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1、第3章 物联网典型应用随着2009年初美国在IBM引入美国国家战略，在全球掀起了一阵阵物联网热浪。欧盟、日本、韩国、中国等纷纷跟进，将物联网作为各自信息产业领域的国家级战略，物联网也有望成为继计算机、互联网之后的世界信息产业的第三次浪潮。那么，物联网的主要应用包括什么，将给人们的生产、生活带来怎样的影响？本章将一一呈现。第3章 物联网典型应用3.1 智能电网3.2 智能交通3.3 智慧物流3.4 精细农业3.5 公共安全3.6 智慧医疗3.7 智能环保3.8 智能家居本章小结3.1 智能电网3.1.1 智能电网概述3.1.2 智能电网系统与技术需求3.1.3 智能电网应用与市场预期3.1.1
2、智能电网概述智能电网的一个重要内容就是大力支持可再生能源的接入，这与中国整个电力能源结构的调整目标相一致，可以加快风电、光伏发电等绿色能源发电及其并网技术研究，规范新能源的并网接入和运行，实现新能源和电网的和谐发展。智能电网能容忍对电网多个部分的同时攻击，以及可能出现的多方面、交联、较长时间的攻击。电网的安全协议包括阻止、预防、检测、响应等，将电网和经济的影响最小化。3.1.1 智能电网概述随着电网规模的日益增大，电网的运行与控制的复杂程度越来越高，对实现电能安全传输和可靠供应提出了更大的挑战，这要求我们从经济高效以及安全可靠性方面都要进行考虑。经济方面，优化资源配置，提高设备传输容量和利用率
3、；在不同区域间进行及时调度，平衡电力供应缺口；支持电力市场竞争的要求，实行动态的浮动电价制度，实现整个电力系统优化运行。安全可靠性方面，更好地对人为或自然发生的扰动做出辨识与反应。在自然灾害、外力破坏和计算机攻击等不同情况下，保证人身、设备和电网的安全。3.1.2 智能电网系统与技术需求(1)感知互动层(2)网络传输层(3)应用服务层1.发电与储能2.智能输电3.智能变电4.配电自动化5.智能用电(1)感知互动层n感知互动层主要通过无线传感网络、RFID、全球定位系统等信息传感终端，实现对智能电网各应用环节相关信息的采集，包括传感器等数据采集设备以及数据接入到网关之前的传感器网络，例如RFID
4、标签和用来识别RFID信息的扫描仪、视频采集的摄像头、各种传感器以及由短距离传输技术组成的无线传感网。n电力物联网感知互动层以传感网和通信网的结合为切入点，通过异构网络实现协同工作以形成可管理的感知网。感知互动层可进一步划分为两个子层，首先是通过传感器、智能视频识别等设备采集数据，然后通过RFID、工业现场总线、微功率无线、红外等短距离传输技术传输数据。感知互动层是电力物联网发展和应用的基础，RFID技术、感知和控制技术、短距离无线通信技术是感知互动层涉及的主要技术，其中又包括芯片、通信协议、RFID材料、智能节点等细分领域。n目前，感知互动层的无线传感网技术标准众多，但电力物联网的标准和规范
5、较少，一方面是由于物联网技术在电力系统中的应用刚起步，尚处于探索阶段；另一方面，物联网设备在强电磁环境下应用的可行性以及对电力设备的潜在影响需进行严格论证和验证。(2)网络传输层n网络传输层以电力光纤网、电力无线专用网为主，辅以电力线载波通信网、无线通信公网，实现感知互动层各类电力系统信息的广域或局部范围内的信息传输。这些数据可以通过电力专网、电信运营通信网、国际互联网、小型局域网等网络传输，实现有线与无线的结合、宽带与窄带的结合、感知网与通信网的结合。n网络传输层中的感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的物联网的核心技术。感知数据管理与处理技术包括传感网数据的存储、查询、分析以及基于感知
6、数据决策和行为的理论和技术。云计算平台作为海量感知数据的存储、分析平台，将是物联网传输层的重要组成部分，也是应用服务层众多应用的基础。(3)应用服务层n应用服务层主要采用数据挖掘、智能计算、模式识别以及云计算等技术，协同各系统共同运作，实现电网海量信息的综合分析和处理，实现智能化的决策、控制和服务，从而提升电网各个应用环节的智能化水平。n应用服务层解决的是信息处理和人机界面的问题，由网络传输层传输而来的数据在这一层里进入各类信息系统进行处理。应用服务层也可以按照形态直观地划分为两个子层，一个是应用程序层，进行数据处理；另一个是终端设备层，提供人机界面。1.发电与储能图3-1 电力物联网的应用服
7、务架构2.智能输电n输电环节是智能电网中一个极为重要的环节，虽然已经开展大量研究和示范工作，但依然存在许多问题，主要有：电网结构仍然薄弱，设备装备水平和健康水平仍不能满足建设坚强电网的要求；设备检修方式较为落后；系统化的设备状态评价工作刚刚起步。n因此，在输电可靠性、设备检修模式以及设备状态自动诊断技术上，和国际水平相比还存在一定的差距。在智能电网的输电环节中有许多应用需求亟待得到满足，需要结合物联网的相关技术，提高智能电网中输电环节各方面的技术水平。2.智能输电n电网技术改造工作将持续开展，改造范围包括线路、杆塔和电容器等重要一次设备，保护、安稳和通信等二次设备，以及营销和信息系统等。可以结
8、合物联网技术，提高一次设备的感知能力，并很好地结合二次设备，实现联合处理、数据传输、综合判断等功能，提高电网的技术水平和智能化程度。n输电线路状态检测是输电环节的重要应用，主要包括雷电定位和预警、输电线路气象环境监测与预警、输电线路覆冰监测与预警、输电线路在线增容、导地线微风振动监测、导线温度与弧垂监测、输电线路风偏在线监测与预警、输电线路图像与视频监控、输电线路运行故障定位及性质判断、绝缘子污秽监测与预警、杆塔倾斜在线监测与预警等方面。n这些方面都需要物联网技术的支持，包括传感器技术、分析技术和通信技术等。利用物联网技术加强这些高级应用，可以进一步提高输电环节的智能化水平和可靠性程度。3.智
9、能变电n变电环节也是智能电网中一个十分重要的环节，目前已经开展了许多相关的工作，包括全面规范开展设备状态检修，全面开展资产全寿命管理工作研究，全面开展变电站综合自动化建设。n变电环节存在的问题主要有：设备装备水平和健康水平仍不能满足建设坚强电网的要求；变电站自动化技术尚不成熟；智能化变电站技术、运行和管理系统尚不完善；设备检修方式较为落后；系统化的设备状态评价工作刚刚起步。n中国电网变电环节的自动化和数字化水平、设备检修模式以及设备状态自动诊断技术和国际水平相比还存在一定的差距。在变电环节中有许多应用需求亟待得到满足，需要结合物联网的相关技术，提高电网变电环节各方面的技术水平。3.智能变电n设
10、备状态检修工作正在全面推进。以110kV及以上电压等级变压器、断路器设备为重点，设备检修工作逐步过渡到以状态检修为主的管理模式。需要物联网技术将重要设备的状态通过传感器感知到管理中心，实现对重要设备状态的实时监测和预警，提前做好设备更换、检修、故障预判等工作。n智能化变电站的建设也需要全面推进。近年来，随着数字化技术的不断进步和IEC61850标准在国内的推广应用，变电站综合自动化的程度也越来越高。将物联网技术应用于变电站的数字化建设，可以提高环境监控、设备资产管理、设备检测、安全防护等应用水平。4.配电自动化配电自动化系统，又称配电管理系统，通过对配电的集中监测、优化运行控制与管理，达到高可
11、靠性、高质量供电，降低损耗和提供优质服务的目标。电力设备的状态检修是工业化国家普遍推行的一种科学的设备检修管理策略。长期以来，中国电力设备大多采用传统的计划检修模式，耗费巨大，工效不佳。科学、合理地安排检修，降低检修成本及工作量，保证系统的高可靠性，提高设备有效利用率，是国内电力全行业所面临的困难与挑战。物联网在配电网设备状态监测、预警与检修方面的应用主要包括：对配电网关键设备的环境状态信息、机械状态信息、运行状态信息的感知与监测；配电网设备安全防护预警；对配电网设备故障的诊断评估和配电网设备定位检修等方面。目前，中国配电网设备的检修方式还普遍落后，有必要使用先进的物联网技术实现突破。4.配电
12、自动化由于中国配电网的复杂性和薄弱性，配电网作业监管难度很大，常出现误操作和安全隐患。切实保障配电网现场作业安全高效是智能配电网建设一个急需解决的问题。物联网技术在配电网现场作业监管方面的应用主要包括：身份识别、电子标签与电子工作票、环境信息监测、远程监控等。基于物联网的配电网现场作业管理系统主要用于实现确认对象状态，匹配工作程序和记录操作过程的功能，减少误操作风险和安全隐患，真正实现调度指挥中心与现场作业人员的实时互动。随着电网规模的扩大，输、变、配、用电设备数量及异动量迅速增多且运行情况更加复杂，对巡检工作提出了更多更高的要求，而目前的巡检工作主要还是依靠人力或离线电子设备进行巡视，面对更
13、艰巨的巡检任务，针对巡检人员的监督机制成为生产管理的薄弱环节，需要更加完善的技术手段监督巡检人员确实到达巡检现场并按预定路线进行巡检。同时，由于电网规划、管理、分析、维护系统的高度集成，迫切需要一种更加信息化、智能化的辅助手段以进一步提升巡检工作的效率。5.智能用电n智能用电环节作为智能电网直接面向社会、面向客户的重要环节，是社会各界感知和体验智能电网建设成果的重要载体。n目前，中国的部分电网企业已在智能用电方面开展相关技术研究，并建立了集中抄表、智能用电等智能电网用户侧试点工程，主要包括利用智能表计、交互终端等，提供水电气三表抄收、家庭安全防范、家电控制、用电监测与管理等功能。5.智能用电n
14、但是目前用电环节还存在许多不足，主要有：低压用户用电信息采集建设较为滞后，覆盖率和通信可靠性都不理想；用户与电网灵活互动应用有限；分布式电源并网研究与实践经验较匮乏；用户能效监测管理还未得到真正应用。n随着中国经济社会的快速发展，发展低碳经济、促进节能减排政策的持续深化，电网与用户的双向互动化、供电可靠率与用电效率要求的逐步提高，电能在终端能源消费中的比重不断增大，用户用能模式发生着巨大转变，大量分布式电源、微网、电动汽车充放电系统、大范围应用储能设备接入电网。这些不足将成为制约中国智能电网用电环节的瓶颈，因此，迫切需要研究与之相适应的物联网关键支撑技术，以适应不断扩大的用电需求与不断转变的用
15、电模式。3.1.3 智能电网应用与市场预期n发电的应用主要包括：对大规模新能源，如风能、太阳能、生物质能、海洋能、地热能等可再生能源的发电与并网的监测，对电动汽车和储能设备的运行状态监控。n智能巡检的应用主要包括：巡检人员的定位、设备运行环境和状态信息的感知、辅助状态检修和标准化作业指导等。n智能电网中的变电环节有多种应用和技术改进的需求，结合物联网技术，可以更好地实现各种高级应用，提高变电环节的智能化水平和可靠性程度。物联网也将在变电环节中实现具有较大规模的产业化应用。3.1.3 智能电网应用与市场预期n物联网技术在智能用电环节拥有广泛应用空间，主要有：智能表计及高级量测、智能插座、智能用电
16、交互与智能用电服务；电动汽车及其充电站的管理；绿色数据中心与智能机房；能效监测与管理和电力需求侧管理等。n面向智能电网的物联网应用，应当以实际需求为牵引，凭借技术和标准优势，在智能电网发、输、配、变、用等环节推动广泛应用。通过试点工程的验证示范作用，促进技术和产品的成熟，降低技术风险和商业风险，进而形成大规模、广辐射的应用体系。预计到2015年，全国将有510个面向智能电网应用的物联网应用的智能城市，产业规模达到2000亿元，带动相关产业的规模达到万亿级。3.2 智能交通3.2.1 智能交通概述3.2.2 智能交通系统与技术需求3.2.3 智能交通应用与市场预期3.2.1 智能交通概述n物联网
17、提出以来，一直受到各国军事部门、学术界、工业界的极大关注。它在交通运输方面的应用备受关注，为智能化的交通运输系统建设提供了一种更加系统化的解决方案。智能交通物联网就是将先进的传感、通信和数据处理等物联网技术，应用于车辆、出行者、道路及其相关的管理部门，形成一个安全、畅通和环保的互联智能交通运输系统。n物联网在传统的智能交通系统的基础上，使其智能化水平有质的飞跃，通过感知车辆运行状态、交通基础设施状态、出行者行为等，在更高层次上满足人们交通出行的安全、畅通和环保需求，满足运输智能化、自动化的需求和车辆智能化、安全性和节能减排的需求。3.2.1 智能交通概述n智能交通管理系统摆脱了单纯修路的局限，
18、强调把握交通流背后的信息流，通过优质信息服务实现道路高效使用。智能交通系统作为现代交通运输发展的趋势，在城市交通发展中正扮演着越来越重要的角色。n据初步估计，智能交通系统能够提高路网运行效率，使交通堵塞减少约60%，使现有道路的通行能力提高23倍。通过智能交通控制，平均车速的提高带来了燃料消耗量和排出废气量的减少，汽车油耗也可由此降低15%。如以7000万辆汽车保有量测算，每年可减小约2500万吨汽油的消耗，占了每年成品油进口量的一半以上。同时，交通顺畅将大幅度减少车辆在道路上的停滞时间，使得汽车尾气的排放大大减少，从而改善了空气质量3.2.2 智能交通系统与技术需求1.智能交通信息感知技术2
19、.智能交通信息传输技术3.智能交通信息处理技术1.智能交通信息感知技术(1)磁频感知技术(2)波频感知技术(3)视频采集技术(4)位置感知技术(1)磁频感知技术n基于电磁感应原理，主要有环形线圈传感器和磁力传感器等。它们一般通过粘贴，固定在车道表面，或切割路面安装在路面下。当车辆通过检测区域时，在电磁感应的作用下，交通传感器内的电流会跳跃式上升，当该电流超过指定的阈值时会触发记录仪。该技术可以检测车辆流量、车道占有率以及停车位是否空闲等交通参数。(2)波频感知技术n该技术分为主动式和被动式两种，前者通过检测器向检测区域发射具有一定波长的能量波束，当车辆通过检测区域时，该波束经车辆反射后被检测器
20、接收，然后经过处理分析获得所需的交通参数，该技术的主要设备有微波雷达、超声波检测器、主动式红外检测器等；后者则直接接收通过检测区域的车辆发射的具有一定波长的能量波束，并分析所需的交通参数，包括被动红外线检测器、被动声学检测器等。(3)视频采集技术n该技术是一种将视频图像和模式识别相结合并应用于交通领域的新型采集技术。视频检测系统将视频采集设备采集到的连续模拟图像转换成离散的数字图像后，经软件分析处理得到车牌号码、车型等信息，进而计算出交通流量、车速、车头时距、占有率等交通参数。具有车辆跟踪功能的视频检测系统还可以确认车辆的转向及变车道动作。视频检测器能采集的交通参数最多，采集的图像可重复使用，
