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1、第1章物联网起源和发展 本章从物联网的起源和发展入手 整理和分析传感器网络 射频识别 泛在网络 普适计算等与物联网相关的重要概念 旨在帮助读者建立对物联网的初步认识 1 1 1物联网的起源和发展 1 1 1传感器网络1 1 2射频识别 2 1 1 1传感器网络 早期传感器网络科研项目的主要成果是一系列无线传感器网络平台和初级应用示范系统 其中以Motes硬件平台及其配套操作系统TinyOS的影响最为广泛 目前已被全球400多家研究机构所采用 进入21世纪以来 传感器网络系统不再只局限于军事应用 在非军事方面也获得了日益广泛的应用 近期传感器网络的科研工作主要致力于开展大量针对传感器网络通信协议
2、及其支撑技术的细化研究 如网络拓扑控制 MAC协议 路由协议 网络安全 时间同步 节点定位等 同时也对传感器网络中的信息处理 数据查询 数据融合 部署覆盖等相关问题进行了深入研究 3 1 1 1传感器网络 综合以上介绍不难看出 与传感器网络相关的研究工作起步于传感器节点平台的研制 随后以应用为驱动扩展到网络通信协议 数据信息处理等研究领域 目前已经在数据信息的采集 处理 传输 应用等方面取得了丰硕的技术成果并积累了宝贵经验 从技术和应用两方面的经验总结来看 传感器网络最显著的技术特征和最重要的应用目标是感知现实物理世界 4 传感器节点的一些样品 5 智慧灰尘 SmartDust 缩微集成的传感
3、器网络节点 6 1 1 2射频识别 射频识别 RadioFrequencyIdentification RFID 技术利用无线射频方式进行非接触双向通信 以达到目标识别目的并交换数据 RFID技术能实现多目标识别 运动目标识别 便于通过互联网实现物品的识别 跟踪和管理 因而受到广泛的关注 近年来 RFID技术的重要进展包括 超高频RFID读写器功能增强 并向低功耗 低成本 一体化 模块化发展 采用新开发的喷墨打印制造工艺生产RFID电子标签 可以使单个电子标签价格降至4美分 RFID新型中间件的推出使标签数据 读写器的管理更加快捷和简单 RFID技术的这些进步 为准确 高效地实现物品识别提供了
4、可靠保障 7 1 1 2射频识别 目前 RFID技术的应用领域包括电子门票 手机支付 车牌识别 不停车收费 港口集装箱管理 食品安全管理等 由于具备实现物品自动识别和信息交换的能力 RFID技术被形象地比喻为 物物通信技术 加之RFID技术广泛应用于物流领域的现状 RFID被视为物联网的起源之一 8 1 2物联网的概念 1 2 1物联网相关概念1 2 2物联网内涵辨析1 2 3物联网的系统组成 9 1 2 1物联网相关概念 1 智慧地球2 M2M系统3 信息物理系统4 SensorWeb系统 10 1 智慧地球 1 智慧的医疗 2 智慧的城市 3 智能的电力 4 智慧的铁路 5 智慧的银行 6
5、 智慧的零售 11 1 智慧的医疗 建立一套智慧的医疗系统 保障患者只需要用较短的治疗时间 支付较低的医疗费用 就可以享受到更多的治疗方案 更高的治愈率 还有更友善的服务 更准确及时的信息 通过部署新业务模型和优化业务流程 医疗保健和生命科学体系中的所有实体都可以经济有效地进行 12 2 智慧的城市 建设更智慧的城市是为了将数字技术应用到物理系统中去 并利用所有产生的数据改善和提高生活的空间 效率与质量 一方面 智慧城市的实施将能够直接帮助城市管理者在交通 能源 环保 公共安全 公共服务等领域取得进步 另一方面 智慧基础设施的建设将为物联网 新材料 新能源等新兴产业提供广阔的市场 并鼓励创新
