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1、第三章 物联网的关键技术和相关技术,第三章 目录,3.1 物联网的关键技术及技术难点 3.2 物联网的相关技术 3.3 物联网的感知实现 3.4 现阶段物联网的安全特点及安全模型,第三章 目录,3.1 物联网的关键技术及技术难点 3.2 物联网的相关技术 3.3 物联网的感知实现 3.4 现阶段物联网的安全特点及安全模型,物联网关键技术的提出,2005年，国际电联发表了一份题为物联网的报告,在该报告中指出物联网主要有四个关键性的应用技术：RFID技术，无线传感器网络，智能技术，纳米技术。,3.1.1 RFID技术,定义： 射频识别（Radio Frequency Identification，
2、RFID）是一种应用于信息采集系统的非接触式自动识别技术，它通过无线射频方式自动识别目标对象、获取相关数据信息，实现对RFID标签的信息获取。,RFID技术的发展历程,RFID系统的构成：电子标签+读写器,目前广泛使用的RFID系统主要由存储物品数据信息的电子标签、用于识读及写入标签数据的读写器两部分构成。,电子标签由专用芯片和标签天线或线圈组成，通过电感耦合或电磁反射原理与读写器进行通信。电子标签分为被动标签和主动标签两种，主动标签自身带有电池供电，读写距离较远、体积较大，与被动标签相比成本更高，也称为有源标签；被动标签在阅读器产生的磁场中获取工作所需的能量，成本很低且具有很长的使用寿命，比
3、主动标签更小、更轻，读写距离则较近，也称为无源标签。一般来说，无源标签是取代条形码标签的主要发展方向，有源标签则因为其长距离识别的优势，主要应用于大型的高速运动物体标识的识别，如机动车的跟踪和识别，动物或人类身份的跟踪和识别。,被动电子标签的内部结构,电子标签内的专用芯片由高速的射频接口、控制单元、EEPROM三个模块组成，其中的EEPROM用来存储识别码（EPC）或其它数据，控制单元用来控制数据的接收与发送，芯片外围连接电感线圈（主动电子标签连接天线和电池）。,标签天线,在电子标签和读写器进行通信的过程中，天线起到了重要的作用，标签天线的性能对提高RFID系统的性能有着重要的意义。近年来，标
4、签天线技术取得了较大的进展，各种新技术和新材料的应用使标签天线的性能得到了较大的提升。 防金属技术 小型化技术 (1)分形天线 (2)偶极子天线 (3)倒F天线 材料技术,标签天线的发展方向,低成本 构造低成本电子标签的关键在于降低天线的成本。随着信息技术的进一步发展和应用领域的扩大，标签天线的成本还有望大幅降低。 一体集成化 将标签天线和标签芯片集成在一起，成为了标签天线技术发展的主要趋势之一。 智能化 OMRON开发了一种新型的天线技术，可以直接控制读写器发射出来的电磁波束的方向，这样就可以避开环境或阻挡物的影响，以达到最好的效果。近年来，电子标签智能天线的研究也日渐受到重视。,典型的读写
5、器工作原理,物联网Savant系统通过应用软件发送数据接收指令给读写器的控制模块，控制模块向广播接口发出数据接收请求，广播接口通过读写器的天线向电子标签发送数据接收指令，电子标签在接到指令后，发送数据给读写器，通过读写器的天线将数据传送给广播接口，继而广播接口将数据传送给控制模块，最终由控制模块将数据发送给物联网Savant系统中的应用软件，在Savant中进行各种数据处理操作。,RFID系统的工作原理,RFID技术的技术难点和发展瓶颈,RFID技术的技术难点 (1)RFID识别准确度问题 (2)RFID天线研究 (3)工作频率的选择 (4)安全与隐私问题 RFID技术的发展瓶颈 (1)企业技
6、术研发水平薄弱 (2)过高的标签成本限制了RFID应用范围的扩大 (3)推广中困难重重 (4)缺乏国家标准 (5)行业人才匮乏,3.1.2无线传感器网络,1.1.2 visualSTATE事件处理机制,概述： 近年来，随着微电子和微系统（MEMS）、无线通信、信号处理这三个技术领域的飞速发展，一个新的研究领域成为国内外关注的热点，这就是基于大量具有通信功能的微型无线传感器构造的无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）。WSN具有极其广泛的应用，例如感知战场状态（军事应用）、环境监控（气候、地理、污染变化的监控）、物理安全监控、城市道路交通监控、安全场所的视频监控