21、能为事故管理提供可视图像。(4)位置感知技术n该技术是智能交通物联网感知互动层的核心技术之一，全面精确的交通信息采集需要使用位置感知技术。n智能交通中的位置感知技术目前主要分为两类，一类是基于卫星通信定位，如美国的全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）和中国的北斗定位系统，利用绕地运行的卫星发射基准信号，接收机通过同时接收4颗以上的卫星信号，通过三角测量的方法确定当前位置的经纬度。通过在专门的车辆上部署该接收器，并以一定的时间间隔记录车辆的三维位置坐标（经度坐标、纬度坐标、高度坐标）和时间信息，辅以电子地图数据，可以计算出道路行驶速度等交通数据。(4)位置感知技
22、术n另一类位置感知技术是基于蜂窝网基站，其基本原理是利用移动通信网络的蜂窝结构，通过定位移动终端来获取相应的交通信息。该技术包括两种方法：第一种是利用已知蜂窝基站位置对移动终端进行绝对定位，例如基于电波到达时间、基于电波到达时间差以及A-GPS（AssistedGPS）结合了基站信息和GPS信息对移动终端进行定位的技术；第二种是基于基站切换行为，移动终端在移动过程中会不断切换到新的基站以保证网络通信质量。因此在城市道路上的移动会对应一个稳定的切换序列，通过在基站采集所有用户的切换序列，可计算出交通流信息。2.智能交通信息传输技术智能交通物联网的网络传输层通过泛在的互联功能，实现感知信息高可靠、
23、高安全性传输。智能交通信息传输技术的主要内容包括交通物联网的接入技术、车路通信、车车通信技术等。专用短程通信（Dedicated Short-Range Communication，DSRC）技术是智能交通领域为车辆与道路基础设施间通信而设计的一种专用无线通信技术，是针对固定于车道或路侧单元与装载于移动车辆上的车载单元（电子标签）间通信接口的规范。DSRC通信系统主要包括3个部分：车载单元（On-Board Unit，OBU）、路侧单元（Road-Side Unit，RSU）和通信协议。中国采用的DSRC技术标准工作在ISM5.8GHz频段，下行链路为5.830GHz/5.840GHz，传输速
24、率为500kbit/s，上行链路为5.790GHz/5.800GHz，传输速率为250kbit/s。DSRC技术通过信息的双向传输，将车辆和道路基础设施连接成一个网络，支持点对点、点对多点通信，具有双向、高速、实时性强等特点，广泛地应用于道路收费、车辆事故预警、车载出行信息服务、停2.智能交通信息传输技术除车路通信外，车车通信也是智能交通物联网的重要通信技术。车车间无线通信主要是依赖于移动自组织网络技术（Mobile Ad Hoc Network，MANET），也可称为车车间通信自组织网络（Vehicular Ad Hoc Network，VANET）或车载自组织网络。车车通信在几十到几百米的
25、通信范围内，车辆之间可以直接传递信息，不需要路边通信基础设施的支持。VANET中，所有具备通信能力的车辆构成了通信网络中的移动节点。车辆通过无线接口自动检测通信范围内的车辆，并自动维护网络状态信息。当一个车辆需要传输信息时，将消息传输给根据网络状态确定的下一个车辆，并通过多跳通信的方式将信息传输给更远范围的目标车辆。该技术能够更好地实现车辆之间的信息交互，满足道路上车辆的快速动态变化特性，进而及时地在局部范围内发布重要的交通信息。基于VANET的车车通信系统适应性更强，特别适用于基础设施遭到破坏、交通事故、地震等危机情形的及时通信。车车通信系统的应用主要有紧急信息警示、车辆纵向协调控制、协作驾
26、驶等。目前车车通信的难点集中在VANET网络的实现上，由于驾驶人员不同的驾驶行为和路网对车辆移动的限制，会导致车流密度的不断变化。换道规则和车辆跟驰规则又导致车辆之间相互影响，这些特殊的移动模式给VANET的设计带来了许多挑战。3.智能交通信息处理技术交通信息提取一般依赖于模式识别和统计技术，实现从原始的采集数据（可能是图像、图形、文字和语音等）中提取交通相关参数，如车牌号码、交通状态识别、交通流量等。几种典型的技术包括车牌识别技术和基于蜂窝网络的交通信息提取技术。车牌识别过程通常分为图像采集、图像预处理、车牌定位、字符分割和车牌识别5个部分。首先通过采集摄像头拍摄包含车牌的视频图像，再对图像
27、进行预处理以克服图像干扰和加快处理速度，然后从图像中提取车牌字符部分，将车牌上的字符串分割成独立的单个字符，最后提取字符的特征并与存储库中的己知字符模式比对，识别出字符，得到完整的车牌号码。基于蜂窝基站定位的交通流量提取过程主要包括：采集基站切换序列、建立基站切换模板库、路径匹配以及交通参数计算。通过事先在所有路段上测试发生基站切换的位置点并存储在切换序列库中，将实时采集到的基站序列与库序列匹配，确定终端所在的道路，以及通过时间进而计算出所有道路上的行驶速度、交通流量等参数。3.智能交通信息处理技术然而，由于基站切换并不仅仅与信号强度相关，也与当前基站的通信容量及运营策略相关，因此每条道路的切
28、换序列可能并不完全稳定，需要使用诸如滤波等方法平滑处理。基于基站切换行为的智能交通信息采集技术还需要识别用户的交通模式，判断用户是步行、骑车还是乘车，只有乘车的用户位置数据才对交通流量分析有意义。此外在有高架桥或立交桥等重叠区域，还需要辨别桥上和桥下的不同交通流，需要通过大量样本的训练和学习，对每种交通模式进行行为建模。由于交通信息的采集源多种多样，例如固定线圈、监控摄像头、GPS浮动车、蜂窝网络等，还需要进行数据融合，利用多种数据源相互检验、互相补充、综合处理，产生高精度的实时交通信息。交通信息融合的方法大致包括3类：统计分析法，如直接对数据源作加权平均或滑动平均；基于概率统计模型，如卡尔曼
29、滤波、贝叶斯估计和统计决策理论等；基于人工智能方法，如神经网络、模糊推理和证据推理。统计分析方法是交通参数融合的经典方法，主要包括自适应加权平均、指数平滑法、利用平均值的递推估计算法对交通参数进行融合。自适应加权平均的数据融合算法，是在总均方误差最小这一最优条件下，根据各个传感器所得的检测值以自适应的方式寻找其对应的权值，使融合后的值达到最优。卡尔曼滤波方法则通过引入控制论中状态空间的概念，将所要估计的交通参数作为状态，用状态方程来描述系统，用测量模型的统计特性递推决定统计意义下的最优融合数据估计。3.智能交通信息处理技术许多的智能交通应用还需要能够预测交通状况，并利用交通诱导系统为出行者提供
30、有效的出行参考，达到缓解交通拥堵、节约能源的目的。交通信息的预测时间一般不超过15分钟，同时交通系统具有高度的不确定性和非线性，实时准确的交通预测给海量数据处理带来了很大的挑战。预测的交通参数通常包括交通流量和旅行时间，交通流量是城市交通流诱导、公路交通事件检测等应用的基础数据。路段平均旅行时间是进行车辆诱导的主要依据，也是出行者最关注的交通参数。建立交通流诱导的关键是要能准确地预测未来时段内车辆在路段上的旅行时间。目前使用的交通流量预测方法大致包括多元回归模型和时间序列模型等传统预测模型、小波理论和与神经网络相关的复合预测模型以及非参数回归和谱分析法等现代预测方法。3.2.3 智能交通应用与
31、市场预期(1)自适应的交通控制系统(2)智能交通诱导与交通信息服务(3)电子收费系统(4)智能公共交通管理系统(5)智能汽车(1)自适应的交通控制系统n许多城市道路交叉路口时常出现这样的情况，有时在一个方向已经没有车了，可绿灯仍然亮着，而另外一个方向却有很多车在红灯下等候。自适应交通控制系统通过部署在路面或移动的GPS车采集到的路段交通流信息和路口的交通状态，根据路口各个方向交通的状态以及周围相邻路口的交通状态，改变路口各方向红绿灯信号的持续时间（信号配时），使得路口的使用效率得以提高。(2)智能交通诱导与交通信息服务n统计结果表明，城市道路所承载的交通流量可能相差很大，例如交通拥堵时仍然会有
32、相当一部分道路仍然很畅通。智能化的交通诱导系统通过实时采集城市道路交通流量、可用停车位等数据，并持续进行建模和分析，实时分析路网交通状态，向出行者提供实时交通信息和路径引导信息。它通过诱导出行者的出行行为，改善道路交通状况，实现交通流路网交通流的均衡分配。(3)电子收费系统n相关部门统计数据表明，当前的人工道路收费模式下，一辆车停车缴费最快也需要810s的时间，繁忙公路上的收费站前往往会造成大量车辆的拥堵。电子收费系统通过在车辆上安装带有标识功能的终端，车辆驶过收费道口时，系统会自动识别通信车辆并使用电子货币结算，从而实现道路的不停车收费，避免了以前在收费站前停靠交费的过程。(4)智能公共交通
33、管理系统n许多城市的公交站台，乘客望眼欲穿下一班车，而公交公司却不知道增发哪些班次。乘客等不到出租车，而一些司机却在空驶。这些当下城市公共交通的常态，都是由于交通信息流动不通畅所致。基于物联网的智能公共交通管理系统，通过综合利用GPS定位技术、通信技术、地理信息系统等技术实现运营公交车、出租车、出行乘客、查询终端、公交站点和管理中心等元素的互联互通。一方面方便广大乘客了解公共交通信息，合理安排出行，另一方面使得公共交通管理机构加强对运营车辆的指挥调度，提高运营效率。(5)智能汽车图3-2 中国智能交通行业投资额预测3.3 智慧物流3.3.1 智慧物流概述3.3.2 智慧物流系统与技术需求3.3
34、.3 智慧物流应用与市场预期3.3.1 智慧物流概述n目前中国的物流业和发达国家相比还有很大差距。进入新世纪以来，中国物流业总体规模快速增长，服务水平显著提高，发展的环境和条件不断改善，但总体水平仍然偏低，还存在一些突出问题：n全社会物流运行效率偏低，社会物流总费用与GDP的比率高出发达国家1倍左右。n社会化物流需求不足和专业化物流供给能力不足的问题同时存在，“大而全”、“小而全”的企业物流运作模式还相当普遍。n物流基础设施能力不足，尚未建立布局合理、衔接顺畅、能力充分、高效便捷的综合交通运输体系，物流园区、物流技术装备等能力有待加强。n地方封锁和行业垄断对资源整合和一体化运作形成障碍，物流市
35、场还不够规范。n物流技术、人才培养和物流标准还不能完全满足需要，物流服务的组织化和集约化程度不高。3.3.1 智慧物流概述n物联网在物流领域的应用实现将有望解决中国物流行业所面临的困境，极大地降低物流成本，提高物流服务水平。n物联网的体系架构以感知互动层为支撑，通过RFID技术为每一个产品分配唯一的身份标识实现对单品的管理，通过广泛分布于生产流水线、运输工具、仓储环境等处的传感器采集产品质量、物理环境的相关信息，通过深度数据分析实现智能决策和新业务开发。将物联网先进技术融入到具体物流运作中，将能够实现高度的物流信息化、自动化和便利化。企业通过接入物流物联网信息网络能够即时建立与企业内部、供应商
36、、消费者、政府部门等相关单位之间的联系、协调和合作，实现整体联动的社会化物流。n物流物联网的建设能够极大加强物流环节各单位间的信息交互，实现企业间有效的协调与合作，推进物流行业的专业化、规模化发展。开放的物联网信息网络能够深化专门从事物流服务的第三方物流（3PL）企业与客户的合作关系，最大限度地开发他们在包装、运输、装卸、仓储、加工配送等物流资源，为客户提供优化的物流解决方案和增值服务。n随着现代经济的发展，企业之间的交换关系和依赖程度也越来越错综复杂。在市场瞬息万变和竞争环境日益激烈的情况下，企业在物流方面要求：一是响应快速，二是协同配合，三是个性化需要。而物联网的应用不仅能够使物流充分满足
37、企业的要求，甚至能够通过物流环节及时的信息反馈，改变企业生产滞后于市场需求的被动局面，打造企业主动推动市场形成的新局面。3.3.2 智慧物流系统与技术需求1.感知互动层技术2.网络传输层技术3.应用服务层技术1.感知互动层技术(1)条码识别(2)RFID(3)智能图像识别(4)GPS(5)AIS(1)条码识别n条形码是由宽度不同、反射率不同的条和空，按照一定的编码规则（码制）编制成的，用以表达一组数字或字母符号信息的图形标识符。随着计算机应用的不断普及，条形码识别技术的应用得到了很大的发展。条形码可以标出商品的生产国、制造厂家、商品名称、生产日期、图书分类号、邮件起止地点、类别、日期等信息，因
38、而在商品流通、图书管理、邮电管理、银行系统等许多领域都得到了广泛的应用。(2)RFIDn射频识别系统通常由电子标签（射频标签）和阅读器组成。电子标签内存有一定格式的电子数据，常以此作为待识别物品的标识性信息。应用中将电子标签附着在待识别物品上，作为待识别物品的电子标记。n阅读器与电子标签可按约定的通信协议互传信息，通常的情况是由阅读器向电子标签发送命令，电子标签根据收到的阅读器的命令，将内存的标识性数据回传给阅读器。这种通信是在无接触方式下，利用交变磁场或电磁场的空间耦合及射频信号调制与解调技术实现的。射频识别系统能够获得比条形码更多的标识信息和更远的识别距离。(3)智能图像识别n集装箱号码自
39、动识别，简称箱号识别，是基于图像识别中的OCR（光学字符识别）技术发展而来的一种实用技术，包括触发、图像抓拍、字符识别等几个关键环节。它能对集装箱图像进行实时抓拍，对集装箱号和箱型代码（ISO号码）进行识别。n实时的影像、车辆和集装箱的信息均转化成为数字化信息存储在计算机中，通过调用这些信息，与物流、码头、堆场或海关的信息管理系统进行整合，提高关口和货物管理、集装箱存货管理、场地规划、收费管理及其他有关物流管理的自动化程度，有效地节约了集装箱检验的时间，降低了人工记录集装箱号码的出错率。(4)GPSn卫星定位是一种结合卫星及通信发展的技术，利用导航卫星进行测时和测距的系统。全球卫星定位系统（简
40、称GPS）是美国从20世纪70年代开始研制，历时20余年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有海陆空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点，成功地应用于物流运输领域，取得了很好的经济效益和社会效益。(5)AISnAIS全称为AutomaticIdentificationSystem，中文名为自动识别系统，也称全球无线电应答器系统。AIS是近年来几个国际组织，特别是国际海事组织（IMO）、国际航标协会（IALA）、国际电信联盟（ITU）共同的研究成果。AIS的目的是使所有船舶都安装无线电应答器系统，使本船只可以被其他
