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1、物联网技术及应用,主讲 徐颖秦 江南大学 物联网工程学院,2012.9,引言,从新世纪初，物联网就已经悄悄地进入了人们的视野，并在各行各业“初露锋芒”。从射频识别RFID到传感网技术、从移动通信到网络通信、从“智慧地球”到“感知中国”、从“E-社会”到“U-社会”、从“人-人相通”到“物-物相联”，构成了物联网的基本框架。目前，国内外、各行业对物联网高度重视，并把它作为技术发展的新引擎、开启智慧大门的金钥匙。,其实物联网并不是一门新兴的技术，而是一种将现有的、遍布各处的传感设备和网络设施联为一体的应用模式，是感知、信息、控制、云计算等多学科的渗透与融合，是一个在近几年形成并迅速发展的新概念，被
2、称为继计算机、互联网之后，信息产业的一次新浪潮。物联网作为一个新生事物，正在向我们“袭来”，开发应用前景巨大。虽然，现在人们视乎还没有感觉到它的存在，但是，这个被美国总统奥巴马称为“智慧地球”，被温家宝总理叫做“感知中国”的新事物，实际上已经应用于多个领域。,本教材基本内容简介,第1章 物联网概述,本章从物联网概念的提出及演进过程入手，主要介绍物联网的基本概念、基本内涵及基本特性，物联网与互联网、通信网及传感网的关系，物联网的体系结构和关键技术以及国内外物联网的发展现状。,背景一：十五年周期定律,IBM前CEO(首席执行官)郭士纳总结了一个重要的观点：计算模式每隔15年发生一次变革。 1965
3、年前后发生的变革以大型机为标志， 1980年前后以PC个人计算机的普及为标志， 1995年前后则发生了互联网革命。 每一次这样的技术变革都引起企业间、产业间甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化。而互联网革命一定程度上是由美国“信息高速公路”战略所催熟。 2010年前后物联网？,背景二：“智慧地球”“感知中国”,2008年美国奥巴马政府提出了 “智慧地球”概念。 2009年8月7日，温家宝总理在无锡提出尽快建立中国的传感信息中心,即 “感知中国”中心。 支撑“智慧地球”和“感知中国”战略的关键技术是 “物联网IoT（Internet of Things ）” 技术。,1995年，微软之父比尔.盖茨
4、在未来之路一书中首次提出IoT: Internet of Things(物联网），设计出了“物物”相联的IoT雏形。 1998年麻省理工学院提出了“物联网”的构想。 1999年,射频识别RFID（Radio Frequency Identification）国际标准化组织EPC global联合100多家世界知名企业成立IoT产业联盟，并正式提出了物联网概念。 EPC global前身麻省理工学院的自动识别中心（Auto-ID）对IoT的构想:,物品上装置带有智能芯片的电子标签，存储代表系统特征的EPC（产品电子码）通过读卡器完成标签数据的自动采集通过与互联网联合提供对应该EPC的物品信息。,
5、物联网提出与演进,1.1 物联网的概念及演进,2005年,国际电信联盟(ITU)发布 The Internet of Things 的技术报告（见图），正式提出了“物联网”的基本概念，指出物联网将囊括所有物品的联网及应用。包括： “物联网”是信息和通信技术中的新维度4A 即：From anytime, anyplace connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything 射频识别技术（RFID）技术、传感器技术和嵌入式智能技术是物联网的基础使能性技术 世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主
