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物联网技术导论IntroductiontoInternetofThings主讲：尹小燕Email：yinxy@nwu.edu.cnBasedonthecourseslidesof《物联网导论》，刘云浩编著，科学出版社西北大学/信息科学与技术学院/网络与信息安全实验室中意大型遗址智能感知联合实验室/2012年8月1日CourseInfo:物联网技术导论•物联网专业的核心课程（必修）–物联网的基本概念、体系结构、关键技术、应用领域–全面了解物联网的基本理论知识，初步掌握物联网关键技术及其应用方法，为运用这些技术和方法构建物联网应用系统打下基础•教材：《物联网导论》（IntroductiontoInternetofThings），刘云浩编著，科学出版社，2010•课堂：1-18周，每周一5-6节，1105•考核方式：出勤率+作业+考试课程内容安排物联网工程绪论发展物联网等战略性新兴产业的重大决策物联网发展的社会背景和技术背景物联网的基本概念物联网体系结构物联网核心技术物联网国内外发展状况物联网感知技术（标识、状态、位置）自动识别技术分类与发展射频识别（RFID）技术，RFID与物联网传感器技术与系统定位技术及系统物联网传输技术无线通信技术基础无线通信网络分类、特点、协议及应用第三代移动通信技术物联网支撑技术物联网的数据特征与计算需求数据存储与处理技术云计算与物联网物联网的信息安全与隐私保护物联网应用技术现代物流、生产制造、医疗健康、环境保护、智能交通、安全防伪、智慧城市、智能电网、智能家居、M2M应用领域应用基本概念与目标信息获取信息传递信息处理信息应用参考书Chapter1:物联网概述1.1起源与发展1.2核心技术1.3主要特点1.4应用前景什么是物联网？物联网的概念是如何产生的？1.1历史进程2009“感知中国”2008IBM“智慧地球”2005国际电信联盟《ITU互联网报告2005：物联网》，指出无所不在的“物联网”通信时代即将来临1995BillGates《未来之路》物物互联物联网的基本思想出现于20世纪90年代把新一代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电网、铁路等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”。并通过超级计算机和云计算将“物联网”整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。通过在物体上植入各种微型感应芯片使其智能化,然后借助无线网络,实现人和物体“对话”,物体和物体之间“交流”。1.1历史进程：主线复杂，来源不单一RFID（RadioFrequencyIdentification）1999年，美国麻省理工学院（MIT）Auto-ID中心，提出EPC（ElectronicProductCode）系统及物联网概念普适计算（PervasiveComputing）感知与互联嵌入式系统20世纪90年代末，传感网起步2006年，NSFworkshoponCPS(Cyber-PhysicalSystems)信息-物理融合系统什么是物联网？《007大战皇家赌场》：物联网的萌芽《豚鼠特工队》：物联网的雏形《阿凡达》：史上最强的物联网宣传片剑桥大学咖啡壶网站什么是物联网？概念的提出Incomputing,theInternetofThingsreferstoanetworkofobjects,suchashouseholdappliances.Itisoftenaself-configuringwirelessnetwork.TheconceptoftheinternetofthingsisattributedtotheoriginalAuto-IDCenter,foundedin1999andbasedatthetimeinMIT.物联网实际是中国人的发明，整合了美国CPS(Cyber-PhysicalSystems)、欧盟IoT（InternetofThings)和日本U-Japan等概念。是一个基于互联网、传统电信网等信息载体，让所有能被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。普通对象设备化，自治终端互联化和普适服务智能化是其三个重要特征。更深入的智能化更全面的互联互通更透彻的感知物联网的其他定义通用的定义物联网是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与因特网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。本章内容1.1起源与发展1.2核心技术1.3主要特点1.4应用前景根据信息生成、传输、处理和应用将物联网分为感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层。