41、装有无线电应答器的船舶“看得见”。nAIS能够识别船只、协助追踪目标、简化信息交流、提供其他辅助信息以避免碰撞发生等，AIS的正确使用有助于加强海上生命安全、提高航行的安全性和效率，以及对海洋环境的保护。2.网络传输层技术(1)移动通信技术(2)集群通信技术(1)移动通信技术n移动通信技术是以无线电波为通信用户提供实时信息传输的技术，通过“蜂窝”（Cellular）技术的地域覆盖和短距离通信组合，以实现在保障覆盖区或服务区内的顺畅的个体移动通信。目前国内移动通信技术的发展正处于以第二代移动通信（2G）技术为主导、大力推广第三代移动通信（3G）技术的阶段。随着技术的不断发展，移动通信技术的数据传
42、输能力越来越强，在广域、远程无线语音与数据传输等应用中，为用户提供方便快捷的服务。(2)集群通信技术n集群通信系统产生于20世纪70年代，已经广泛应用于军队、公安、司法、铁路、交通、水利、机场、港口等部门。集群通信系统由基站、移动台、调度台和控制中心4部分组成。其中，基站负责无线信号的转发，移动台用于在运行中或停留在某个不确定的地点进行通信，调度台负责对移动台进行指挥、调度和管理，控制中心主要负责控制和管理整个集群通信系统的运行、交换和接续。n集群通信系统可以将所具有的可用信道为系统的全体用户共用，能够自动选择信道，具有共用频率、共用设施、共享覆盖区、共享通信业务、共同分担费用、兼容有线通信等
43、特点，同时还具有调度指挥、控制、交换、中继等功能，既节约射频频谱，又能为用户提供快速、方便、无干扰的通信，是一种多用途、高效能而又廉价的先进无线调度通信系统。3.应用服务层技术(1)EDI(2)物流信息系统(1)EDIEDI，即电子数据交换。联合国标准化组织将EDI描述为按照统一标准、将商业或行政事务处理转换成结构化的报文数据格式，并利用计算机网络实现的一种数据电子传输方法。EDI的主要功能表现在电子数据传输、传输数据的存证、文书数据标准格式的转换、安全保密、提供信息查询、提高技术咨询服务、提供信息增值服务等方面。EDI作为一种新型有效的信息交换手段，可以提高整个物流流程各个环节的信息管理和协
44、调水平，是实现快速响应（QR）、高效消费者响应（ECR）、高效补货等方法必不可少的技术。(2)物流信息系统n所谓物流信息系统，实际上是物流管理软件和信息网络结合的产物，小到一个具体的物流管理软件，大到利用覆盖全球的互联网将所有相关的合作伙伴、供应链成员连接在一起提供物流信息服务的系统，都可称为物流信息系统。对一个企业来说，物流信息系统不是独立存在的，而是企业信息系统的一部分，或者说是其中的子系统，即使对一个专门从事物流服务的企业也是如此。n建立在信息网络基础上的物流信息系统，通常也被人们称为物流信息平台。在信息网络环境下，“系统”和“平台”这两个概念在很多时候被人们不加区别地使用。n物流公共信
45、息平台的基本功能是将物流相关的企业和服务机构，如生产制造商、物流服务商、分销商、银行、保险、政府相关机构，通过统一的信息网络连接起来，实现不同数据格式、多种信息标准的转换和传输，提供公共的应用模块，方便企业使用，降低信息成本，进一步还可以提供决策分析服务。3.3.3 智慧物流应用与市场预期n中国政府高度重视智慧物流产业发展，2009年初出台了物流产业调整振兴规划（以下简称规划），为物流领域的物联网应用快速发展带来了强大动力。同时规划中明确提出了要积极推进企业物流管理信息化，促进智慧物流发展，要求物流产业尽快制定物流信息技术标准和信息资源标准，建立物流信息采集、处理和服务的交换共享机制。n加快行
46、业物流公共信息平台建设，建立全国性公路运输信息网络和航空货运公共信息系统，以及其他运输与服务方式的信息网络等，由此进一步扶持智慧物流发展。预计到2015年，智慧物流领域物联网产业市场规模将达到300亿元，到20162020年5年的智慧物流领域物联网产业市场规模将达到800亿元。3.4 精细农业3.4.1 精细农业概述3.4.2 精细农业系统与技术需求3.4.3 精细农业应用与市场预期3.4.2 精细农业系统与技术需求1.农业信息感知技术2.农业信息传输技术3.农业信息处理技术1.农业信息感知技术(1)营养元素传感器(2)水体溶解氧浓度传感器(3)耳标(1)营养元素传感器n营养元素传感器对营养元
47、素含量的检测采用的是离子敏传感器。离子敏传感器由离子敏感膜和转换器两部分组成。敏感膜用以识别离子的种类和浓度，转换器则将敏感膜感知的信息转换为电信号。一般用于检测无土栽培环境中所调配的营养液中营养元素的含量，或根据流回的营养液中元素的吸收情况决定营养元素的调配比率，也可用于普通大棚或温室中土壤营养元素含量检测。(2)水体溶解氧浓度传感器水体溶解氧的检测使用溶解氧浓度传感器，该传感器使用覆膜酸性电解质原电池原理来实现水体中溶氧（DO）浓度的测量。该传感器经常应用于水产养殖中的水含氧量检测监控。(3)耳标n耳标是动物标识之一，用于证明牲畜身份，承载牲畜个体信息的标识，加施于牲畜耳部。电子耳标应用R
48、FID技术，内置芯片和天线，编码信息存储于芯片内。由于RFID具有非接触、远距离、自动识别移动物体、可读可写等特性，一些自动化计量、测量、定量系统在畜牧业中得以推广使用。n智能农业感知技术有其独有的特点：首先，随着感知区域面积的增大，阀门节点的增多，监测控制点的数量会迅速上升，因此要求感知控制节点必须具有较强的扩展能力；其次，感知系统多部署在复杂环境，如森林、水域、大田，在大多数情况下难以向感知控制设备提供稳定可靠的电源，这就要求系统具有较低的功耗，以实现长期稳定的工作；最后，要求控制系统具有较快的组网速度及实时通信能力，能够快速准确地实现田间阀门的控制。2.农业信息传输技术n智能农业物联网的
49、网络传输层通过泛在的互联功能，实现感知信息高可靠、高安全传输。互联网和移动通信网（包括移动互联网）是智能农业物联网的核心网络，该类网络是所有物联网应用的共性部分，本章并不做特别的介绍。3.农业信息处理技术(1)模糊控制(2)专家控制(3)神经网络控制(4)学习控制(1)模糊控制n模糊控制以模糊集合、模糊语言变量、模糊推理为其理论基础，以先验知识和专家经验作为控制规则。其基本思想是用机器模拟人对系统的控制，就是在被控对象的模糊模型的基础上运用模糊控制器近似推理等手段，实现系统控制。在实现模糊控制时，主要考虑模糊变量的隶属度函数的确定，以及控制规则的制定二者缺一不可。n猪养殖过程中可采用模糊控制器
50、和串联神经网络解耦的控制系统，处理传感器收集得到的信息，对商品猪生长的小气候环境进行控制。猪生长环境中需要控制的因子很多，如温度、湿度、光照、风速、氨氮浓度等，其中温度和湿度对猪的生长影响最大，故该研究对温度和湿度进行控制，控制机构有天窗、南北卷帘、东西卷帘、加热器、鼓风机、抽风机、喷淋共7种，主要控制开关量和档位。n模糊控制器的输入为误差和误差变化率，输出为神经网络的输入。采用的模糊控制器带有调整因子，由模糊控制和积分作用两部分并联组成。当系统处于初始阶段时，模糊控制的主要任务是消除误差；而系统接近稳态时，误差较小，应避免振荡。可通过模糊控制在线修正控制器的比例因子。(2)专家控制n专家控制
51、是将专家系统的理论技术与控制理论技术相结合，仿效专家的经验，实现对系统控制的一种智能控制。主体由知识库和推理机构组成，通过对知识的获取与组织，按某种策略适时选用恰当的规则进行推理，以实现对控制对象的控制。专家控制可以灵活地选取控制率，灵活性高；可通过调整控制器的参数，适应对象特性及环境的变化，适应性好；通过专家规则，系统可以在非线性、大偏差的情况下可靠地工作，鲁棒性强。n国内外已经成功开发和应用了多例农业生产和环境管理方面的专家系统。它们一般都具有智能信息管理、逻辑判断和辅助决策功能，具体如下：n收集市场信息，根据历史数据和目前数据预测市场，向生产人员推荐种植品种。n成本核算后，给出作物培养方
52、案，供生产人员参考，以便获得最大利润。n根据监测的实时数据，动态调整培育模式，使作物处于目标期望的生长环境。n作物出现虫害和疾病后，根据知识库中的专家知识自动进行诊断，从经济效益和生态效益两方面综合考虑，给出治疗方案和挽救措施。(3)神经网络控制n神经网络模拟人脑神经元的活动，利用神经元之间的联结与权值的分布来表示特定的信息，通过不断修正连接的权值进行自我学习，以逼近理论为依据进行神经网络建模，并以直接自校正控制、间接自校正控制、神经网络预测控制等方式实现智能控制。n以基于神经网络的黄瓜等级判别为例，说明神经网络在智能农业物联网处理层的应用。该方法综合神经网络理论和图像处理技术，对瓜果的形状和
53、质量进行判别，最后自动给出质量等级，通过实验对比，其判别的正确率优于人工判别和机器人判别两种方法。n该方法模仿人对长型瓜果形状的判断方式，抽出长型瓜果的6种形状特征，将其设定为神经网络输入层的6个输入端。输出层有2个输出端，可取4种状态，代表4个分级。网络结构采用前向多层神经网络，隐层单元数为10个，学习误差设定在0.001以下，通过训练最后确定网络各权值。学习时，把标准模型放在CCD摄像机下，计算机采集该图像信号，通过键盘输入教师信号，完成后，进行第二次学习，直至满足误差要求。实验数据表明，该方法的操作优于人工方式，具有精度高，重复性好等优点。(4)学习控制n学习控制是指靠自身的学习功能，认
54、识控制对象和外界环境的特性，并相应地改变自身特性以改善控制性能的系统。这种系统具有一定的识别、判断、记忆和自行调整的能力。实现学习功能可以有多种方式。根据是否需要从外界获得训练信息，学习控制系统经常采用的方法包括遗传算法学习控制和迭代学习控制。3.4.3 精细农业应用与市场预期1.农业生态环境监测2.智能温室3.智能灌溉4.智能病虫害诊断系统5.智能集约化水产养殖6.精量饲喂系统7.智能冷链1.农业生态环境监测n农业生产依赖于一个良好的农业生态环境，但农业生态环境的优劣，只有通过生态环境监测才能加以判断。生态农业建设的成效如何，制约农业发展的障碍因子何在，怎样维持系统的良性循环，这些问题的解决
55、都离不开生态环境监测。农业生态环境是确保国家农产品安全、生态安全、资源安全的重要基础。n农业生态环境监测指对特定环境敏感的生态因子的测量记录评估，揭示生态环境质量的现状、变化和趋势。通过对农业生态环境的监测，可以有效地节约资源、监测污染和预警灾害，对降雨、大气温度湿度的监测，可以指导农户进行定量灌溉；对森林中温度和湿度的监测，可以间接反映可燃物含水量的大小，预报和监测森林火灾的发生。n与传统监测手段相比，采用物联网传感器技术进行监测有更实时、定量、准确的优点，越来越多的国家综合运用高科技手段，构建先进农业生态环境监测网络，通过利用先进的传感器感知技术、信息融合传输技术和互联网技术，将物联网技术
56、融合其中，建立农业信息化平台，实现了对农业生态环境的自动监测。2.智能温室在作物整个生育期中，温室内温度、湿度、光照度和气体浓度等的环境因子往往不能完全满足作物的需要。而传统手工控制方法存在调节不准确、滞后严重等问题，影响了农业生产。智能温室采用由中心控制计算机、现场控制机、系列传感器、电动执行器和局域网通信网络等组成的分布式计算机监控系统。温室的温度、湿度、光照和通风等的控制与作业，由升降温、喷洒水、采遮光、通排风等器械或机械手完成；作物所需要营养、肥料和水分等，按生理要求与营养需要配制成营养液，采用针剂式滴灌和喷灌作业完成。智能温室由于完全实现了智能化的控制，避免了自然环境气候的影响，减少
57、了病虫危害，实现了作物的优质、高产和无公害生产。3.智能灌溉n农业水资源利用效率低，短缺与浪费现象并存，是当前中国灌溉农业发展面临的主要问题。解决这个问题的根本出路是大力发展和推广精确灌溉，它根据作物需水信息，适时、适量地进行科学灌溉，达到节水增产的目的。n智能灌溉系统由无线传感器网络、传输网络、控制主机和水泵控制部分组成。系统运行时，通过以上多种传感器之一收集灌溉需求信息，通过网络上报到工作站服务器，工作站服务器通过建模分析，将灌溉指令发送到灌溉嵌入式系统，确定是否启动水泵为农田供水。管理员也可以远程通过网络访问服务工作站，监控灌溉信息，控制水泵为农田供水。它根据作物需水信息，适时、适量地进
58、行科学灌溉，达到节水增产的目的。4.智能病虫害诊断系统n中国是粮食作物和蔬菜大国，目前主要采用农药防治病虫害。一方面，病虫害情况较严重，病虫草害面积达2.36亿公顷，每年因此而损失粮食15%左右、果品蔬菜25%以上；另一方面，过多使用农药等原因造成产品、环境污染，极大威胁着中国粮食安全。n中国目前受农药污染的耕地面积已超过13001600万公顷。在实际生产中，大多数农民对于作物病害的诊断只是靠经验、凭感觉，对作物的生长状态造成了伤害。有效地早期诊断病害是农民在生产过程中所遇到的最大难题。n智能病虫害诊断系统根据判断病虫害类型不同，采用不同的图像处理技术获得判断依据。大部分病虫害智能检测系统均选
59、用摄像设备和一些环境传感器，采集环境中各种影响因子的数据信息、视频图像等，再通过TD/GPRS网络传输到诊断平台。n处理层利用图像滤波、分割、识别算法处理图像，得到病虫害信息，通过查找病虫害预警模型库、作物生长模型库、告警信息指导模型库等信息库，指导农药使用，实现对病虫害的实时监控和有效控制。5.智能集约化水产养殖n近几年，随着集约化养殖的增加，残饵、生物代谢废物的排泄改变了水库生物群平衡，网箱养殖经常造成整个水体的水质恶化，不断出现水库缺氧泛箱事故的发生。例如，2002年10月中旬，严重超负荷的养殖量，在突然降温时形成上下水层对流，整个水体严重缺氧，荥阳丁店水库泛箱死鱼事故，造成5万公斤养殖
60、鱼类的死亡。n智能集约化水产养殖系统中，传感器节点负责温度和水溶氧量数据的采集和发送；数据通过网络传输层发送到数据管理中心；数据管理中心是基于时间段设置数据读取，根据读取的结果确定运行状况，设定报警。通过对水体的水质恶化实现在线污染监测，预防了水库发生缺氧泛箱事故，是预防灾害的一个重要手段。6.精量饲喂系统n过量采食与采食不足都会对动物健康造成危害。所以，如何使动物处在一个营养均衡的状态，一直是动物营养学研究的重要方向。有研究表明，有些采食模式性状如日采食量、单次采食量、日采食次数、单次采食时间等，有一定的遗传力，因而可通过选择加快它们的遗传改良。认识采食量调控规律，对合理饲养种畜、幼畜和受各