6、动进行交换；RFID、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将得到广泛的应用。,1.1 物联网的概念及演进,2008年IBM基于物联网提出了“智慧地球”的概念，奥巴马政府将其作为刺激经济复苏的核心环节上升为国家战略，并预测今后10年，世界上物联网的业务将达到互联网的30倍。至此，日、韩、欧盟、新加坡、台湾等地都着手“智慧城市”的研究和部署。 2009年温家宝总理适时提出，要“尽快建立感知中国中心”, “要着力突破传感网、物联网关键技术”，“尽快占领物联网技术的制高点”。 温总理的号召开启了中国全面关注和研究物联网的序幕，从此全国各地纷纷创建“感知城市”的各类示范工程，为打造百姓智慧生活而努力。,1
7、.1 物联网的概念及演进,对IoT概念的三种理解,理解一、IoT是指通过装置在物体上的各种信息传感设备，如射频识别装置、智能传感器、红外感应器、全球定位系统GPS、激光扫描器等，按照约定的协议，并通过相应的接口，把物品与互联网相连，进行信息交换和通信，从而实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种巨大网络。（目前大多数人认同的泛在网） 理解二、IoT是互联网的延伸和扩展，是在计算机互联网的基础上，利用RFID技术、无线传感技术、无线通线技术等构造一个无所不在的网络。其实质就是利用智能化的终端技术，通过计算机互联网实现全球物品的自动识别，达到信息的互联与实时共享。（物联网） 理解三、IoT是随
8、机分布的，集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线传感网络。其实质是借助于节点中内置的智能传感器，探测温度、湿度、噪声等表征物体特征的实时参数。 （传感网）,IoT概念的实质 通过嵌入在物品和设施中的传感和数据采集设备，将现实的物质世界极大程度地数字化 通过对每一件物品的识别和通讯，将数据化的虚拟事物联入网络 利用信息技术对数据进行整理、加工和分析 根据数据处理和分析的结果，对物品作出管理和监控 是多个闭环组成的识别、处理和控制系统,对IoT概念的理解,因此，从用户实体角度来看，物联网就是“物-物”相联、 “物-人-信息-社会”相通、无处不在的智能化泛在网。
9、从技术角度来看，物联网就是：IT (Intelligent terminal)+3C（Computer, Communication, Control）+Internet”的多技术渗透融合网。,IoT的泛在性三个维度,IoT将物理世界和信息世界相联接,从Internet到IoT,2009,传感网是信息感知网，是“物-物”互联； 通信网和互联网是信息传输和共享络，是“人-人”互联； 物联网则是传感网、通信网和互联网的渗透与融合，是“物-人”互联。 “泛在网”则是指无处不在的社会网，包括现在和未来所有网络的互联、互通和共融 “智慧地球”的核心就是“更透彻的感知、更全面的互联、互通和更深入的智慧化”
10、 泛在网和智慧地球的核心就是物联网。,“五网”传感网、通信网、互联网、物联网、泛在网的关系,“五网”传感网、通信网、互联网、物联网、泛在网的关系,1.2 物联网的体系结构,感知层，即全面的信息感知。主要解决人类世界和物理世界的数据获取和入网问题，是物联网的最底层。,网络层，即可靠传输和智能处理，主要解决数据在一定范围内（通常是长距离）的传输问题,应用层，即各行各业的应用平台，主要解决信息处理和人机界面的问题，是物联网的远程终端层。分为两个子层：一个是应用程序（软件）层，主要进行数据处理；另一个是终端设备层，提供人机界面。,1.3 物联网的关键技术,物联网关键技术可以归纳为4类： 感知和识别技术
11、 融合和接入技术 网络与通信技术 智能处理技术,1.3.1 感知与识别技术,（1）传感器（Sensor） 物联网的“神经元”,感知和识别技术是物联网的信息源头，主要是指对各类物体的识别和信息的获取技术。 利用多种传感器、RFID、条形码、摄像头、智能设备等来全面感知物体的各种信息。 具有节点数量多、成本低、计算能力弱等特点。,1.3.1 感知与识别技术,（2）条形码 是一组灰白相间条纹的数据载体标签。条形码是商品通行于国际市场的“共同语言”，是商品进入国际市场和超市的通行证。,类型： 一维条形码：只在一个方向（一般是水平方向）表达信息，而在垂直方向则不表达任何信息，其一定的高度通常是为了便于阅