6、为知识型人才提供大量的就业岗位和发展机遇 13 3 智能的电力 通过电网和发电资产优化管理 智能电网成熟度模型 智能停电优化管理等方案 使发电 输电 配电 送电 用电5方互动互通 电力企业建立起可自测 自愈的智能电网 主动监管电力故障并进行迅速反应 可以实现更智慧的电力供给和配送 更高的可靠性和效率 以及更高的生产率 14 4 智慧的铁路 在智慧铁路系统中 可以动态调整时刻表 以应对因天气等原因导致的停运状况 以智能化提升运能和利用率 减少拥堵 拥有自我诊断子系统 减少延误 它的智慧传感器 能在造成延误或脱轨之前 检测出潜在问题 列车可以进行自我监控 监控供应链 并分析乘客的出行模式 以便将环
7、境影响降到最低限度 15 5 智慧的银行 智慧的银行能够预测客户需求 感知客户行为模式的变化 随时随地通过便捷的渠道提供个性化金融产品与服务 实时 准确地预测及规避各类金融风险 优化内部资本结构 通过快捷 智能地分析银行内的海量客户与交易数据来提升洞察力和判断力 创建一种智能又安全 适应多变商业环境的灵活的IT架构 以满足来自于不同部门 客户和合作伙伴的各种需求 16 6 智慧的零售 智能的零售系统使零售商可以收集客户数据并做出反应 从而生产和销售满足市场需求的产品 具体功能包括 根据消费者特点提供相应的商品陈列 合理地管理商品和运营信息 利用敏捷的供应链优化库存投资 以客户为中心的商品采购和
8、生产 智慧地球的核心是借助微处理器和射频识别标签等IT手段 使整个社会网络化 智能化 通过数据分析 比较和数据建模 使各种数据可视化 进而对所有信息进行统一管理 为人们创造智慧的生活 工作方式 17 2 M2M系统 1 M2M技术的核心价值 2 M2M的主要业务类型 18 2 M2M系统 图1 1简化的M2M系统结构 19 1 M2M技术的核心价值 M2M使机器 设备 应用处理程序与后台信息系统共享信息 并与操作者共享信息 并为设备提供了与系统之间 远程设备之间 或与个人之间建立实时无线连接与传输数据的手段 M2M技术的核心价值在于以下几个方面 可靠的通信保障 由于物联网中大部分机器终端具有无
9、人值守的特点 因此有对机器远程监控和维护的基本管理需求 要求能实时监测机器的运行状况以及所连接和控制的外设状态 及时排查和定位故障 以便快速诊断和修复 M2M为物联网数以亿万计的机器终端提供远程监控和维护功能 为物联网的自由传输提供通信保障 20 1 M2M技术的核心价值 统一的通信语言 由于物联网的应用横跨几乎所有行业 同一信息需要被多方广泛共享 因此必须有一种统一的语言描述来规范对同一信息的共同理解 并确保信息在网络的传输过程中采用统一的通信机制 以及信息能被准确识别和还原 M2M为物联网数以亿万计的机器与机器之间 人与机器之间的通信提供了统一的通信语言 智能的机器终端 M2M不是简单的数
10、据在机器和机器之间的传输 而是提供机器和机器之间的一种智能化 交互式的通信方式 即使人们没有实时发出信号 机器也会根据既定程序主动进行数据采集和通信 并根据所得到的数据智能化地做出选择 对相关设备发出指令而进行控制 可以说 智能化 交互式特征下的机器也被赋予了更多的 思想 和 智慧 21 2 M2M的主要业务类型 数据测量 数据测量就是指远程测量并通过无线网络传递测量的信息和数据 自动抄表即是一种典型的数据测量应用 这种业务被广泛应用于公共事业领域 比如自来水供应 电力供应以及天然气供应等行业 传感器被广泛地安装到用户的终端上 到指定日期或时间 传感器将自动读取计量仪表的数据并把相关的数据通过
11、无线网络传输到数据中心 然后由数据中心进行统一的处理 监控与告警 监控与告警包括远程测量和数据传输报告两个部分 监控的主要目的是通过远程测量去检测异动或者非正常事件 以触发相应的反应 通常 在后台系统处理远程测量通过无线网络传输回来的数据 一旦突破设定的临界值便会触发警报 提醒有关人员进行处理 如安全监控系统 使用各种传感器监控敏感区域 一旦有异常情况 即触发告警 通知安全管理人员前往处理 22 2 M2M的主要业务类型 控制 控制常与数据测量 监控等联合应用 它通常是指通过无线网络发出指令对机器进行远程控制 控制过程一般是自动的 包括打开或者关闭机器以及重新起动发生故障的机器等 控制类业务的