61、种应激因素影响的动物（包括病畜）以及有效利用饲料、充分发挥动物生产潜力，都有重要意义。n精量饲喂系统由种畜个体采食活动监测装置、通信网络和控制管理计算机3部分构成。个体采食活动监测装置利用RFID射频识别技术识别个体，获得准确的种畜个体采食活动的相关数据，包括采食量、采食时间、采食速度、环境温度等。通过通信网络传输给控制计算机。控制计算机记录采食活动的相关数据，根据预输入采食模型判断饲料供应配比，同时控制料槽门、料槽连锁机构、报警装置和驱赶装置的开关。n精量饲喂系统可以针对种畜个体进行精量的饲喂，并且可以自动获取个体的实际采食量和采食活动的相关数据，为动物生产建立科学、合理的生产制度，提高经济
62、效益，实现动物生理行为水平上的自动化畜牧生产体系。7.智能冷链随着中国鲜活农产品销量的逐年增加，未来10年内冷库与冷藏车的平均增量将达到30%。但目前农产品仓储整体水平较低，不论是产业链链条还是仓储设施设备，和与日俱增的市场需求之间还存在着很大差距。鲜活农产品耗损率大，而且使食品安全方面存在安全隐患。智能冷链系统由分布在仓库和运输车辆上的传感器节点采集温度、湿度、CO2浓度信息，通过GPRS网络传输给远程监控中心。远程监控中心根据预先设置的规则，判断状态是否正常，回传给节点的控制输出接口，调节温湿度或发出报警。通过冷链配送温度动态监控与管理，在对仓储和运输环节的温度、湿度和二氧化碳浓度全程地监
63、视和调节，保证了农产品的新鲜，保证了食品安全，减少了因为腐坏导致的经济损失。3.5 公共安全3.5.1 公共安全概述3.5.2 公共安全系统与技术需求3.5.3 公共安全应用与市场预期3.5.1 公共安全概述n根据国务院的总体预案，公共安全事件有4大分类，即自然灾害、事故灾难、突发公共卫生事件、突发社会事件。国家科学技术中长期发展纲要将确保公共安全作为全面建设小康社会的根本保障，其中包括食品安全、生产安全、减灾防灾、社会安全、反恐、检疫等多个方面。n安防系统的应用范围极其广泛，涉及到人们日常生活的方方面面。已有市售产品包括视频监控、出入口控制、入侵检测、防爆安检等十几个大类，共数千品种。以上海
64、世博园区的安全防护为例，300余场馆，40万余日均访问人次，游客的出行安全和食品安全保障，以及场馆建筑和室内设施安全保障都需要安防系统提供支持。而其他如贵重设备监护、煤矿监控、建筑物结构健康监测、事故预警、监狱监控等，也均属于安防应用范畴。3.5.1 公共安全概述n随着社会发展的深入变革，用户对安防系统的功能需求越来越高，而现有的第二代安防系统功能较为单一，智能化不足，如防入侵系统仅能判断是否存在入侵行为，而无法得知是何种入侵，具体的事件响应需要安防人员的参与才能应对，或是派人赴报警点查看，又或是启用预警设备或其他侦测设备。人机的多次交互将不可避免地加大系统响应延时，增加不确定性，而人力成本也
65、会成为安全防护系统的实施成本，成为安防系统规模化的障碍。n物联网以其无所不在、高效传输、快速感应的特点，在很多需要快速反应处理能力的场合大有用武之地。同时，物联网还具备协调多模感知网络共同工作的能力，可以在无人员介入的情况下完成各项复杂任务。n在公共安全防护领域，物联网技术可以实现诸如实时监控监测、位置定位、智能分析判断、人机智能对话等诸多功能，基于物联网的安防系统具备自感应、自适应和自学习能力，能够结合多种传感器信息，实现事故目标的有效分类和高精度的区域定位，甚至可以在不需要外界介入的情况下启动各项应急措施。而另一方面，各类感知技术以及组网技术的长足发展，也为安全防护物联网相关应用的开发提供
66、了必要的技术支撑。3.5.1 公共安全概述n基于多模信息感知与协同处理，使用物联网技术搭建安全平台，其独到优势可以归纳为如下几点：n可实现高精度定位。n能够智能分析判断及控制。n能够最大限度降低因传感器问题及外部干扰造成的误报。n能够完成由面到点的实体防御及精确打击。n强大的网络支撑平台。n可轻松实现高度智能化的人机对话功能。3.5.2 公共安全系统与技术需求1.安防信息感知技术2.安全防护应用中的数据传输3.安防信息处理技术1.安防信息感知技术(1)振动感知技术(2)加速度传感器(3)瓦斯浓度探测(4)红外传感器(5)泄漏感应电缆(6)核辐射传感器(1)振动感知技术n振动感知技术可用于检测建
67、筑物的振动信息，判断建筑物结构健康状态，或是检测地面振动信息判断是否存在入侵，并识别入侵对象。电测方法是最为常见的振动测量方法，通常将振动参量转化成电信号，然后再通过电子线路放大作为标量。该方法成本低，精度也较高，体积小、便于部署。此外还有机械式测量方法与光学式测量方法。(2)加速度传感器n加速度传感器在安全防护应用中的用途和振动传感器类似，只是工作机理略有不同。加速度传感器的基本原理来源于牛顿第二定律，通过测量敏感部件的受力情况计算得到加速度的值。外来作用力会造成敏感部件的形变，通过测量形变量并将其转换为电压输出，可以得到相应的加速度信号。市场上常见的加速度传感器有压电式、压阻式、电容式和谐
68、振式等。(3)瓦斯浓度探测n瓦斯浓度探测是通过检测空气中的瓦斯含量，以达到防火防爆的目的。常用的瓦斯传感器可分为热导式和热效式两大类。热导式瓦斯传感器利用瓦斯与空气的导热系数不同来测量瓦斯浓度；热效式瓦斯传感器（又称热催化式瓦斯传感器）利用可燃气体在催化剂的作用下进行无焰燃烧，产生热量，通过测量热敏电阻的阻值变化，获得瓦斯浓度。(4)红外传感器红外传感器可用于实现包括入侵检测、气体成分检测、目标识别等多项功能。红外传感器以红外线为介质，基于光电效应或热效应进行检测。(5)泄漏感应电缆n泄漏感应电缆是泄漏电缆的一种，常用于室外周界入侵检测。泄漏电缆将同轴线的外导体切开，使部分电磁能量外泄，使得敷
69、设的两条泄漏电缆之间形成了一个柱形电磁场防护区域，当人体和金属体在这个区域移动时，会引起电磁场扰动，从而被探测器检测到，产生报警信号。n对于非金属体或非人体，比如树枝等，由于对电磁场的干扰极弱，虽然在该防护区域移动，却不能引起电磁场的扰动，因此不会报警。通过对探测器灵敏度的调整，可以将小动物，如小狗、小猫等在防护区域移动的干扰滤掉，达到有效防护的目的。(6)核辐射传感器n核辐射传感器通过监测各类放射源，预防恐怖分子的“脏弹”袭击。常用的探测器有电流电离室、盖格计数管和闪烁计数管3种。n电流电离室是一种气体探测器，射线使高压舱内的工作气体发生电离，然后通过收集电离产生的电荷记录放射强度；盖革计数
70、管也是一种气体探测器，它通过将入射粒子转换为电脉冲进行记录；闪烁计数管为固体结构，当射线进入闪烁体，闪烁体吸收能量而使原子、分子电离和激发，并发射荧光光子，光子在光阴极上打击出光电子，随后在光电倍增管中以数亿倍的倍数倍增，电子流在阳极负载上产生电信号，并由电子仪器记录。(6)核辐射传感器n在信息采集网络的布设方面，需要在区域中部署传感器节点，形成对区域的覆盖感知网络。根据应用场景不同，感知覆盖包括区域覆盖与带状覆盖。区域覆盖是指对监测区域的完全覆盖，区域内部的人员、物品都属于监控对象；而带状覆盖则是对区域周界的环状覆盖，多用于外来入侵检测。n传感器网络研究领域已有一定的与感知覆盖相关的研究成果
71、，理论成果主要在于推导出达到一定覆盖冗余度所需要的最少节点数目，以作为随机性部署的参考。在安防应用中，传感器节点的部署需要根据所处环境因势而设，如煤矿安防、建筑物结构健康监测等，通常需要物联网技术人员同专业工程师协作，根据周遭环境特征，设计节点部署方案。n当防护区域范围扩大，静态的传感器节点部署方式会带来指数级的成本增加，而难以实现大范围的监控，如城市范围的监控。在城市安防方面，为形成城市范围的安全防护网络，国内外研究者提出，可以将信息采集终端安放到手机或是城市车辆上，依赖人们的日常迁徙承载其移动，可以实现对大型区域的移动覆盖。这一类部署机制成本低、易于实现，是未来城市安全防护物联网的重要发展
72、方向。2.安全防护应用中的数据传输(1)面向安防监控的视频传输(2)安防应用中的无线传输(3)地下环境数据传输(1)面向安防监控的视频传输n视频监控系统是时下最为常见的一类安全防护系统。在视频监控系统中，大量的监控画面数据需要通过网络传达并呈现给指挥中心的安防人员。基于物联网的智能视频监控系统更是需要指挥中心服务器与下属监控摄像头多次交互，自动分析监控内容、提取有用信息。n视频传输将占用大量网络带宽，且对传输实时性的要求也通常高于一般的物联网应用，因此往往需要部署专用通信线路。常见的视频监控包括有视频基带传输、光纤传输、网络传输、微波传输、双绞线平衡传输、宽频共缆传输6种传输方式。这些传输方式
73、由于传输距离、假设成本的不同，适用于各种视频监控应用场合。n目前在安全监护方面，应用较为广泛的两类视频传输手段，分别是视频网络传输方式与宽带共频传输方式。(1)面向安防监控的视频传输n视频网络传输方式在娱乐性视频传输中使用最为广泛，也是未来视频监控系统的发展趋势之一。视频网络传输方式采用MPEG音视频压缩格式传输监控信号，在互联网上传输，重点用于解决城域间远距离、点位极其分散的监控传输方式。n目前，网络传输技术已经替代了众多传统的视频传输方式，但是它也有网络带宽不受控制，难以确保视频流稳定等不足，若要广泛应用到安全防护监控中，对网络基础设施及网络硬件条件要求较高。n宽带共频传输是现在较为高端的
74、一种传输方式，是解决几公里至几十公里监控信号传输的最佳解决方案之一。宽带共频传输采用调幅调制、伴音调频搭载、FSK（频移键控）数据信号调制等先进技术，可将40路监控图像、伴音、控制及报警信号集成到“一根”同轴电缆中双向传输。其优点是充分利用了同轴电缆的资源空间，40路音视频及控制信号在同一根电缆中双向传输，且施工简单、维护方便，大量节省材料成本及施工费用。(2)安防应用中的无线传输n基于有线网络构建的安防系统具有可靠、稳定的优势，适合于传输图像、视频等大数据量信息，但是这种网络部署方式却由于成本高昂、难于部署等因素，而无法适用于一些复杂或受限地理环境，如桥梁、高楼的结构健康监测；另外对于一些变
75、化环境下的安全防护，如采掘进行中的地下煤矿工作面，也有灵活性不足的缺陷。n基于无线网络交换信息是物联网技术的重要特色之一，配备有无线通信模块的传感器节点极易部署，这些节点既可以通过电信网、WiMAX等多种手段接入控制中心网络，也可以以多跳无线链路的形式传输数据。此外，多跳无线的网络组织形式还可以同既有的有线网络基础设施搭配使用，直接在现有的安全防护系统之上进行扩展，这进一步降低了系统的架设成本。n无线链路极易受外界环境干扰，尤其是在多跳无线网络里，保证消息传输可靠性尤为困难。研究人员提出了大量的应对机制来提升多跳数据传输成功率。其中加入系统冗余是一类较为可行的方案，在网络传输机制中具体体现为各
76、类多径路由机制，即使数据报文能够沿着不同的路径从源节点向目标节点转发。现有的多径路由主要包括3类：对单路径路由的扩展、多路径并行传输以及机会路由。(2)安防应用中的无线传输n在基于单路径扩展的多径路由机制中，通常是在路由发现时记录多条路由作为当前路由的备选路由，当活动路由失效后，从多路径中选择一条继续路由，不需要重新发起路由发现过程。基于单路径扩展的多径路由通常只需要在现有单径路由的基础上进行小幅修改，比如在路由建立过程中，让中间节点记录更多的上级节点，将其中路由开销较低却非最优的节点加入备选路径，当主路径失效时，则可将数据包发往备选路径。n在多路径并行传输的多径路由中，通常是预先选好多条独立
77、的通向目标节点的路径，然后根据链路资源，以及跳数、延迟等，将待发送的数据分散到这些预先确定的路径上。在发送数据之前，数据源可以通过在原数据中加入冗余的复制以提高消息传输的可靠性。n机会路由是一种随机性多路径传输机制，它基于概率性无线信道模型设计，距离源节点不同远近的中间节点，会以不等的概率侦听到来自源节点的数据包。机会路由技术试图利用这些中间节点，减少消息转发次数，降低消息传输延时。而在传输过程中，多个中间节点会相互协作，达到提高消息传输可靠性的目的。(3)地下环境数据传输在安全防护应用中，往往会需要在一些特殊环境下部署网络，比如地下矿井、地铁隧道等，其中大部分位于地底深处，外界电磁波因此很难
78、深入其中；而这类环境又往往狭长、曲折、昏暗，若在其中使用多跳无线链路用于长距离传输，单节点的通信距离缩短、端到端传输跳数增加、数据传输成功率极为低下，系统难以正常运作；若使用大功率射频信号，又容易激发电火花，带来新的安全隐患。使用通信线缆承载数据传输是必需手段；而对于进展中的工作面，使用有线电缆通信灵活性不足，仍然需要无线通信方式作为补充。通过有线链路连接无线访问点是一类常用的地面混合通信手段，但是部署在地下的无线访问点却极易损坏，导致系统可靠性降低。(3)地下环境数据传输泄漏电缆传输频段较宽，既能通话，又能传输各种数据信息。在长隧道地区，由于泄漏电缆衰耗较大，需要在隧道内装设中继器，用以补偿
79、传输损耗，中继器需远距离供给电源。3安防信息处理技术安防信息处理包括在节点本地或后方监控中心对采集到的各类安防信息进行加工、分析，提取各类潜在的危险信号并实现预警。此外，安防信息处理技术还需要具备排除各类错误数据对系统所造成的影响。3.安防信息处理技术(1)异常事件判断技术(2)智能视频监控技术(3)分布式事件检测与决策技术(1)异常事件判断技术异常事件识别用于从大量数据中分析、判断检测对象的状态异常，主要用于检测各类不易察觉的慢性状态恶化，比如建筑或输油管道等关键基础设施的老化等。物联网安防系统收集到的数据是以时间为轴的状态数据，这一类数据将作为异常事件识别的输入。通过比较当前状态数据与历史
80、正常状态数据，结合检测对象的状态模型，可以识别状态异常。常用的分析手段包括从时域上分析和从频域上分析。前者通常是将检测参数建模为时间函数，对比正常状态的参数来判断是否有异常事件发生；而后者则是通过一系列的时频变换，对比检测对象当前状态与正常状态的频谱分布，判断是否有异常事件发生。从时域上分析的重点在于从采集到的离散数据建立精确的检测对象变化模型，通常表示为时间函数。而插值法是最为常用的建模方法。插值法又称“内插法”，是利用函数f(x)在某区间中若干点的函数值，作出适当的特定函数，在这些点上取已知值，在区间的其他点上用这个特定函数的值作为函数f(x)的近似值。如果这个特定函数是多项式，就称它为插
