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1、第8章 物联网在智能电网中的应用,物联网 （ “Internet of things” ）,主要内容,8.1 物联网的概念 8.2 物联网的国内外发展概况 8.3 物联网的关键技术 8.4物联网的主要技术难点和问题 8.5物联网技术是智能电网神经中枢,物联网引领新一轮信息技术革命,互联网改变了人们的生活，无论是以PC为终端的互联网应用，还是以手机为终端的移动互联网应用，都在不停地往前发展。 以感知和智能为特征的新技术的出现和相互融合，使得未来信息技术的发展由人类信息主导的互联网向物与物互联信息主导的物联网转变。 物联网是在计算机互联网的基础上，利用无线通信、传感器、RFID等技术，构造一个覆盖
2、世界上万事万物的“Internet of things”。 “物联网”被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，物联网引领新一轮信息技术革命。,9.1 物联网的概念,“物联网”的概念最早是美国麻省理工大学于1999年提出的，但到目前为止业界仍未形成明确统一的定义。目前物联网是指在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式芯片和软件，使之成为“智能物体”，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现物与物、物与人之间的互联，可达到对物品进行实时跟踪、监控等智能化管理的目的。,9.2 物联网的国内外发展概况,2009年1月8日，IBM提出“智慧地球”的概念，由于
3、智慧地球将带动信息产业与经济发展，它是把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，即把感应器嵌入和装备到全球每个角落的电网、铁路、桥梁、隧道、公路等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”，而后通过超级计算机和“云计算”将“物联网”整合起来，人类能以更加精细和动态的方式管理生产和生活，从而达到全球“智慧”状态，最终形成“互联网物联网智慧的地球”。奥巴马期望利用“智慧的地球”来刺激经济复苏，把美国经济带出低谷。欧洲也积极加速物联网的发展。,物联网的国内外发展概况,2009年8月7日，温家宝总理在江苏考察期间，到中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察，听取了我国传感网发展和运用的汇报。中心
4、负责人向总理提出了发展传感网的建议，温家宝说，至少三件事情可以尽快去做：一是把传感系统和3G中的TD技术结合起来；二是在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展；三是尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。,物联网的国内外发展概况,在温家宝总理考察之后，江苏省省长罗志军听取了无锡微纳传感网工程技术研发中心负责人关于传感网技术最新发展以及应用领域的专题汇报，明确表示将大力支持传感网产业在江苏的发展。目前江苏省委、省政府已将传感网产业列为创新型经济需要重点培育和发展的新型产业之一，正在规划建设“感知中国”中心，同时积极支持中国移动开展TD与传感网结合的研究和应用工作。在2009年9月16
5、日正式开幕的“2009年中国国际信息通信展览会”上，三大运营商“物联网”业务全部登台亮相。,物联网的国内外发展概况,无锡市与北京邮电大学就传感网技术研究和产业发展签署合作协议，标志着中国“物联网”进入实际建设阶段。协议声明，无锡市将与北京邮电大学合作建设研究院，内容主要围绕传感网，涉及光通信、无线通信、计算机控制、多媒体、网络、软件、电子、自动化等技术领域。2010年3月，“物联网”再次引起了“”与全国人民的关注。,9.3物联网的关键技术,物联网的关键环节包括“感知、传输、处理”。也有说法物联网的三层结构：感知层、传输层、应用层。感知主要包括二维码标签和识读器、RFID(Radio Frequ