7、等。在前一章中我们初步了解了传感器网络的概念及结构，本节将详细描述无线传感器网络技术。,RFID与WSN的融合,在物联网的关键技术中，RFID技术和WSN各有侧重且优势互补。RFID侧重于识别，能够实现对目标的标识和管理，同时RFID系统具有读写距离有限、抗干扰性差、实现成本较高的不足；WSN侧重于组网，实现数据的传递，具有部署简单，实现成本低廉等优点，但一般WSN并不具有节点标识功能。RFID与WSN的结合存在很大的契机。RFID与WSN可以在两个不同的层面进行融合： 物联网架构下RFID与WSN的融合 传感器网络架构下RFID与WSN的融合 (1)智能基站 (2)智能节点 (3)智能传感标
8、签,物联网架构下RFID与WSN的融合,传感器网络架构下RFID与WSN的融合 (1)智能基站,传感器网络架构下RFID与WSN的融合 (2)智能节点,传感器网络架构下RFID与WSN的融合 (3)智能传感标签,无线传感器网络的组网结构,平面拓扑结构,无线传感器网络的组网结构,逻辑分层结构,传感器网络节点的基本组成,传感器网络节点的基本组成包括如下几个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括处理器、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线网络、MAC和收发器组成)以及能量单元。此外，可以选择的其他功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。,无线传感器
9、网络的数据融合技术,在大规模无线传感器网络中，使各个节点多跳传输感测数据到Sink节点前，使用数据融合技术对数据进行融合处理是非常有必要的。目前，无线传感器网络的数据融合技术主要使用以下两种算法实现。 集中式数据融合算法 (1)分簇模型的LEACH算法 (2)分簇模型的PEGASIS算法 分布式数据融合算法 (1)规则网络情况下的分布式数据融合算法 (2)不规则网络情况下的分布式数据融合算法,3.1.3 智能技术,概述： 智能技术是为了有效地达到某种预期的目的,利用知识所采用的各种方法和手段。通过在物体中植入智能系统,可以使得物体具备一定的智能性,能够主动或被动的实现物体与用户的沟通。在目前的
10、技术水平下，智能技术主要是通过嵌入式技术实现的，智能系统也主要是由一个或多个嵌入式系统组成的。,嵌入式系统组成,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，它以应用为中心，以计算机技术为基础,而且软硬件可以裁剪,因而是能够满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统具有高度自动化、可靠性高等特点，它主要由硬件和软件两部分组成。嵌入式系统的硬件主要包括嵌入式核心芯片、存储器、I/O端口等；嵌入式系统软件由嵌入式操作系统和相应的各种应用程序构成，有时把这两者结合起来，应用程序控制着系统的运作和行为，而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作
11、用。,智能技术存在的技术难点,人工智能理论研究 先进的人-机交互技术与系统 智能控制技术与系统 智能信号处理,3.1.4纳米技术,概述： 纳米技术不是物联网的专有技术。目前，纳米技术在物联网技术中的应用主要体现在RFID设备的微小化设计、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0.1-100nm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，主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米科学的理论基础，而纳米电子学是纳米科学最重要的内容，纳米电子技术也是纳