81、值多项式。常用的插值法有Lagrange插值、Newton插值、Hermite插值、分段多项式插值及样条插值。(1)异常事件判断技术频域分析是捕获数据内在规律的常用方法，通常是通过一系列的时频分析变换，将时序信号转到频域上研究。该类方法判断准确性高，但是计算量较大，适用于集中式的数据处理，还有一独到优势在于无需全网节点的时间同步。在节点本地进行数据处理，快速傅里叶变换是一种常用变换。傅里叶变换能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数（正弦和/或余弦函数）或者它们的积分的线性组合。在不同的研究领域，傅里叶变换具有多种不同的变体形式，如连续傅里叶变换和离散傅里叶变换。快速傅里叶变换是计算离散傅里叶
82、变换的一种快速算法，简称FFT，它是根据离散傅里叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数N越多，FFT算法计算量的节省就越显著。(2)智能视频监控技术n智能视频监控技术是物联网安防应用的重要内容，也是计算机视觉领域的重要研究课题。基于智能视频监控技术构建的监控系统，能够通过自动分析和抽取视频源中的关键信息并自动识别不同物体，发现监控画面中的异常行为，并最及时地发出警报和提供有用信息，有效协助安全人员处理各类危机，并最大限度地降低误报和漏报现象。n智能视频监控系统的处理流程包括：背
83、景建模、前景提取、目标跟踪、行为识别4个部分。背景建模用来对监控场景中相对不变的区域建立模型，为前景提取作准备；前景提取用来监测视频图像序列中的移动（前景）物体；目标跟踪用于跟踪视频图像序列中的前景目标，进而得到目标的运动轨迹；行为识别则用于从轨迹中识别特定的行为。n在实际情况中，监控的场景往往复杂多变且人较多，例如机场视频监控。近年来，虽然在上述4个方面的研究都取得了不小进展，但仍不足以构建通用快速鲁棒的智能视频监控系统。不少研究者开始研究用机器学习的方法研究人或特定行为的检测，这方面有代表性的工作有基于adaboost算法的人检测与基于HoG特征的行人检测。(3)分布式事件检测与决策技术n
84、物联网下的安防系统高度智能化，各种感知设备通过底部网络支撑平台连接在一起，将来自于不同种类感知设备的多模信息进行融合，实现分布式决策。安全防护系统需要在无外界人员参与的情况下，对各种安全威胁行为作出判断，排查安全隐患，并协调各事件处理机构采取适当措施。漏检会造成损失，而误检会带来不必要的恐慌。分布式检测与决策的重要方面在于需要能区分出节点故障或是特定事件发生带来的采集数据出现异常。n研究人员发现，节点故障和特定事件发生带来的数据异常，其关键区别在于，前者造成的数据异常不存在空间相关性，而后者存在。通过分析地理位置邻近节点汇报数据的空间相关性，能区分出造成数据异常的根源究竟是哪一种。n基于上述思
85、想，智能安防系统下的网络节点按照分层架构组成网络，本地节点做出一次判决，而后将结果发送至上一级节点，由该节点进行第二次判决；如此反复，直至判决结果抵达指挥中心。对于仍然无法准确判决的情况，指挥中心会启动视频监控设备，将图像相关信息交由安防人员分析。3.5.3 公共安全应用与市场预期(1)城市公共安全防护(2)特定场所安全防护(3)生产安全防护(4)基础设施安全防护(5)食品安全防护(1)城市公共安全防护n城市公共安全防护主要是为保障社会安全，防范各类恐怖袭击。涉及的内容包括，在人口密集的公共场所内对各类可能的恐怖袭击，以及大规模恶性意外事故进行防范，实现突发事件监测与预警功能，以及及时传达应急
86、联动指令的功能。(2)特定场所安全防护n特定场所泛指社会上的重要单位和要害部门，如机场、核电站、军事设施、党政机关、国家的动力系统、广播电视、通信系统、国家重点文物单位、银行、仓库、百货大楼等，这些单位的安全保卫工作是安全防范工作的重点内容。特定场所的安全防护主要针对场馆和园区，防止不法分子的破坏，其中包括有周界防入侵、内部人员活动安全保障、险情救援辅助等功能。(3)生产安全防护n生产安全防护是针对一些危险工作环境下，工作人员生命安全的防护，还有针对重要生产器械及设施的防护。典型场合有石油或煤炭行业的防火防爆，化工行业的防中毒，核电厂的防泄漏等。具体的防护内容取决于具体的工作场合，如煤矿安防需
87、要对矿井内部瓦斯成分进行检测、预警渗水坍塌等大型事故等。(4)基础设施安全防护n基础设施包括各类面向社会，服务于公众的建筑、器械、设备等，如桥梁、公路、路标、井盖，又或如ATM取款机、小区运动器材等。既需要检测大型建筑物的结构健康，防止各类坍塌事故，还需要对ATM机等重要设施防盗防砸。(5)食品安全防护食品安全防护用于在食物的众多加工环节安全把关，防止各类食物中毒事件；完善食品的生产流程备案，便于消费者查阅。当前中国正处在城市化高速度发展的阶段，人口的聚集带来了大量的公共安全的问题。多年来，中国的GDP连续多年保持了8%及以上的高速增长，但随着国民经济的发展，各种灾害造成的损失也逐年上升。中国
88、每年因公共安全问题造成的经济损失达6500亿元，约占GDP总量的6%，这些问题每年夺去20万人的宝贵生命。中国的安防产业从20世纪80年代开始起步，比西方经济发达国家大约晚20年。改革开放以前，受经济发展的限制，中国的安防主要以人防为主，安全技术防范还只是一个概念，技术防范产品几乎还是空白。20世纪80年代初，安防行业在上海、北京、广州等经济发达城市和地区悄然兴起。进入21世纪后，中国安防安全技术防范产品行业又有了进一步的发展，智能建筑、智能小区建设异军突起，以及高科技电子产品、全数字网络产品的大量涌现，都极大促进了安防产品市场蓬勃发展。中国正在发展成为世界上最庞大的安全防范产品市场，安防产业
89、日渐成为中国经济建设领域中的一支重要生力军。(5)食品安全防护2009年，中国具有一定条件和规模的安防企业达到1.7万家以上，从业人员达到100万人以上，市场总规模达到1800亿元左右，自2007年以来，年复合增长率都保持在20%以上。随着国民经济的发展和经济全球化进程的加快，中国安防产业迅速发展；随着科技不断进步，安防行业领域不断扩大。报警运营、中介、资讯等专业化服务开始起步；产品种类不断丰富，发展到了视频监控、出入口控制、入侵报警、防爆安检等十几个大类，数千个品种；闭路监控发展迅猛，年增长率达到30%左右；沿海地区发展较快，形成了以珠江三角洲、长江三角洲、京津地区为中心的三大安防产业集群。
90、近年来，国内安防产品生产制造企业获得了持续快速发展，已经涌现出一批现代化安防产品生产制造基地，如CSST工业园、天津亚安科技园、天地伟业科技园、广州安居宝科技园、珠海石头电子工业园、浙江大华科技园、浙江大立科技园、深圳慧锐通科技园、宏天智工业园、创维群欣科技园、珠海太川工业园等。这些生产基地的建成，标志着中国安防产品生产制造的优势正在形成，也预示着中国安防产业的发展正在步入一个全新的升级阶段，向“全球安防产品生产制造中心”迈出了更加坚实的一步。尽管北京奥运商机逐渐淡去，但上海世博会、广州亚运会和深圳大运会将相继在2010年和2011年举行，这对安防产业来说仍然是利好因素。此外，国家拉动内需政策
91、和战略性新兴产业的发展都将为安防行业带来发展契机。预计未来两年内，国内安防产品生产制造企业平均增长率仍将会保持在25%30%。与此同时，估计将会有更多的新生力量加入安防产品生产制造行列。3.6 智慧医疗3.6.1 智慧医疗概述3.6.2 智慧医疗系统与技术需求3.6.3 智慧医疗应用与市场预期3.6.1 智慧医疗概述(1)医疗服务还不够完善(2)医疗资源相对缺乏(3)医疗信息化水平相对较低(4)医疗区域发展不平衡(1)医疗服务还不够完善n在比较长的时间里，中国的医疗服务主要集中在疾病的预防、诊断和治疗上，还需要进一步拓展医疗服务的范围和深度，如增强医疗服务的方便性、快捷性，提高医疗机构的数字化
92、和信息化水平，完善医疗设备、器械、人员的管理，改善医药产品的监管流程，拓展健康辅助、教育和咨询的范围等。(2)医疗资源相对缺乏相对于人民群众的医疗卫生需求，中国医疗资源缺乏的问题还比较突出，集中表现在“三长一短”（即挂号、取药、交费时间长，医生诊疗时间短）和“看病难，看病贵”。中国社会科学院发布的2007年社会保障绿皮书显示，19902004年，中国城乡居民人均医疗保健支出分别增加了19.57倍和5.86倍，居民医疗费用支出的增速远远超出其收入增长速度。(3)医疗信息化水平相对较低n据卫生部统计信息中心2007年对全国3765家医院做的信息化现状调查显示，有47.9%的医院年均信息化投入不足医
93、院毛收入的0.5%，有26.1%的医院不足1%。3765家医院中，只有2%的医院使用客户关系管理系统，只有15%的医院使用办公自动化系统，只有22%的医院使用住院医生工作站系统，只有21%的医院使用门诊、急诊医生工作站系统，只有21%的医院使用制剂管理系统。(4)医疗区域发展不平衡由于经济社会发展不够协调，城乡“二元结构”问题比较严重，导致中国医疗区域发展不平衡。卫生部公布的2009年中国卫生事业发展统计公报显示，2008年全国卫生费用总支出中，城市达11255.0亿元，占77.4%；农村3280.4亿元，占22.6%。在一些偏远和落后地区，医疗卫生基础还非常薄弱。面对上述中国医疗卫生事业存在
94、的问题，除了加强政府职能、增加社会投入、完善医疗保障制度外，必须利用先进的科学技术手段，完善中国的医疗服务、弥补医疗资源的不足、增强医疗的信息化水平、提高医疗机构的能力和效率、促进医疗卫生在区域间的平衡发展。伴随着物联网技术的发展，发达国家和地区纷纷大力推进基于物联网技术的智慧医疗。基于物联网技术的智慧医疗系统可以实时感知各种医疗信息，方便医生准确地掌握病人病情，提高诊断的准确性；可以方便医生对病人的情况进行有效跟踪，提升医疗服务的质量；可以通过传感器终端的延伸，加强医院服务的效能，从而达到有效整合资源的目的。(4)医疗区域发展不平衡基于物联网技术的智慧医疗系统可以优化就诊流程，缩短患者排队挂
95、号等候时间，实行挂号、检验、交费、取药等一站式、无胶片、无纸化服务，简化看病流程，杜绝“三长一短”现象，有效解决群众“看病难”问题；可以提高医疗相关机构的运营效率，缓解医疗资源紧张的矛盾；可以针对某些病例或者某种病症进行专题研究，智慧医疗的信息平台可以为他们提供数据支持和技术分析，推进医疗技术和临床研究，激发更多医疗领域内的创新发展。基于物联网技术的智慧医疗将有效提升中国医疗服务的信息化水平，协助为人民群众提供一流的医疗信息服务，为构建和谐的社会环境打下坚实基础。3.6.2 智慧医疗系统与技术需求1.医疗信息感知2.医疗信息传输3.医疗信息处理1.医疗信息感知(1)体温传感器(2)电子血压计(
96、3)脉搏血氧仪(4)血糖仪(5)心电传感器(6)脑电传感器(1)体温传感器n体温传感器的种类很多，常用的包括接触式的电子体温计和非接触式的红外热辐射式温度传感器等。电子体温计利用某些物质的物理参数，如电阻、电压、电流等，与环境温度之间存在的确定关系，将体温以数字的形式显示出来。n红外热辐射式温度传感器根据普朗克辐射定律，即当物体的温度高于绝对零度时，都要以电磁波的形式向周围辐射能量，其辐射频率和能量随物体的温度而定。红外辐射式温度传感器就是根据检测人体表面的辐射能量而确定体温的。(2)电子血压计n电子血压计一般采用科氏音法原理，利用袖带在体外对动脉血管加以变化的压力，通过体表检测出脉管内血流与
97、外部压力的对应关系，进而测出脉管内的血压值。通常使用袖带充气，阻断动脉血流，然后缓慢放气，在阻断动脉点的下游监听是否出现血流。当开始监听到科氏音时，即开始有血流通过时，袖带内的压力为动脉内的收缩压；当血流完全恢复正常时，袖带内的压力为动脉内的舒张压。(3)脉搏血氧仪n脉搏血氧仪利用血液中氧合血红蛋白和还原血红蛋白的光谱吸收特性，用不同波长的红光和红外光两个光源交替照射被测试区（一般为指尖或耳垂），通过检测红光和红外光的吸光度变化率之比推算出动脉血氧饱和度。(4)血糖仪n目前使用最多的血糖仪一般都是微创的，即使用时需要采集患者少许血样。血糖仪的检测原理主要有两种：电化学法和光化学法。电化学法直接
98、测试血糖试条反应区产生的微电流，光化学法测试血糖试条吸光度的变化值。此外，还有一些无创的血糖检测方法，如近红外光谱无创血糖检测法、基于光声效应的无创血糖检测法和反离子电渗检测法等。(5)心电传感器心电传感器用于检测心脏产生的生物电。心脏在搏动前后，心肌发生激动。在激动过程中，会产生微弱的生物电流。心脏的每一个心动周期均伴随着生物电变化。这种生物电变化可传达到身体表面的各个部位。心电传感器可以通过电极，将体表不同部位的电信号检测出来。(6)脑电传感器脑神经细胞无时无刻不在进行自发的、有节律的放电活动，此连续的电活动被称为脑电波。脑电传感器可以检测大脑皮层各区域神经细胞群发出的脉冲性同步电位差。通
99、过对检测信号进行放大，以脑细胞电活动的电位作为纵轴，时间为横轴，这种电位与时间关系形成的曲线称为脑电图。除了上述各种用于医疗领域的专用传感器之外，在智慧医疗领域还经常使用其他一些通用传感器，如视频传感器、加速度传感器和RFID等。视频传感器是一种通用的视频输入设备，在医疗过程监控中，可以记录实际医疗环境和医疗的详细过程，在远程医疗中可以拍摄诊疗对象的实时情况供专家进行远程诊断。此外，微型的视频传感器还广泛应用于医疗内窥镜，以方便对病人的部分体内器官进行观察，如电子胃镜、电子十二指肠镜和电子结肠镜等。加速度传感器主要检测物体的运动变化，常用于日常健康监护，如行为识别和跌倒检测等。RFID不是严格
100、意义上的传感器，而只是一种电子标签，通过射频信号自动识别所附着对象并获取相关数据。在药品防伪中，通过为每个药瓶贴上RFID标签并配置唯一的序列号，可以对药品的整个流通过程进行跟踪，还可以根据序列号查询药品的真伪。在血液管理中，在采集的每一袋血液上都贴上RFID标签，可以记录献血者的相关信息，跟踪血液入库、出库、使用的整个流程。此外，RFID还被广泛地应用于手术器械管理、医疗设备管理、医疗垃圾的跟踪和移动护理中。2.医疗信息传输根据传输距离的远近，信息传输可以大致划分为4个概念层次：人体局域网（Body Area Network，BAN），个人区域网（Personal Area Network，
