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1、陕西省计算机网络重点实验室 西安交通大学网络技术与工程研究所 2013.2,桂小林 主编,21世纪高等学校规划教材 IBM大学合作项目书籍出版资助,物联网技术导论,第一章 绪 论,1.1 物联网的概念,1.3 物联网的应用,1.4 本章小结,1.2 物联网的起源与发展,1.1 物联网的概念,1.1.1 物联网的定义,定义：物联网是通过使用射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）、传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息采集设备，按约定的协议，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、监控和管理的一种网络。,
2、1.1 物联网的概念,1.1.2 物联网的特征,全面感知,可靠传递,智能处理,1.1.3 “物”的含义,1.1 物联网的概念,1.1.4 物联网概念辨析,EPC系统,信息物理系统,传感器网络,M2M技术,1.2 物联网的起源与发展,1.2.1 物联网的起源,国际发展现状,国内发展现状,1.2.2 物联网的发展,物联网发展面临的问题,1.3 物联网的应用,智能交通,智能物流,环境监测,智能电网,医疗健康,智能家居,1.4 小结,第二章 物联网体系结构,2.1 物联网体系结构概述,2.3 物联网关键技术,2.4 已有物联网相关应用架构,2.2 物联网体系结构,2.5 物联网的反馈与控制,2.6 本
3、章小结,2.1 物联网体系结构概述,2.1.1 意义和功能,物联网的最终目的是建立一个满足人们生产、生活以及对资源、信息更高需求的综合平台，管理跨组织、跨管理域的各种资源和异构设备，为上层应用提供全面的资源共享接口，实现分布式资源的有效集成，提供各种数据的智能计算、信息的及时共享以及决策的辅助分析等。,图 物联网,2.1 物联网体系结构概述,2.1.1 意义和功能,无线传感网,无线传感器网络的相关技术可以作为物联网开发的基础,互联网,互联网连接的是虚拟世界，而物联网则是实现物理世界的互联互通,2.1 物联网体系结构概述,2.1.1 意义和功能,图 物联网的三层结构,异构屏蔽性,互联互通,安全性
4、,2.1 物联网体系结构概述,2.1.2 设计原则,以“用户为中心”,时空性,互联互通,开放性,可管理性,安全性,鲁棒性,2.1 物联网体系结构,2.1.1 组成模块,图 USN结构,2.1 物联网体系结构,2.1.1 组成模块,图 物联网体系结构,2.2 物联网体系结构,2.2.1 组成模块,感知控制层,数据传输层,数据的动态组织与管理层,应用决策层,数据的实时采集,信息的有效传递,信息的智能化处理,2.2 物联网体系结构,2.2.2 感知控制层,传感技术,传感器是将能感受到的及规定的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。,标识技术,标识技术是通过
5、RFID、条形码等设备所感知到的目标外在特征信息 来证实和判断目标本质的技术来。,定位技术,定位技术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，它利用信息化手段来得知某一用户或者物体的具体位置。,2.2 物联网体系结构,2.2.2 感知控制层,图 定位技术,2.2 物联网体系结构,2.2.3 数据传输层,图 数据传输技术,短距离通信技术,广域网通信技术,2.2 物联网体系结构,2.2.3 数据的动态组织与管理,图 云计算架构,2.2 物联网体系结构,2.2.4 数据的动态组织与管理,智能计算技术,海量数据的存储,服务计算,2.2 物联网体系结构,2.2.5 应用决策,监控型应用,
6、图 基于RFID的物流跟踪,2.2 物联网体系结构,2.2.5 应用决策,控制型应用,图 智能交通,2.2 物联网体系结构,2.2.5 应用决策,扫描型应用,图 手机钱包,2.3 物联网关键技术,图 物联网关键技术,2.3 物联网关键技术,2.3.1 感知标识技术,图 感知设备,2.3 物联网关键技术,2.3.1 感知标识技术,传感器,无线传感网,标识技术,定位技术,2.3 物联网关键技术,2.3.2 网络与通信技术,接入网技术,通信技术,三网融合技术,2.3 物联网关键技术,2.3.3 云计算技术,PaaS,IaaS,SaaS,2.3 物联网关键技术,2.3.4 安全技术,从安全技术角度来看
7、，相关技术包括以确保使用者身份安全为核心的认证技术，确保安全传输的密钥建立及分发机制，以及确保数据自身安全的数据加密、数据安全协议等数据安全技术。因此，在物联网安全领域，数据安全协议、密钥建立及分发机制、数据加密算法设计以及认证技术是关键的部分。,2.4 已有架构,2.4.1 无线传感网,图 WSN,2.4 已有架构,2.4.1 无线传感网,图 WSN体系结构,2.4 已有架构,2.4.2 EPC/UID,图 EPC的组成,2.4 已有架构,2.4.2 EPC/UID,图 EPC,2.4 已有架构,2.4.3 CPS,图 CPS,2.4 已有架构,2.4.4 M2M,图 M2M,2.5 物联网
8、的反馈与控制,2.5.1自动控制的基本原理与方式,自动控制的概念及应用,反馈控制原理,反馈控制系统的基本组成,自动控制系统的基本控制方式,自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的程序运行。,自动控制的概念及应用,2.5 物联网的反馈与控制,自动控制的基本原理与方式,反馈控制定义,反馈把取出输出量送回到输入端，并与输入信号相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。分为负反馈和正反馈。 反馈控制就是采用负反馈并利用偏差进行控制的过程，而且，由于引入了被控量的反馈信息，整个控制过