12、米技术的核心。,纳米电子技术,纳米电子技术的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，它是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的一门基础研究与应用探索紧密联系的新型科学技术，是纳米技术与电子技术结合的产物。纳米电子产品包括了纳米电子材料，如纳米半导体陶瓷材料、纳米硅材料和现在很热门的纳米硅薄膜材料等；纳米电子器件，比如集成电路、MEMS技术、纳米导线和微探头等。 为了能够制造出更低功率消耗、更低成本、更小尺寸、更加稳定和性能更好的半导体芯片，将电子器件逼近到纳米器件的领域，于是纳米电子技术应运而生，从而解决了微电子技术的问题。纳米电子器件不仅仅是微电子器件尺寸的进一步减小，更重要的
13、是它们的工作将依赖于器件的量子特性，所以也称为量子器件。它主要是通过控制电子波的相位来实现某种功能，因此量子器件具有更高的响应速度和更低的功耗，将从根本上解决日益严重的功耗问题。,纳米技术存在的问题,种种迹象已经表明纳米物质具有与常规物质完全不同的毒性，在人类健康、生态环境、可持续发展等方面会引发诸多问题。所以，提高纳米技术的安全性，对纳米技术研究提出了新的挑战。,思考题,RFID技术可识别高速运动的物体并可同时识别多个标签，其中的速度限制和标签数量限制分别为多少？ 你能举出多少RFID技术在当今现实生活中应用的例子？ 传感器是机器感知物质世界的“感觉器官”，你了解哪些传感器，它们的性能如何？
14、 什么是多跳网络？ 你能想到哪些已经应用或适合应用无线传感器网络的领域？设想一下无线传感器网络在某一领域的应用。,第三章 目录,3.1 物联网的关键技术及技术难点 3.2 物联网的相关技术 3.3 物联网的感知实现 3.4 现阶段物联网的安全特点及安全模型,3.2.1 ZigBee技术,概述： 无线传感器网络是物联网的关键技术之一，而ZigBee技术则是无线传感器网络的热门技术。ZigBee是一种低数据传输速率的短距离无线通信技术，其出发点是希望发展一种拓展性强，容易布建的低成本无线网络，强调低功耗、双向传输和感应功能等特色。 2002年由英国Invensys公司、日本三菱电气、美国摩托罗拉公
15、司宣布组成ZigBee技术联盟，共同研发ZigBee技术。IEEE也于2003年制定了针对ZigBee技术的IEEE 802.15.4-2003无线规范，定义了一种新的无线设备的物理层和MAC层，并致力于开发一种可以应用在固定或移动设备上的低成本、低功耗、低速率的无线连接技术。,1.1.2 visualSTATE事件处理机制,ZigBee协议,ZigBee协议自下而上包括物理层、MAC层、网络层、安全层和应用层。其中，物理层和MAC层由IEEE 802.15.4定义，网络层、应用层和安全服务由ZigBee联盟定义。 IEEE 802.15.4物理层 IEEE 802.15.4 MAC层 Zig
16、Bee应用层,ZigBee技术强大的组网能力,网状型拓扑结构的网络具有强大的功能，可以通过“多级跳”的方式来通信，还可以组成极为复杂的网络，而且这种网络还具备自组织、自愈功能；星型和树型网络适合多点、距离相对较近的应用。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料，而且每一个ZigBee网络节点还可在自己信号覆盖的范围内。,ZigBee技术强大的组网能力,3.2.2 IPV6技术,物联网丰富的应用和庞大的节点规模既带来了商业上的巨大潜力，同时也带来了技术上的挑战，使物联网陷入如下网络困境： 物联网由众多的节点连接构成，无论是采用自组织方式，还是采用现有的公众网进行连接，这些节点之间的通信必然牵涉到寻址问题。 目前互联网的移动性不足也造成了物联网移动能力的瓶颈。 网络质量保证也是物联网发展过程中必须解决的问题。 物联网节点的安全性和可靠性也需要重新考虑。,基于IPv6技术的物联网技术解决方案,为了走出物联网的各种网络困境，提出了基于IPv6技术的物联网技术解决方案，该方案包括： IPv6地址技术 IPv6移动性技术 IPv6服务质量技术