101、PAN），局域网（Local Area Network，LAN）和广域网（Wide Area Network，WAN）。人体局域网的传输距离一般在1m（或2m）之内，个人区域网的传输距离一般在10m之内，局域网一般在100m之内，而广域网的传输距离可达数千公里，乃至覆盖整个物理世界。在医疗应用中，人体局域网、个人区域网和局域网一般以无线通信方式为主。无线人体局域网利用近距无线通信技术，将穿戴在身体上的集中控制单元和多个微型的穿戴式或植入式传感器单元连接起来，它主要针对健康监护应用，可以长期、持续地采集和记录各种慢性病（如糖尿病、哮喘和心脏病等）病人的生理参数，并在需要时为病人提供相应的服务，如
102、在发现心脏病人的心电信号发生异常时，及时通知其家人和医院，在发现糖尿病人的胰岛素水平下降时，自动地为病人注射适量的胰岛素。2.医疗信息传输无线局域网是指以无线信道作为传输媒介的局部范围内的通信网络，它可方便地布设于家庭、医院等环境，用于将采集到的医疗信息传输到后台数据中心，或从后台数据中心获取相关数据。在移动医疗护理应用中，护士利用手持移动终端设备，可以方便地把病人的相关信息通过医院无线局域网传输到医院信息系统（Hospital Information System，HIS）的后台数据库中，也可以根据病人的唯一标识号，从后台数据库中读取病人的住院记录、化验结果等信息。广域网实现了局域网之间的互
103、联，由结点交换机以及连接这些交换机的链路组成，结点交换机实现分组存储转发的功能。广域网用于医疗信息的远距离传输，主要用于远程医疗、远程监护、远程教育与咨询等应用中的信息传输。3.医疗信息处理(1)操作型处理(2)分析型处理(1)操作型处理n指对医疗信息进行存储、查询、修改、删除等事物型处理，这种处理不需要复杂的数据分析过程，一般与数据管理中心的数据库进行联机操作。(2)分析型处理n指对医疗信息进行清理、变换、规约、融合、提取和建模等分析型处理，这种处理可能涉及数据库、人工智能、模式识别、大规模计算等多个领域，一般分析方法与数据管理中心的数据仓库进行联机操作。这种分析型的医疗信息处理又称为医疗数
104、据挖掘（MedicalDataMining）。n医疗信息具有多模性、不完整性、时间性、冗余性和隐私性5大特性，医疗数据包括纯数据（如体征参数、化验结果）、信号（如肌电信号、脑电信号等）、图像（如B超、CT等医学成像设备的检测结果）、文字（如病人的身份记录、症状描述、检测和诊断结果的文字表述），以及语音和视频等信息。n因此，医疗数据挖掘涉及图像处理技术、时间序列（TimeSeries）处理技术、数据流（DataStream）处理技术、语音处理技术和视频处理技术等多个领域。这里不对这些技术做详细描述。3.6.3 智慧医疗应用与市场预期1.智能医疗监护2.医疗产品智能管理3.医疗器械智能管理4.智能
105、医疗服务5.远程医疗1.智能医疗监护(1)生命体征监测(2)人员及设备定位(3)行为识别及跌倒检测(1)生命体征监测n生命体征监测通过将电子血压仪、电子血糖仪等各种可移动、微型化的电子仪器和设备植入到被监护者体内或者穿戴在被监护者身上，持续记录各种生理指标，并通过内嵌在设备中的通信模块，以无线方式及时将信息传输给医务人员或者家人。n生命体征监测系统一般包含4个主要部分。n生命体征采集设备：生命体征采集设备包含各种传感器，用于采集被监护者的各种生命体征。n数据传输网络：数据传输网络用于将采集到的各种传感器数据传输到局部数据存储中心或后台数据库。n数据存储及分析模块：在数据中心，将对各种数据进行存
106、储，并根据应用需求进行相应的分析和处理。n功能服务模块：根据数据处理结果为用户提供相应的服务。(2)人员及设备定位n在医疗过程中，对于医务人员、患者、医疗设备的实时定位可以很大程度上改善工作流程，提高医院的服务质量和管理水平，可以方便医院对特殊病人（如精神病人、智障患者等）的监护和管理，可以对紧急情况进行及时的处理。n常用的室内定位方法包括基于RFID标签的方法和基于WiFi的方法，前者通过识别阅读器读取RFID标签时的物理位置“邻近”关系来定位目标，后者根据在当前位置所接收到的各个WiFi访问点（AccessPoint，AP）的信号强度，利用基于传播模型的方法或基于机器学习的方法来实现目标定
107、位。nEkahau公司在室内定位领域处于领先地位，其开发的基于WiFi的实时定位管理系统（RealTimeLocationSystem，RTLS）已经在全球的医疗机构中成功实施了近千家，包括南卡罗莱纳州的PalmettoHealth，北卡罗莱纳州的CarolinasHealthcare，佛罗里达州的JacksonvilleNavalHospital和亚利桑那州的JCLincolnPhoenix等。(3)行为识别及跌倒检测n行为识别系统可识别各种身体行为（如静止、走路、跑步、上下楼梯等）。连续的行为识别可以计量用户走路或者跑步的距离，进而计算运动所消耗的能量，据此对用户的日常饮食提供建议，保持能
108、量平衡和身体健康。Nokia公司开发的计步器程序StepCounter可以利用手机中内置的加速度传感器识别行走动作，统计携带者每天走过的总步数和总距离，进而推算每天消耗的热量，为运动和健身提供比较科学的指导。n跌倒检测系统能够检测患者（特别是高血压患者等特殊人群）的意外摔倒并迅速报警，为救治争取宝贵的时间。美国佛罗里达州立大学的研究人员研制出一款名为iFall的跌倒检测系统。iFall以Android智能手机为平台，利用内置在手机中的三维加速度传感器，通过基于阈值的跌倒检测算法来判断用户是否跌倒，并提供及时的报警服务。2.医疗产品智能管理(1)药品防伪(2)血液管理(3)医疗垃圾处理(1)药品
109、防伪假药由于制药不规范、材料不合格等原因引发了众多安全问题，急需规范药品的生产和流通环节、打击猖獗的假药市场，以保护患者的生命安全。药品防伪一般采用RFID电子标签识别技术。生产商为生产的每一批药品甚至每一个药瓶都配置唯一的序列号，即产品电子代码（Electronic Product Code，EPC）。通过RFID标签存储药品序列号及其他相关信息，并将RFID标签粘贴在每一批（瓶）药品上。在整个流通环节，所有可能涉及药品的生产商、批发商、零售商和用户等都可以利用RFID读卡器读取药品的序列号和其他信息，还可以根据药品序列号，通过网络到数据库中检查药品的真伪。英国制药企业葛兰素史克公司将RFI
110、D标签用于HIV治疗药物Trizivir的防伪，防止偷盗和非法假冒。辉瑞制药公司同样采用RFID技术和验证服务，方便用户验证产品的真伪，同时还可用于发现和召回过期药品，保障消费者的合法权益以及药品市场安全。Purdue Pharma公司对生产的奥斯康定（OxyContin）药品都贴上了一个RFID标签，跟踪药品在整个供应链中的轨迹。(2)血液管理n血液是医疗手术的必需品，卫生、安全的血液是医治重危患者的基本保证。血液从采集、运输、存储到使用的整个过程中，包含多个环节，涉及献血者资料、血液类型、采血时间、运输过程的环境条件、经手人等众多信息，必须要有有效的管理系统，全程、全方位地监管整个流程。n
111、在血液管理中，献血者首先进行献血登记和体检，合格后进行血液采集。每一袋合格的血液上都被贴上RFID标签，用唯一的RFID编码标识这袋血液，同时将血液基本信息和献血者基本信息存入管理数据库。血液出入库时，可以通过读卡器查询血液的基本信息，并将血液的出入库时间、存放地点和工作人员等相关信息记录到数据库中。(2)血液管理n在血库中，工作人员可以对库存进行盘点，查询血袋的存放位置，并记录血液的存放环境信息。在医院或患者使用血液时，可以读取血液和献血者的基本信息，还可以通过RFID编码从数据库中查询血液的整个运输和管理流程。n基于RFID识别技术的血液管理实现了血液从献血者到用血者之间的全程跟踪与管理，
112、可以最大程度地降低混淆风险和使用错误。同时，由于采用无线技术，整个过程不需要接触性识别，从根本上避免了血液污染。n在国内，中国科学院自动化研究所和一些公司都开发了基于RFID的血液管理系统，可以监管血液管理的整个流程，并在出现意外事故时进行责任追溯。在国外，德国KlinikumSaarbruecken医院利用RFID技术帮助医护人员进行血液验证，确保病人得到匹配的血液供给。美国密西里州血库同样应用RFID技术进行血库管理。(3)医疗垃圾处理n医疗垃圾含有大量的细菌或病毒，有的医疗垃圾还有放射性和传染性，随意处理不仅会给环境带来严重的污染，更会给人类健康带来极大的威胁。利用RFID和定位技术可以
113、实现对医疗垃圾整个处理过程的全程跟踪管理。通过在装载医疗垃圾的纸箱和塑料容器上粘贴RFID标签，可以对每一箱垃圾进行唯一的标识。n垃圾处理车上装有RFID读取设备，可以不间断地读取所装垃圾箱上的标签信息。垃圾处理车装有无线通信装置和卫星定位设备，可以将所有垃圾箱的标签信息和当前位置实时地汇报给医疗垃圾监控中心。从监控中心可以定位垃圾处理车的位置，监控垃圾处理车上的垃圾箱。借助医疗垃圾监控系统，监管部门可以有效监督医院、运输单位、垃圾处理场等相关单位的处理流程，实现医疗垃圾的安全管理。n在国内，相关公司开发了RFID医疗废物监控系统，实现了医疗废物装车、运输、中转、焚烧整个流程的监控。在国外，日
114、本垃圾管理公司Kuregha公司也利用RFID技术进行了医疗垃圾的跟踪试验，验证了RFID技术在医疗垃圾运输监管中的作用，可避免医疗废品的非法处理。3.医疗器械智能管理(1)手术器械管理(2)手术材料管理(3)医疗器械追溯(1)手术器械管理n传统手术器械管理方法不能对手术器械的清洗、分类、包装和使用整个流程进行严格的监控管理，时常会出现手术器械消毒不严格、二次污染、器械包超过有效期等事故。nRFID手术器械管理系统通过为每个手术包配置一个RFID标签，存储手术器械包的相关信息（包括手术器械种类、编号、数量、包装日期、消毒日期等）。在使用过程中，医务人员可以通过手持或台式RFID读写器对RFID
115、标签进行读取或写入，并通过网络技术与后台数据库进行通信，读取或存入手术器械包的管理信息，实现手术器械包的定位、跟踪、监管和使用情况分析。n中国人民解放军总医院（301医院）和国内某公司研发的“手术包RFID安全追溯信息管理系统”经过在301医院一年多的运行，不仅节省了医疗成本，还有效保障了手术包的使用安全。医院消毒供应中心每天发出手术器械包400多个，信息管理系统可以准确记录和追溯每个医疗器械包的使用流程。(2)手术材料管理n现实生活中，偶尔会发生手术过后在病人体内遗留手术材料（如手术棉球、纱布等）的医疗事故，不仅影响手术质量，还给病人日后生活带来隐患。RFID技术可以帮助医生完成复杂而费时的
116、手术材料清点工作，提高手术过程的安全性。n美国的Haldor先进技术公司开发了ORLocate系统，它通过RFID识别技术标记手术过程中使用的每一个物品，可在任何时间检查各类物品的数目。ORLocate系统大大提高了手术室后勤和流水作业的效率，确保了患者的安全。美国匹兹堡ClearCount医疗服务公司从2004年就开始开发嵌有RFID芯片的手术棉球。西门子公司IT服务部也与慕尼黑伊萨尔河大学医院合作，使用主动式和被动式RFID标签来跟踪棉球、药签等外科手术时使用的器械，并对手术全过程进行追踪。(3)医疗器械追溯n植入性医疗器械在临床医疗中运用越来越广泛，这类医疗器械被种植、埋藏、固定于机体受
117、损或病变部位，以支持、修复或替代机体功能，包括心脏起搏器、人工心脏瓣膜、人工关节、人工晶体等。植入性医疗器械属于高风险特殊商品，其质量的可靠性、功能的有效性直接关系到接受植入治疗患者的身体健康和生命安全。nIBM公司和可植入医疗设备制造商Implanet公司联手开发了BeepNTrack方案，为Implanet公司生产的膝盖和臀部植入设备提供从供应链到医院的全过程追踪服务。Implanet公司将含有唯一标识码的RFID标签贴在单件设备的包装上，并采用RFID技术对设备的运输进行跟踪。标签在手术后提供给病人，这样病人可以了解到所植入设备的全部信息。4.智能医疗服务(1)移动门诊输液(2)移动护理
118、(3)智能用药提醒(4)智能辅助5.远程医疗n远程医疗能够为偏远地区的病人提供及时的诊断与治疗，缩短诊疗时间和降低费用。此外，远程医疗还能对高发病人群，如老年人、残疾人和慢性病患者实行远程家庭监护，提高患者的生活独立和生活质量。加拿大Intouch-health公司与美国约翰霍普金斯大学合作研发了远程现场机器人“Physician-Robot”，使得医生可以在任何地点通过网络，操作机器人巡视或问诊病人的情况。n根据卫生部的统计，2008年中国健康医疗市场规模已超过10000亿元人民币，如果按照21世纪的前10年中国健康医疗市场年均超过10%的增长速度计算，预计到2020年，中国将会成为全球仅次
119、于美国的第二大医疗市场。智慧医疗的发展、应用和推广，将进一步提升中国的医疗卫生水平。预计在未来几年内，中国智能医疗市场的规模将超过一百亿元。3.7 智能环保3.7.1 智能环保概述3.7.2 智能环保系统与技术需求3.7.3 智能环保应用与市场预期3.7.1 智能环保概述(1)感知互动层面(2)网络传输层面(3)应用服务层面(1)感知互动层面n感知互动层面具有全面感知的特性，通过结合各种传感技术，对人、物品、自然环境及生态系统等静态或动态的信息进行大规模、分布式的感知以获取有用信息，针对具体感知任务，常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线计算与控制，并通过接入设备将获取的感