6、eney ID)标签和读写器、摄像头、GPS、传感器以及M2M终端、传感器网络和传感器网关等，要解决的重点问题是感知和识别物体、采集和捕获信息。,物联网的关键技术,物联网通过广泛覆盖的新一代IP技术、固定和移动通信技术，将智能物体感知的各种信息进行可靠的实时传送。将个人电子设备组织和政府信息系统中收集和储存的分散信息及数据无缝连接起来，进行交互和多方共享，使得工作和任务可以通过多方协作来得以远程完成，从而彻底地改变整个世界的运作方式。,物联网的关键技术,（1）RFID 射频识别技术,物联网的“灵魂” RFID技术是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别术，RFID技术是一种非接触式的自动识别技
7、术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。目前广泛使用的RFID系统主要由三部分构成，它们分别是电子标签(贴在目标对象上)、阅读器和天线。其中标签可分为借助外来能量工作的被动标签和配有电池的主动标签，它们都集成了可记录96位以上电子产品码的芯片（即记录媒体），可记录每个物品、而非每类产品的各种信息。,物联网的关键技术,物体与电子标签是一一应的关系，即每一物理实体对应着其存储在标签内的唯标识EPC（产品电子代码）。阅读器是用来读取或写入标签信息的设备，它有手持式，也有固定式。天线的作用则是用来在标签和读取器间传输射频信号。RFID系统的工作原理比较简单，以采用被动标签的系统为例：其阅读器可
8、通过天线发送出一定频率的射频信号，当被动标签进入其信号范围内就可产生感应电流从而获得能量，发送出自身存储的编码信息，阅读器读取这些信息并将其解码，然后传送至电脑上进行更进一步的处理。,物联网的关键技术,在在需要监测的区域内嵌入或装备大量的感知节点，即大量的RFID电子标签和RFID识读器，组成无线网络系统，这些网络节点不仅具有通信功能，而且具有特定信息感知功能，它们之间可以不经中心控制器（如基站）进行相互通信，可以协作地感知、采集和处理网络所覆盖区域内被感知对象的信息，然后在计算机互联网的基础上，通过无线数据通信技术，在RFID识读器和被管理或被识别对象之间实现无接触信息传递，利用所传递的信息
9、达到管理或识别对象的目的。,物联网的关键技术,RFID不需要对准物体就能进行自动识别，并可以同时识别多个目标。由于电子标签无需人工接触，无需可视光线即可完成信息输入和处理，操作快捷方便,具有识别离远、存储量大、读取速度快、可应用范围广的特点，是目前比较先进的一种非接触识别技术. 采用电子标签取代商品条形码，已经成为社会发展的趋势。,物联网的关键技术,（2）传感技术 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 传感技术：传感技术实
10、现了信息的感知和获取是物联网发展的基础技术之一。传感技术及其发展体现在传感器、传感器节点、传感器网络和应用4个层面。 。,物联网的关键技术,在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。超声波传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能履行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。,物联网的关键技术,（3）嵌入式智能技术 嵌入式智能技术是将“无感知物体”转变为“智能物体”的关键技术，该特
11、性使物体具备根据外部环境变化进行反应的能力。嵌入式系统是指将应用程序、操作系统与计算机硬件集成在一起的系统。物联网技术中所采用的各类高灵敏度识别、专用的信号代码处理等装置的研发，将会更进一步推动嵌入式智能技术在物联网中应用的扩大。,物联网的关键技术,（4）纳米技术 目前，纳米技术在物联网技术中的应用主要体现在RFID设备、感应器设备的微小化设计、加工材料和微纳米加工技术上。纳米技术是研究尺寸在01100nm的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米技术在物联网中广泛使用，并推动了传感器产业的发展。纳米技术的应用，不仅为传感器提供了优良的敏感材料，而且为传感