12、读器的对准。特点是信息录入快，差错率低，但数据容量较小，条形码遭到损坏后便不能阅读。 二维条形码：在水平和垂直方向的二维空间存储信息。其特点是信息密度高、容量大，不仅能防止错误，而且能纠正错误，即使条形码部分损坏，也能将正确的信息还原出来，适用于多种阅读设备进行阅读。 三维条码：是在二维条码的基础上，加入色彩或者灰度作为第三维，得到不同灰度或者具有不同色彩的三维条码。,标识图,商品条形码的编码遵循全球唯一性原则，以保证商品条形码在全世界范围内不重复，即一个商品项目只能有一个代码，或者说一个代码只能标识一种商品项目。不同规格、不同包装、不同品种、不同价格、不同颜色的商品只能使用不同的商品代码。条
13、形码技术广泛用于商业、图书、邮政、仓库、工业、农业、交通等多个领域，在当今自动识别技术中仍占有重要地位。,1.3.1 感知与识别技术,（3）RFID RFID是20世纪90年代开始兴起的一种自动识别技术 组成：由“标签（射频卡）+阅读器+天线”组成。 原理：利用无线射频信号通过空间交变电磁场耦合原理，实现非接触、双向通信和信息自动识别。俗称电子标签。 作用：RFID技术解决了有些条件下条码等其它自动识别技术无法使用的定位、标识和自动识别问题，并开拓了许多新的应用领域。,1.3.2 网络与传输技术,定义：网络传输技术主要是指各种信息与互联网的组网、融合、传输和接入技术。包括移动3G、Intern
14、et 、Wi-Fi、ZigBee、蓝牙技术、异构互联、协同技术、M2M等。 类型：有线网络及无线网络。 有线网络：包括互联网、有线电话网（电信网）、有线电视网、现场总线网等。其中： 互联网、电信网、电视网逐渐走向“三网融合” ； 现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种基于3C（Computer，Communication，Control）技术的双向数字传输总线，主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。,无线网络：根据不同的应用有多种，如手机/GPRS/GSM网络、Wi-Fi、ZigBee、蓝牙、超
15、宽带UWB等,表1.3 无线通信网络比较,1.3.3 无线传感网技术,无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network），简称无线传感网，是由一个个体积非常小巧的微型传感器节点组成的数据采集网络，这些节点可以感受各自周围环境的参数变化，如温度的高低、湿度的大小、压力的增减、噪声的升降等，而且每一个节点都是一个可以进行快速运算的微型计算机，它们将传感器收集到的信息转化成为数字信号，进行编码，然后通过节点与节点之间自行建立的无线网络发送给具有更大处理能力的服务器。,1.3.4 智能处理技术,定义：智能处理技术就是利用人工智能、嵌入式系统、云计算等智能技术，完成各种智能计算、海量
16、数据处理和智能化控制等功能。,人工智能：是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的技术。 嵌入式系统：是以提高体系智能性、控制力和人机交互能力为目的，嵌入到对象体系中的专用计算机系统。 云计算：是一种海量数据运算体系，其核心思想是将大量用网络连接的计算资源统一管理和调度，构成一个计算资源池向用户按需服务。提供资源的网络被称为“云”。,1.3.5 安全技术,必要性：物联网网络的不断普及，网络攻击手段也不断复杂化、多样化，黑客日益聚焦于混合型攻击，结合各种有害代码来探测和攻击系统漏洞，并使之成为僵尸或跳板，再进一步发动大规模组合攻击。攻击速度超乎想象，纵深防御网络已经不能胜任当前的网络安全状况。因此，用户更需要零距离、多功能的综合保护。 安全性发展要求：基于主动防御理念的安全免疫网络，将成为信息网络发展的趋势。即通过安全设备融合网络功能、网络设备融合安全能力，以及多种安全功能设备的融合，并与网络控制设备进行全网联动，从而有效防御信息网络中的各种安全威胁。 另外，物联网的关键技术还包括各层内部及每层之间