120、知信息与网络中的其他单元进行资源共享与交互。(2)网络传输层面n网络传输层面通常包括接入和传输，通过结合各种通信和网络技术，将各种分散的来自于感知互动层的信息接入现有移动通信网、无线城域网、无线局域网、卫星网等通信基础设施，最终传输到应用系统服务器或互联网中。(3)应用服务层面n应用服务层面具有智能处理的特性，通过各种智能运算技术，对海量的信息进行全面的分析，提升人类对物理世界的洞察力，辅助进行智能的决策和调节控制。n随着通信技术、嵌入式技术、半导体技术及传感器技术的快速发展，物联网技术凭借其低成本、低能耗，适合于快速灵活大规模部署及自动智能化处理方面的优势，将能有效地改善目前环境监测和预警系
121、统中存在的问题，及时有效地控制和减轻环境污染等事件的危害。(3)应用服务层面n与传统的环境监测网络相比，基于物联网技术的环境监测网络有以下诸多优点。n监测更精细：传感器节点一般与被监测对象距离较近，较卫星和雷达等独立监测系统相比，提高了监测精度和准确性，因此可以对环境状况进行精确传感。n监测更可靠：由于物联网感知互动层（无线传感网）的自治、自组织和高密度部署（冗余性），当传感器节点失效或新的节点加入时，可以在恶劣的环境中自动配置与容错，使得无线传感网在环境监测中具有较高的可靠性、容错性和鲁棒性。n监测实时性更好：分布位置不同的多个传感器、多种传感器的同步监测，使得环境状况改变的发现更加及时，也
122、更加容易。分布式的数据处理、多传感器节点协同工作，使监测更加的全面，使得在无人环境、恶劣环境情况下，环境信息的实时采集和传输成为可能。3.7.2 智能环保系统与技术需求1.环境监测感知技术2.环境监测传感网技术3.环境监测信息处理技术1.环境监测感知技术(1)大气污染监测(2)水体污染监测(3)土壤污染监测(1)大气污染监测大气污染是指自然或人为因素使大气中某些成分超过正常含量或排入有毒有害的物质，对人类、生物和物体造成危害的现象。大气污染物目前已知约有100多种，主要分为有害气体（二氧化碳、氮氧化物、碳氢化物、光化学烟雾和卤族元素等）及颗粒物（粉尘和酸雾、气溶胶等）。大气污染的危害主要有以下
123、4个方面：对人体健康造成严重的损害；使陆地和海洋生物中毒甚至死亡，还会使生物组织中含有有毒物质，间接危害人类的健康；对物体的腐蚀，如金属建筑物出现的锈斑、古代文物的严重风化等；对全球大气环境的影响，全球气候变暖、臭氧层破坏、酸雨频发等。(1)大气污染监测大气污染监测的目的在于通过气体传感器识别大气中的污染物质，掌握其分布与扩散规律，监视大气污染源的排放和控制情况。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。根据气体传感器使用的气敏材料以及气敏材料与气体相互作用的效应不同，可以大致将气体传感器分为以下几类：半导体气体传感器、电化学气体传感器、固体电解质气体传感器、接触
124、燃烧式气体传感器、光化学型气体传感器、石英谐振式气体传感器、表面声波气体传感器等。(2)水体污染监测水体污染主要指由于人类活动排放的污染物进入河流、湖泊、海洋或地下水等水体，使水和水体的物理、化学性质或生物群落组成发生变化，从而降低了水体的使用价值。水体污染的主要危害如下：严重危害人体健康，据世界卫生组织统计，全世界75%左右的疾病与水有关。常见的伤寒、霍乱、胃炎、痢疾和传染性肝炎等疾病的发生与传播，都和直接饮用污染水有关。破坏水环境生态平衡，如造成水体富营养化，导致藻类大量繁殖。对工业、农业、渔业生产等的影响，水产品和农作物因水体污染而减产或无法食用，给渔业和农业生产带来很大损失。水体污染还
125、破坏了宝贵的水资源，使本来就十分紧张的水资源更加短缺。(3)土壤污染监测n由于具有生理毒性的物质或过量的植物营养元素进入土壤而导致土壤性质恶化和植物生理功能失调的现象，称为土壤污染。土壤污染物主要有以下几类：n有机污染物；n无机污染物；n重金属污染物；n固体废物；n病源微生物；n放射性污染物。2.环境监测传感网技术(1)无线水下传感器网络(2)无线地下传感器网络(1)无线水下传感器网络无线水下传感器网络是陆地传感器网络向水下应用的延伸，是指将低能耗、短距离通信的水下传感器节点部署到指定水域中，利用节点的自组织能力自动组网。利用传感器实时监测、采集网络分布区域内的各种监测信息，经数据融合等信息处
126、理后，通过具有远距离传输能力的水下汇聚节点将实时监测信息送到水面基站，然后通过近岸基站或卫星，将实时信息传输给用户。无线水下传感器网络可以实时监测河流、湖泊、海洋环境，如水质监测以获取相关水资源被污染的信息，海洋环境采样、海洋生物系统监测等。水下传感器网络与陆地传感器网络有很大不同，具有以下几个特点：水下传感器节点和网络具有三维移动性特点，节点易受海流的影响而移动，因此，组网方式一般是自组织网络；水下传感器网络主要利用水声进行通信和组网；能量供给有限，因为无线传输，所以需要电池供电，而水下环境使得更换电池更为困难。另外，节点发送信息耗能比接收信息往往大很多倍。(2)无线地下传感器网络由于地下环
127、境特殊，与陆地传感器网络和水下传感器网络有很大不同，体系结构、硬件节点设计以及各层通信协议都需要重新考虑，具有以下两个特点。与水下传感器节点相比，能量问题更加具有挑战性。这是因为土壤对电磁波的衰减作用较大，因此无线地下传感器网络不能够靠减小发送功率的方法来节省能量。此外，由于传感器节点埋藏在地下，无法对节点无法进行能量补充。地下信道十分复杂，对地下信道的研究和建模目前仍不成熟。土壤成分和密度分布不均匀，使电磁波在其中的传播过程更加复杂。地面作为不同媒质的分界面，可能引起电磁波的反射、折射。土壤中有岩石、树根、洞穴等多种物质，也会对电磁波的传播产生多次反射或散射，造成多径衰落效应。目前，研究人员
128、正在无线地下传感器网络这一新领域进行全新的探索，并取得了一些初步进展。有研究结果表明，使用几百兆赫兹的电磁波，土壤环境中的通信是可以实现的。还有研究人员利用MICA2节点进行了大量的现场试验，试验结果表明：将MICA2节点放置在地下4050cm时，工作频率设置在433MHz，土壤对电磁波的衰减在可接受的范围；无线信道表现出较好的时间稳定性；土壤的体积含水量参数对通信质量的影响较大。3.环境监测信息处理技术(1)环境监测信息融合技术(2)不确定性数据处理技术(3)环境监测中的信息预测技术(1)环境监测信息融合技术n物联网感知互动层传感器网络通常是能量严重受限的网络，而网络中传输数据的能耗远大于处
129、理数据的能耗，为了节省传感器节点能量的消耗，减少网络数据的传输量，传感器网络在数据收集的过程中常常使用数据融合技术。n通俗来讲，数据融合技术就是将多份数据或信息进行处理，组合出更为有效、更符合用户需求的数据的过程。对物联网感知互动层进行数据融合处理可以带来如下好处：第一，在向汇聚节点发送数据之前，删除冗余、无效和可信度较差的数据，从而减少了数据包的发送数量，进而节省了网络的能量消耗，同时可在一定程度上减轻网络负担、提高网络收集数据的实时性；第二，通过对同一区域监测的多个传感器节点采集的数据进行综合，减小信息冗余性，从而有效地提高数据的精度和可信度。(2)不确定性数据处理技术n面向环境监测的应用
130、往往具有很大的数据量，且由于测量和采样等误差以及网络传输的延迟导致这些应用所涉及的数据往往在一定程度上具有某些不确定性。不确定数据的特点是每个数据对象不是单个数据点，而是按照概率在多个数据点上出现。n因此，在对采集到的数据进行处理时，必须考虑数据的不确定性，才有可能获得正确的监测结果。针对不确定性数据的研究，主要包括数据管理和数据挖掘两大方面，其中不确定性数据管理研究相对成熟。不确定性数据管理主要的研究方向包括：数据不确定性数据的表示与建模、存储与索引以及查询分析处理等。与数据管理相比，不确定性数据挖掘还不十分成熟，主要研究内容为不确定性数据分类、聚类、频繁项集挖掘以及孤立点检测等。n本节对这
131、部分内容不在赘述，有兴趣的读者可以参阅一些综述文献，做进一步了解。(3)环境监测中的信息预测技术环境预测就是根据自然界环境系统的发展规律及收集到的环境监测数据，对环境发展趋势进行估计和预测，为提出防止环境恶化和保护环境的对策提供有效依据。基于物联网技术的环境监测信息预测，其基本思路是利用无线传感器网络收集来的监测数据，对数据进行加工整理、分析，选用合适的预测方法，获得实时、可靠、准确的环境预测信息，并实现智能化的决策支持系统，大大提升环境保护和灾害预防的监控能力和效率。常用的预测技术包括以下几种。数理统计预测技术：其中包括基于回归分析法的预测技术，基于时间序列分析法的预测技术等。数学理论预测技
132、术：如基于模糊理论的预测技术，基于灰色理论的预测技术，基于突变理论的预测技术等。智能预测技术：如基于神经网络的预测技术，基于专家系统的预测技术，基于遗传算法的预测技术等。3.7.3 智能环保应用与市场预期1.水质污染监测2.城市气候和空气污染物监测3.森林生态监测系统4.地质灾害监测1.水质污染监测n“感知太湖、智慧水利”是结合物联网技术应用，对太湖治藻护水工程的首个成果化项目，集水环境治理、水资源管理、防汛防旱指挥决策于一体，被列入无锡市“物联网示范应用项目”之一。n目前，该系统已经取得阶段性进展，在太湖中部署有十几个球状浮标，安放了传感芯片和摄像头，湖水中的蓝藻密度受到严格的监控。一旦周围
133、的湖面出现蓝藻密集情况，智能感知节点马上就会报警。蓝藻打捞完后，系统还会自动指示交通船舶将蓝藻运送到就近的藻水分离站。n2010年的监测结果表明该系统对蓝藻的防范监控及时有效，取代了之前依靠人工取水、实验室化验的老办法，太湖大面积暴发蓝藻的警报已基本解除。物联网技术在有效预警太湖蓝藻暴发方面发挥了重要作用。2.城市气候和空气污染物监测n哈佛大学、BBN公司和美国马萨诸塞州剑桥城联手进行一项为期4年的项目CitySense，打造全球首个全城无线传感器网络。n研究人员计划2011年以前在路灯上装置100个无线传感器。每个节点都将含有一个内置PC、一个无限局域网界面和各种用于监测气候状况和空气污染物
134、的传感器。CitySense可以报告整个城市的实时监测数据，并且其收集数据的规模之大是前所未有的。n据悉，CitySense网络最初计划用于监测环境变量，如温度、风速、降雨量、大气压和空气质量等，但未来传感器的用途将会呈现多种可能性，从计算大气污染物的传感器到用于测量噪声污染的送话器（麦克风），甚至可以通过轿车和公交车上的移动传感器收集信息。3.森林生态监测系统n森林作为陆地生态系统主体，在调节全球碳平衡、减缓大气CO2浓度上升，以及调节全球气候方面具有不可替代的作用。为了给林业生态监测提供可靠的原型系统，中国研究人员于2008年下半年开始在浙江天目山开展了“绿野千传”项目“用于森林生态监测的
135、长期大规模无线传感器网络系统”。n“绿野千传”用于森林生态环境的全年实时监测，通过传感器收集包括温度、湿度、光照和二氧化碳浓度等多种数据。采集的信息为多种重要应用提供支持，如森林监测、森林观测和研究、火灾风险评估、野外救援等。目前该原型系统已部署超过300个传感器节点，至今连续运转超过一年时间。3.8 智能家居3.8.1 智能家居概述3.8.2 智能家居系统与技术需求3.8.3 智能家居应用与市场预期3.8.1 智能家居概述1.家居设施能耗过高2.家庭安防手段落后3.家用电器使用不便1.家居设施能耗过高n根据西门子公司的研究报告，欧美等国家的能源消耗，有相当大一部分是来自于建筑物本身，在英国，
136、其二氧化碳的排放量，甚至有高达6成以上是来自于建筑物的耗电与热排放，即便是在老旧建筑较少的美国，其建筑物能源消耗比例也高达4成，虽然说用户本身的能源使用习惯占了相当重要的因素，但是建筑物本身对能源的消耗控管缺乏有效率的主动措施，也是造成这种结果的因素之一。n而对于中国，有关数据表明，中国建筑能耗是世界上同纬度国家的3倍，占全国能源消耗总量的27.8%，对社会造成了沉重的能源负担。其中，又以照明、空调及采暖设备，以及其他电器设备为主，这些设施耗电占全国建筑总能耗的46%，而单是照明耗能就占到了整个建筑电量能耗的25%35%。2.家庭安防手段落后n家居安全问题主要分为两类，一类是由于意外或疏忽导致
137、的家居设施事故问题，包括煤气泄漏、水管破裂、发生火灾。据公安部消防局公布的火灾统计数据，2008年110月居民住宅共发生火灾4.3万起，死亡771人，受伤267人，直接财产损失1.9亿元，其中79.7%的住宅火灾是违反电气安装使用规定、用火疏忽等因素引起。n另一类是非法闯入，包括入室抢劫和入室盗窃等。由于流动人口增加、社会贫富差距扩大等原因，社会治安状况更趋复杂，入室盗窃、抢劫、杀人等犯罪活动日益猖獗。2009年，全国公安机关共立入室盗窃案件50.2万起、入室抢劫案1.3万起。因此，家庭安全防范问题显得尤为严重。2.家庭安防手段落后n传统的家居安防系统也通常会提供一部分火灾报警、燃气泄漏报警等
138、功能，但由于采集的信息有限，误报率较高，而且只能实现就地报警，不能实现实时远程报警以减少损失和抢救生命。n而对于防卫非法闯入，传统的家庭防卫装置，如普通的防盗窗、防盗网等在实际使用中存在很多问题，包括影响城市市容、影响火灾时的逃生以及为犯罪分子提供攀爬条件等。此外，这些简单的防盗系统也不能记录犯罪证据以协助公安部门迅速捕捉嫌疑犯。3.家用电器使用不便自从电气时代以来，各种不同用途的电子电气产品陆续进入了家门，成为了人们生活中的日常家居设施。洗衣机、电视机、电冰箱、热水器等在家庭中已日益普遍。这些电气或电子产品的开关和运行控制，或依赖于手工机械按键，如照明灯具或微波炉等，或依赖于独立的无线电遥控
139、器，由人们在附近几米范围内进行“遥控”。随着家用电器及遥控器的增加，以及对生活舒适度的进一步追求，这种就地控制以及电器被动响应的工作方式仍然显得不够便利。智能家居，是物联网应用的一个典型领域，它是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术、智能控制技术，将与家居生活有关的各种设施子系统有机地结合在一起，具体来说是利用信息传感设备（同居住环境中的各种物品松耦合或紧耦合）与家居生活有关的家电、安防和水电气等设施集成，并通过公众通信网络（互联网）互联起来进行监控、管理信息交换和通信，以构建高效的住宅设施与家居管理系统，提供安全、舒适和环保的居住环境。智能家居的发展已经迈出了可喜的一步，目前已
