 指令指令 响应响应 单元单元 逻辑寄存器逻辑寄存器 标标 签签 驱驱 动动 和和 映映 射射 规规 则则 逻辑寄存逻辑寄存 器映射器映射 应用应用 指令指令 应用应用 响应响应 RFID Tag RFID Reader Application Platform ISO IEC 18000 1 标准规范标准规范 I
11、SO IEC 18000 2 135 kHz以下以下 ISO IEC 18000 3 13 56 MHz ISO IEC 18000 4 2 45 GHz ISO IEC 18000 6 860 960 MHz ISO IEC 18000 7 433 92 MHz Header General Manager Number 制造商 Object Class 产品类型 Serial Number 8 bits28 bits24 bits36 bits General Identifier GID 96 ISO 15459 4 RFID Tag EPC编码编码 1 234567 890128 RS
12、 232 R RFID FID 射频标签 射频标签 模 组 模 组 R F RF模组模组 网络网络 体系技术体系技术 支持支持在异构物品及其环境中的在异构物品及其环境中的分布性 分布性 可扩展性 交互性可扩展性 交互性 和和可生存性可生存性 基于节点对等通信的无中心自治体系基于节点对等通信的无中心自治体系 上下文感知的认知 上下文感知的认知 体系 体系 11 Sink 在传感网中传感器节点分组在传感网中传感器节点分组 协调器协调器 有自己领地的网络有自己领地的网络 允许其他设备加入允许其他设备加入 提供捆绑和地址表服务提供捆绑和地址表服务 存储消息直到将其传递出去存储消息直到将其传递出去 带有
13、带有I OI O接口能力接口能力 路由器路由器 路由消息路由消息 扫描并找到网络然后加入扫描并找到网络然后加入 给定一个地址块供指配给定一个地址块供指配 可以带可以带I OI O接口接口 端设备端设备 与单个设备通信与单个设备通信 扫描寻找网络并加入扫描寻找网络并加入 可以是全功能或简化功能可以是全功能或简化功能 通常是电池供电通常是电池供电 路由器路由器 端设备端设备 12 通信技术通信技术 物理层与链路层技术 物理层与链路层技术 物理层 物理层 多频无线前端和多频无线前端和协议协议 通信通信频谱及频率分配 频谱及频率分配 当加入新协议时无需硬件升级的软件定义无线电 认知无线电 当加入新协议
14、时无需硬件升级的软件定义无线电 认知无线电 链路层 协议的作用是保证节点公平和有效地共享通信资链路层 协议的作用是保证节点公平和有效地共享通信资 源 同时适应传感器网络的优化节能 移动管理和故障恢源 同时适应传感器网络的优化节能 移动管理和故障恢 复要求复要求 能效无线传感器网能效无线传感器网 ZigBee 6LoWPAN WiFi混合混合 Bluetooth RuBee ISA 100 WirelessHart UWB等等 后后IP的无连接通信 高性能可扩展算法和协议 的无连接通信 高性能可扩展算法和协议 13 网络技术网络技术 网络层与传送层技术 网络层与传送层技术 需要提供对连网的几乎所
15、有物件需要提供对连网的几乎所有物件的的位置位置透明性 透明性 可视可视性 性 安全性 可安全性 可 扩展性和跨平台兼容性 扩展性和跨平台兼容性 需要适应拓扑频繁改变和可扩展性的协议 基于节能优先的路由选择需要适应拓扑频繁改变和可扩展性的协议 基于节能优先的路由选择 基于属性的寻址 数据汇聚 解决数据破碎和重复 有限的电能 基于属性的寻址 数据汇聚 解决数据破碎和重复 有限的电能 和存储量限制使传感器节点不能存储大量的数据 和存储量限制使传感器节点不能存储大量的数据 TCP方式开销太大方式开销太大 需要有适合传感器网的协议 需要有适合传感器网的协议 固定 无线和移动网及固定 无线和移动网及Ad
16、hoc网技术 网技术 延时容限网 自学习自修复网络 延时容限网 自学习自修复网络 网络情景感知 网络情景感知 自治计算与连网自治计算与连网 动态动态支持小区域无尺度连接的 网中网 支持小区域无尺度连接的 网中网 能力的设施的开发 能力的设施的开发 网络级的口令和身份分配机理 匿名连网网络级的口令和身份分配机理 匿名连网 IP和后和后IP技术等 技术等 14 传感器网协议传感器网协议 15 基于非基于非IP的协议的协议基于基于IP的协议的协议 ZigbeeSensor Net 应用 层 低能耗 低功率 可靠的 无线网 络标准 针对传感器网 的体系结构 通过跨层设计 层间协同方法 实现能量管理 时间同步 发 现与安全等功 能 网络 层 UDP ICMP IETF 6LoWPAN IPv6 over Low power WPAN 链路 层 IEEE802 15 4 Cisco Ericsson 和和 Sun Microsystems 成立了成立了IPSO IP for Smart Objects 联联 盟 目标是将盟 目标是将IP用到物联网标准中 用到物联网标准中 IPv6 40 octet