12、器制作提供了许多新方法.,物联网的关键技术,（5）无线通信技术 另外，以ZigBee、蓝牙等为代表的近距离通信技术是目前应用于传感器节点的主要技术，也有部分企业鉴于WLAN技术的普及性，利用WLAN来搭建传感器网络的上层路由。,物联网的关键技术,大部分学者认为物联网是通过RFID技术、无线传感器技术以及定位技术等自动识别、采集和感知获取物品的标识信息、物品自身的属性信息和周边环境信息，借助各种信息传输技术将物品相关信息聚合到统一的信息网络中，并利用云计算、模糊识别、数据挖掘以及语义分析等各种智能计算技术对物品相关信息进行分析融合处理，最终实现对物理世界的高度认知和智能化的决策控制。,物联网的主
13、要应用,物联网可以在经济、社会生活、军事和空间探索等领域广泛应用。在智能交通领域，利用物联网RFID技术可以实现电子不停车收费（ETC）在车辆挡风玻璃上安装车载电子标签，配合使用双界面CPU卡，与不停车收费车道上的微波天线进行数据通讯，车辆经过收费站时自动缴费不停车. 在一些需要监测的危险工业环境，如矿井、核电站、液化天然气罐等，可以通过传感网络实施安全监测。在铁路、桥梁、大坝等重要基础设施中，嵌入和装备传感网络，感知振动频率、湿度等信息，可以提前对不安全因素进行预警，以利于监控部门及时采取应对措施，有效减少灾难性事故。,物联网的主要应用,另外，在需要防护的区域周围，铺设各类无线传感节点，通过
14、电磁波感应周遭的振动或声响，可以由此判断发出者的属性以及方向、速度、远近等参数，以确保防区内安全，防止他人非法入侵。如上海浦东国际机场的防入侵系统，就是一个由覆盖在机场地面、栅栏和低空探测区域内3万多个传感节点构成的协同系统，可以对各种入侵和破坏事件进行监测，以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。 物联网技术中一个重要的应用是在电网。,9.4物联网的主要技术难点和问题,难点: 1. 芯片技术 芯片在RFID的整个产品链中有着举足轻重的地位，其成本占到整个电子标签成本的三之一左右。在超高频(UHF)频段，我国目前采用的基本上是国外芯片。在芯片设计方面，还存在功耗限制、天线设计、封装技术等
15、问题。要突破这些设计障碍，还存在一定的攻关难度。我国的电子标签的芯片制造技术目前还与国外存在着较大的差距，生产成本比较高，一般每个在人民币几块钱左右。如果我们能够制造出0.4微米的芯片，并且保证每生产1亿个电子标签的成本控制在0.3元/个，那么电子标签的推广使用就可能变为现实。,物联网的主要技术难点和问题,2. 有源问题的解决 有源智能传感器的电池要能从五年到十年甚至十五年。 3. 物联网的信息安全 显然物联网前景非常广阔，但是这里面也隐含着危机，我们面对物联网的信息安全，已经远远超出信息网络和信息系统本身。如智能物品主动窃取情报和智能物品的无线信号泄密等。2009年2月，美国西雅图一个黑客，
16、用一个价值250美元的电子标签阅读器，通过非接触的阅读方式，不用接触目标，在20分钟的时间内，窃取了两份美国护照的身份资料，被窃取的对象毫无所觉，然后黑客用空白电子标签，轻易地克隆出这些身份数据。,物联网的主要技术难点和问题,问题: 1. 技术标准问题 世界各国存在不同的标准。中国信息技术标准化技术委员会于2006年成立了无线传感器网络标准项目组。2009年9月，传感器网络标准工作组正式成立了PG1到PG8等8个专项组，开展具体的国家标准的制定工作。 2. 协议问题 物联网是互联网的延伸，在物联网核心层面是基于TCP/IP，但在接入面，协议类别五花八门，GPRS/CDMA、短信、传感器、有线等多种通道，物联网需要一个统一的协议栈。,物联网的主要技术难点和问题,3. IP地址问题 每个物品都需要在物联网中被寻址，就需要一个地址。物联网需要更多的IP地址，IPv4资源即将耗尽，那就需要IPv6来支撑。IPv4向IPv6过渡是一个漫长的过程，因此物联网一旦使用IPv6地址，就必然会存在与IPv4的兼容性问题。 4.终端问题 物联网终端除具有本身功能外还拥有传感器和网络接入等功能，且不