140、经出现了部分“智能”的家居设备，例如远程抄表系统、自动窗帘等，实现了初步的“家庭自动化”，但离真正的智能家居还有不少的距离。建造全球首栋智能家居的比尔盖茨说，独立的智能家居设备和软件迟早会被取代，未来的智能家居最大的特色是“整合”：将各种家居设施包括灯光、安防、多媒体、采暖等通过网络和服务整合在一起，这正是物联网技术应用在智能家居中需要解决的问题。3.家用电器使用不便使用物联网技术连接与管理家居设施，在易用性与智能化方面对于现有的家居系统有着革命性的意义。具体来说，其优势包括如下几点。高效节能：各种家用电器、照明灯具等能源消耗设施可以在不需要时自动关闭，或以最低能耗运行，一方面降低家庭水电费开
141、支，同时也为节能减排做出贡献。使用方便：智能家居将所有家居设施通过公众通信网络互联，用户可以通过远程和更加灵活的交互方式控制家居设施的运行，既可以通过广泛普及的移动手机，也可以直接在互联网上操作。安全性高：智能家居中的安防系统可以有效防范恶意人群的非法入侵，或在意外事故等紧急情况下报警，而且用户可以随时随地监控家庭安全状况。3.8.2 智能家居系统与技术需求1.传感器技术2.网络传输技术3.信息处理技术1.传感器技术(1)门磁传感器(2)可燃气体探测器(3)水浸传感器(4)烟雾传感器(5)红外和压力传感器(6)光线传感器(7)读数传感器(1)门磁传感器n通常安装在门窗上，用于感知门窗的开闭情况
142、。门磁传感器一般安装在门内侧的上方或边上，它由两部分组成：永磁体和磁敏干簧管。当门窗紧闭时，磁敏干簧管由于受到磁性的作用处于接通状态；当门窗打开后，磁敏干簧管内的两个触点会断开，导致发射电路导通，进而发射包含自身识别码的特定无线电波，远程主机通过接收该无线电信号的识别码，判断是哪个门磁传感器报警。门磁传感器工作可靠、体积小巧，尤其是通过无线的方式工作，使得安装和使用非常方便、灵活。(2)可燃气体探测器主要探测空气存在的一种或多种可燃气体，智能家居应用中主要用于检测煤气或天然气泄漏问题。目前使用最多的是催化型和半导体型两种类型。催化型可燃气体探测器是利用难熔金属铂丝加热后的电阻变化来测定可燃气体
143、浓度。当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧），其产生的热量使铂丝的温度升高，并改变铂丝电阻率，改变输出电压大小从而测量出可燃气体浓度。半导体型探测器是利用灵敏度较高的气敏半导体元件工作的，当遇到可燃气体，半导体电阻下降，下降值与可燃气体浓度有对应关系。(3)水浸传感器n用于检测家庭环境中的漏水情况。在日常生活中，由于器材老化或者人的疏忽，家庭供水系统泄露是经常发生的事情。水浸传感器一般分为接触式和非接触式两种。接触式水浸传感器一般都配有两个探针，当两个探针同时被液体浸泡时，两个探针之间就有电流通过，从而检测到有漏水的情况；非接触式水浸传感器根据光在两种不同媒质界面发生全反射
144、和折射的原理，检测漏水的存在。(4)烟雾传感器n主要用于监测家中烟雾的浓度来防范火灾，通常使用离子式烟雾传感器，它的主体部分是一个电离腔。电离腔由两个电板和一个电离辐射的放射源组成，放射源发出的射线可以电离腔内空气中的氧和氮原子，产生带正电和负电的粒子，并在电离腔内移动形成微小电流。当烟雾进入电离腔时，会导致这一电流下降，从而测量出烟雾信息。(5)红外和压力传感器n主要用于探测是否有不速之客非法闯入家中。红外传感器探头在探测人体发射的红外线辐射后会释放电荷，以此判断人的存在。该传感器功耗低、隐蔽性好，而且价格低廉。但是它容易受各种热源和光源干扰。压力传感器一般利用压电材料来探测人的闯入，压电材
145、料在受到外力作用后，内部会产生极化现象，并产生与压力大小成比例的电荷，通过测量电荷电量可以计算出外力。(6)光线传感器n通常用于检测当前环境的照度，进而为智能照明提供数据。光线传感器主要使用光敏二极管测量光强，该二极管在收到光照后，会激发出与光强度成正比的光电流，进而在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。(7)读数传感器n在智能抄表和家庭节能中有着广泛的应用。读数传感器由现场采集仪表和信号采集器两部分组成。每当水、电、煤气表读数出现变化时，现场采集仪表实时地产生一个脉冲读数；信号采集器是一个计数装置，当收到现场采集仪表发送过来的脉冲信号后，对脉冲信号进行取样，获取各类仪表的读数变化
146、。2.网络传输技术(1)智能家居中的有线传输技术(2)智能家居中的无线传输技术(1)智能家居中的有线传输技术有线传输方式由于其可靠性好、协议设计方便、低功耗的特点，是智能家居网络中的首选传输方式。目前智能家居中的有线传输方式有多种，如电力载波的X-10和CEBUS、电话线的HomePNA、LonWorks总线、R-485总线和CAN总线等。这些实现方案有各自的优缺点，适用于要求不同数据传输率和数据传输范围的不同场合。在众多有线传输方式中，LonWorks总线和X-10电力载波技术是目前智能家居中最为常见的两类有线传输方式。(1)智能家居中的有线传输技术LonWorks总线技术LonWorks是
147、由美国Echelon公司于20世纪90年代初推出的现场总线技术，是一种开放标准，也是目前世界上应用最广、最有发展前途的现场总线技术之一。在LonWorks网络中，一个具有网络逻辑地址的智能设备成为一个节点，每个节点可具有多种形式的I/O功能，网络传输媒介可以是电力线、双绞线、无线（RF）、红外（IR）、同轴电缆和光纤中的任何一种，适用面极其宽泛。LonWorks技术的核心是LonTalk协议，该协议基于ISO/OSI的七层模型设计，具有良好扩展性与可移植性，且方便与TCP/IP网络上的节点通信。(1)智能家居中的有线传输技术X-10电力载波技术X-10协议是以电力线为连接介质，对电子设备进行远
148、程控制的通信协议，广泛应用于家庭安全监控、家用电器控制和住宅仪表数字读取等方面。在X-10协议中，由于采用了电力载波的方式传输信息，对家用电器的控制信号可以直接在已有的电力线上传输，不需要重新布线。但是，在中国，X-10技术受电网限制，有反应速度慢（60Hz供电系统中，传输一个指令需0.883s）、抗干扰性能差等缺点，这都为其推广应用带来实质性的困难。国内已有部分厂家和代理商推出了针对中国住宅情况改进的X-10配套产品，但实际应用仍较为有限。(2)智能家居中的无线传输技术n无线传输机制相对于有线传输机制易于部署和扩展，将成为未来智能家居网络的首选通信机制。n在智能家居网络中，无线局域网（WLA
149、N）技术是最为常见的一类无线传输手段。WLAN技术使用了IEEE802.11通信协议，该协议是一个开放的标准，工作在2.4GHz的ISM频段上，总数据传输速率设计为2Mbit/s。n基于802.11协议，无线设备间的通信可以以自组织（adhoc）的方式进行，也可以在基站（BaseStation，BS）或者访问点（AccessPoint，AP）的协调下进行。802.11协议还有802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等众多扩展版本，802.11g是目前最常用的标准，数据传输速率可达54Mbit/s，802.11n在802.11g的基础上将数据传输速率再次提高到300Mbit
150、/s以上。(2)智能家居中的无线传输技术n其他的家庭无线传输技术还包括ZigBee、蓝牙、HomeRF协议和IrDA传输技术等。nZigBee技术是IEEE802.15.4协议的代名词，是一种短距离、低功耗的无线通信技术，常用于无线传感器网络通信。n蓝牙技术是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线通信技术，常用于包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。nHomeRF协议主要针对家庭无线局域网设计，支持语音和数据传输，该协议是IEEE802.11与DECT的结合，使用开放的2.4GHz频段。上述3种技术均工作在2.4GHz频段。nIrDA是一种利
151、用红外线进行点对点通信的技术，具有体积小、功率低的特点，数据传输率较高，抗干扰性较强，但必须直线视距连接，限制太大，并不适合于我们通常意义上的家庭网络，常见于遥控设备。3.信息处理技术(1)主人状态识别与预判(2)主人身份识别(1)主人状态识别与预判n智能家居系统的一个重要能力在于能根据主人当前所处状态，控制各类家居设备主动服务，达到变更家居环境，或是协助主人行为的效果，甚至能够通过预测主人的下一步动作做好服务准备。n主人状态识别技术n在主人状态识别方面，需要智能家居系统从众多传感器的观测数据中，分析提取主人的特征行为，且在分析的实时性和可靠性上有较高要求。但由于不同用户有不同的生活习惯，主人
152、状态难以在设备出厂前准确定义，因此智能家居系统必须具备对主人生活习惯的快速学习能力。机器学习技术是其中的重要技术。n机器学习技术用于研究计算机如何模拟或实现人类的学习行为，它通过自动发现数据中的规律，通过计算和统计的方式自动从数据中提取信息。按照学习中使用推理的多少，机器学习所采用的策略大体上可分为6种：机械学习、示教学习、演绎学习、类比学习、基于解释的学习和归纳学习。学习中所用的推理越多，系统的能力越强。(1)主人状态识别与预判n主人状态预测技术n在预判主人行为方面，由于难以对主人的各种行为作明确判断与划分，因此难以直接预测。但是，当用户在家庭环境中生活，将与家庭环境相互作用，而且这种作用能
153、够改变家庭环境的状态，而这些状态的改变能够被直接观察到，此时结合隐马尔科夫模型，能够对智能家居系统下一步需要采取的行为做出准确预测。n马尔可夫（Markov）模型，本质上是一种随机过程，这一随机过程具有无后效性，即当前时刻状态完全取决于其前一时刻状态。隐马尔可夫模型（HMM）是一个二重马尔可夫随机过程，它包括具有状态转移概率的马尔可夫链和输出观测值的随机过程。其状态是不确定或不可见的，只有通过观测序列的随机过程才能表现出来。隐马尔可夫模型是一种强大的统计学机器学习技术，它提供了一种基于训练数据的概率自动构造识别系统。(2)主人身份识别n主人身份识别主要用于家庭安防系统，用于判断入侵者身份，从而
154、选择开启门禁或是报警操作。或是用于智能小区，根据业主身份启动与业主本人相关的一系列服务，比如在杭州某智能小区内，住宅电梯可以根据业主身份自动停靠在需要的楼层。n主人身份可以基于RFID识别，但此类主动识别方式需要住户配合携带RFID标签，会影响到用户体验，因此被动身份识别方式使用更为广泛。被动识别技术通常通过生物特征进行识别，目前常用的生物识别技术主要包括人脸识别和指纹识别技术。(2)主人身份识别n人脸识别技术n人脸识别特指利用分析比较人脸视觉特征信息，进行身份鉴别的计算机技术。人脸识别是一项热门的计算机技术研究领域，它属于生物特征识别技术，是利用生物体（一般特指人）本身的生物特征来区分生物体
155、个体。n一般来说，人脸识别系统包括图像摄取、人脸定位、图像预处理以及人脸识别（身份确认或者身份查找）。系统输入一般是一张或者一系列含有未确定身份的人脸图像，以及人脸数据库中的若干已知身份的人脸图像或者相应的编码，而其输出则是一系列相似度得分，表明待识别的人脸的身份。n根据人脸识别根本原理的不同，可将现有的人脸识别算法归为如下几类：基于人脸特征点的识别算法，基于整幅人脸图像的识别算法，基于模板的识别算法，利用神经网络学习的识别算法，基于光照估计模型理论的识别算法，基于优化的形变统计校正理论的识别算法，基于强化迭代理论的识别算法。(2)主人身份识别n指纹识别技术n指纹识别技术是目前较为成熟的身份识
156、别技术，它通过比较不同指纹的细节特征点来进行识别。指纹识别的难点在于，捺印方位的不同、着力点的不同都会带来指纹图案不同程度的变形，此外大量模糊指纹也会对正确的特征提取和匹配造成影响。n现有最新的指纹识别系统属于第三代指纹识别系统。第一代指纹识别系统通过光学识别系统获取指纹，第二代指纹识别系统通过电容式传感器获取指纹图像，而第三代指纹识别系统通过生物射频信号获取指纹图像，具有最高的精确度。3.8.3 智能家居应用与市场预期(1)智能家电(2)家庭节能(3)智能照明和通风(4)家庭安防(1)智能家电现代家庭出现越来越多的家电设备，从基本的空调、电饭锅、电冰箱、热水器到微波炉、油烟机、背投彩电等。家
157、电设备的增加在某种程度上改善了人们的生活，但是由于这些家电设备各自独立工作，互联互通性不好，智能化程度不高，每样电器的工作都需要单独控制，也给人们带来了许多困扰。基于物联网技术，人们能够实现家电的远程控制、协同工作以及提高家电的智能化水平，使得家用电器在其生命周期内都能处于最有效率、最节省能源和最好品质状态。(2)家庭节能通过对水电气表以及各类家电设备加装能耗传感器，可以随时掌握能源的消耗情况，将监测数据上传至信息中心进行分析，既有利于能源供给单位进行调度也有利于用户最大程度感受能耗情况，便于有效节能。另一方面也通过自动调整采暖系统的功耗实现节能。(3)智能照明和通风n照明系统一般由亮度可调的
158、日光灯、吊灯、壁灯、射灯、落地灯和台灯等组成。通过利用光线传感器检测室内光强，并根据主人的活动模式、当前天气状况等自动调节灯光亮度，或者控制窗帘的转角等。既可以为用户提供更加舒适的住宅环境，也有效改善了传统照明控制方式单一的问题，避免了灯光一直打开带来的能源浪费。(4)家庭安防n家庭安防系统可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄露、紧急呼救的发生，并可以实现用户远程实时查看家庭状况。一旦出现警情，系统会自动向中心发出报警信息，同时启动相关电器进入应急联动状态，从而实现主动防范。报警信息可以借助运营商通过公共信息网络发送到主人的手机、办公室的计算机，也可以通过小区的局域网络通知物业管理部门或者保安部门。本章小结n应用驱动是物联网系统的典型特征，广阔的应用前景是推动物联网技术和产业快速发展的主要动力。本章介绍了当前典型的物联网应用领域，包括电力、交通、物流、农业、公共安全、医疗、环境保护、家居等，着重介绍了各类应用的自身特点以及对物联网技术的需求，并且评价了每种应用的市场预期。通过对各类应用进行分析和对比，可以发现物联网应用的核心在于向已有的各种应用领域融入“智能”的特点，从而带动相关产业的技术发展和革新。