9、程成为闭合过程，因此反馈控制也称闭环控制。,反馈控制原理,反馈控制系统组成,测量元件：检测被控制的物理量，并将其转换为电量。 给定元件：给出与期望的被控量相对应的系统输入量。 比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差。 放大元件：将比较元件给出的偏差信号进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象。 执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化。 校正元件：也叫补偿元件，用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能。,自动控制系统的基本控制方式反馈控制方式,方式：按偏差进行控制。 特点：减小或消除这个偏差 作用：具有抑制任何内、外扰动对被控量产
10、生影响的能力，有较高的控制精度。 问题：系统使用的元件多、结构复杂，设计 麻烦。,自动控制系统的基本控制方式开环控制方式,方式：是指控制装置与被控对象之间只有顺向作 用而没有反向联系的控制过程。 特点：是系统的输出量不会对系统的控制作用发 生影响。设计简单。 作用：可以按给定量控制，也可以按扰动控制。 缺点：按扰动控制方式只适合扰动可测的场合， 且一个补偿能力单一。,自动控制系统的基本控制方式复合控制方式,方式：把两者结合起来，对主要扰动采用适当补偿的装置实现按扰动控制，同时再组成反馈控制系统实现按偏差控制，以消除其余扰动产生的偏差。 特点：系统的主要扰动已被补偿，反馈控制系统就比较容易被设计
11、，控制效果也会更好。,2.5 物联网的反馈与控制,2.5.2 物联网系统的控制论解析,2.5.3物联网的控制特性,2.5.4控制理论在物联网中的应用前景,物联网系统的控制论解析,物联网中的“感、智、控”分别构成了物联网控制系统的测量、比较、执行等三大部件，这三大部件又在“联”这种网络平台上得以相互作用，形成了“控制系统”，最终实现了“控”的目的。,联,物联网的控制特性,鲁棒性 保安性 可信性 时延性,控制理论在物联网中的应用前景,物联网的控制系统一定是一个计算机参与的离散控制系统，将离散控制理论的分析方法引入物联网系统的分析、研究和设计过程中，能够使这一过程更加科学、合理，对系统的各种性能将有
12、一个更准确的判断，同时也便于进行仿真分析。,第三章 传感器技术,3.1 传感器概述,3.3 传感器技术原理,3.4 常见传感器介绍,3.2 传感器分类,3.5 本章小结,3.1 传感器概述,3.1.1 传感器的功能,物理世界的“感觉器官”,从狭义角度来看，传感器是一种将测量信号转换 成电信号的变换器,从广义角度来看，传感器是指在电子检测控制设 备输入部分中起检测信号作用的器件,3.1 传感器概述,3.1.1 传感器的功能,3.1 传感器概述,3.1.2 传感器的特性,线性度,传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度,3.1 传感器概述,3.1.2 传感器的特性,灵敏度,灵敏度
13、是传感器静态特性的一个重要指标，其定义是输出量增量y与引起输出量增量y的相应输入量的增量x之比。用S表示灵敏度，即：,3.1 传感器概述,3.1.2 传感器的特性,迟滞,传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出/输入特性曲线不重合的现象称为迟滞,3.1 传感器概述,3.1.2 传感器的特性,重复性,重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得特性曲线不一致的程度,3.1 传感器概述,3.1.3 传感器的发展趋势,微型化,智能化,多样化,网络化,集成化,新型材料,高精度、高可靠,3.1 传感器概述,3.1.3 传感器的发展趋势,3.1 传感器概述,3.1.3 传感
14、器的应用领域,工业检测和自动化控制系统,智能家居,环境保护,医疗,航空航天,智能机器人,3.2 传感器的分类,3.2.1 根据测试对象,温度传感器,湿度传感器,压力传感器,位移传感器,加速度传感器,3.2 传感器的分类,3.2.2 根据原理,电学式传感器,磁性式传感器,电势型传感器,光电式传感器,电荷传感器,半导体传感器,谐振式传感器,电化学式传感器,3.2 传感器的分类,3.2.3 根据输出信号,模拟式传感器,数字式式传感器,3.2 传感器的分类,3.2.4 根据能量,有源传感器,无源传感器,3.2 传感器的分类,3.3 传感器的技术原理,3.3.1 电阻应变式传感器,3.3 传感器的技术原
15、理,3.3.1 电阻应变式传感器,3.3 传感器的技术原理,3.3.1 电阻应变式传感器,应变片电阻值,绝缘电阻,应变片的灵敏系数,机械滞后,零漂和蠕变,极限,横向效应,3.3 传感器的技术原理,3.3.1 电阻应变式传感器,3.3 传感器的技术原理,3.3.2 电感式传感器,自感传感器的基本工作原理演示, 气隙变小，电感变大，电流变小,3.3 传感器的技术原理,3.3.2 电感式传感器,3.3 传感器的技术原理,3.3.2 电感式传感器,对于变隙式传感器, 因为气隙很小, 所以可以认为气隙中的磁场是均匀的。若忽略磁路磁损, 则磁路总磁阻：,式中： Li 各段导磁体的长度； i各段导磁体的导磁
16、率； Si 铁芯材料的截面积； 气隙的厚度； 0 空气的导磁率； S 空气隙的截面积；,3.3.2 电感式传感器,自感传感器分为三种类型：,a）变间隙式,b）S变面积式,c）螺管式,磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而变化,3.3.2 电感式传感器,差动变压器式传感器,差动变压器式传感器是把被测位移量转换为一次线圈与二次线圈间的互感量M的变化的装置。当一次线圈接入激励电源之后，二次线圈就将产生感应电动势，当两者间的互感量变化时，感应电动势也相应变化。由于两个二次线圈采用差动接法，故称为差动变压器。,结构特点： 两个二次线圈反向串联，组成差动输出形式。,二次线圈,二次线圈,一次线圈,铁心,3.3.2 电感式传感器,工作原理,3.3.2 电感式传感器,电涡流式传感器,