12、典型应用是在有大量分散资产和设备的公共事业部门 它们可以利用M2M远程关闭或者打开设备 比如 市政单位可以通过M2M自动控制路灯的关闭和打开 支付与交易处理 通过使用无线M2M可以进行支付与交易处理 使得远程的自动售货机 移动支付或者其他新商业模式的应用成为可能 自动售货机可以通过M2M系统进行移动支付处理和经营信息分析 移动POS机也可以通过M2M平台安全地处理交易信息 追踪与物品管理 追踪与物品管理业务功能通常被用做物品管理或者位置管理 典型的应用有车辆管理 这种业务被交通运输企业大量使用 它们可以通过远程的传感器结合无线网络 监控车队和司机 收集速度 位置 里程等大量信息 这些信息不仅能
13、够使管理人员实时掌控车队现状 还能被存储和分析 应用于路线规划 车辆调度等用途 23 3 信息物理系统 图1 2CPS系统中核心概念的关系 24 4 SensorWeb系统 图1 3简化的OGCSWE概念模型 25 1 2 2物联网内涵辨析 1 物联网的内涵2 泛在网络3 普适计算 26 1 物联网的内涵 定义1 把所有物品通过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1由麻省理工学院Auto ID研究中心在1999年提出 定义2 由具有标识 虚拟个性的物体或对象所组成的网络 这些标识和个性等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2出自欧洲智
14、能系统集成技术平台在2008年5月发布的题为 InternetofThingsin2020 的报告 定义3 物联网以对物理世界的数据采集和信息处理为主要任务 以网络为信息传递载体 实现物与物 物与人之间的信息交互 提供信息服务的智能网络信息系统 定义3出自2010年6月在北京召开的物联网大会上的报告 27 1 物联网的内涵 定义4 物联网是以感知为目的 实现人与人 人与物 物与物全面互连的网络 其突出特征是通过各种感知方式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 采用智能计算技术对信息进行分析处理 从而提升对物质世界的感知能力 实现智能化的决策和控制 定义4出自工业
15、和信息化部和江苏省联合向国务院上报的 关于支持无锡建设国家传感器创新示范区 国家传感器信息中心 情况的报告 定义5 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 定义5来源于欧盟第7框架下RFID和物联网研究项目组在2009年9月15日发布的研究报告 28 2 泛在网络 图1 4MUSE参考模型 29 1 2 3物联网的系统组成 图1 6物联网体系架构 30 物联网的技术体系框架 3层 感知层 数据采集与感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据 包括各类物理量
16、标识 音频 视频数据 物联网的数据采集涉及传感器 RFID 多媒体信息采集 二维码和实时定位等技术 传感器网络组网和协同信息处理技术实现传感器 RFID等数据采集技术所获取数据的短距离传输 自组织组网以及多个传感器对数据的协同信息处理过程 31 物联网的技术体系框架 3层 网络层 实现更加广泛的互联功能能够把感知到的信息无障碍 高可靠性 高安全性地进行传送 需要传感器网络与移动通信技术 互联网技术相融合 经过十余年的快速发展 移动通信 互联网等技术已比较成熟 基本能够满足物联网数据传输的需要 32 物联网的技术体系框架 3层 应用层 包含应用支撑平台和应用服务应用支撑平台子层用于支撑跨行业 跨应用 跨系统之间的信息协同 共享 互通的功能 应用服务子层包括智能交通 智能医疗 智能家居 智能物流 智能电力等行业应用 33 物联网连接示意图 物联网连接示意图 34 物联网的理解 技术理解物联网是指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 应用理解物联网是指把世界上所有的物体都联接到一个网络中 形成 物联网 然