1.2核心技术：感知识别层核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层1.2核心技术：感知识别层核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层•通过感知识别技术，让物品“开口说话、发布信息”是融合物理世界和信息世界的重要一环，是物联网区别于其他网络的最独特的部分。•物联网的“触手”是位于感知识别层的大量信息生成设备，既包括采用自动生成方式的RFID、传感器、定位系统等，也包括采用人工生成方式的各种智能设备，例如智能手机、PDA、多媒体播放器、上网本、笔记本电脑等等。•信息生成方式多样化是物联网的重要特征之一。•感知识别层位于物联网四层模型的最底端，是所有上层结构的基础。核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层技术举例：RFID是谁？基本组成：工业界经常将RFID系统分为标签，阅读器和天线三大组件。工作原理：阅读器通过天线发送电子信号，标签接收到信号后发射内部存储的标识信息，阅读器再通过天线接收并识别标签发回的信息，最后阅读器再将识别结果发送给主机。技术举例：传感器网络处于什么状态？发展历程：传感器→无线传感器→无线传感器网络（大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成的多跳无线网络）应用举例：•VigilNet:美国弗吉尼亚大学研制的用于军事监测的系统。传感节点具有自主成网，多跳传输等特点。•Mercury:美国哈佛大学研制的可穿戴的医疗监控传感器。传感器具有设计人性化，高精度感知，连续长期采集数据等特点。•GreenOrbs（绿野千传）：森林监测传感网系统，适用于长期、大规模、自动化的环境监测任务核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层技术举例：定位系统处在什么位置？位置信息拓展：所在地理位置+处在该地理位置的时间+处在该地理位置的对象（人或设备）定位系统与技术：GPS，蜂窝基站定位，无线室内环境定位（红外线/.超声波/蓝牙），新兴定位系统（A-GPS/无线AP/网络定位）；距离/距离差/无线信号特征物联网环境下对定位技术的挑战：异构网络、多变环境下的精准定位大规模应用基于位置的服务（LocationbasedServices）位置信息带来的信息安全和隐私保护问题核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层技术举例：智能信息设备传统智能设备：个人计算机（PC）/个人数字助理（PDA）/…物联网时代新智能设备：数字标牌（实时信息互动）/智能电视（具有全功能的互联网，个性化体验）/智能手机/…物联网环境下智能设备发展新趋势：•更深入的智能化：纵向（包括传统的智能设备）+纵向（融入没有计算能力的简单物理对象）•更透彻的感知：主动感知(部署传感器)+被动感知(发出查询请求)•更全面的互联互通：互联互通+信息共享核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层1.2核心技术：网络构建层核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层1.2核心技术：网络构建层核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层•网络是物联网最重要的基础设施之一。•物联网的网络和现有网络有何异同？物联网是下一代互联网吗？无线网络在物联网中究竟扮演了什么角色？•网络构建层在物联网四层模型中连接感知识别层和管理服务层，具有强大的纽带作用，高效、稳定、及时、安全地传输上下层的数据。各种网络形式如何应用于物联网？互联网：IPv6扫清了可接入网络的终端设备在数量上的限制。互联网/电信网是物联网的核心网络、平台和技术支持。无线宽带网：WiFi/WiMAX等无线宽带技术覆盖范围较广，传输速度较快，为物联网提供高速可靠廉价且不受接入设备位置限制的互联手段。无线低速网：ZigBee/蓝牙/红外等低速网络协议能够适应物联网中能力较低的节点的低速率、低通信半径、低计算能力和低能量来源等特征。移动通信网：移动通信网络将成为“全面、随时、随地”传输信息的有效平台。高速、实时、高覆盖率、多元化处理多媒体数据，为“物品触网”创造条件。1.2核心技术：管理服务层核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层•管理服务层位于感知识别和网络构建层之上，综合应用层之下，是物联网智慧的源泉。人们通常把物联网应用冠以“智能”的名称，如智能电网、智能交通、智能物流等，其中的智慧就来自这一层。•当感知识别层生成的大量信息经过网络层传输汇聚到管理服务层，如果不能有效地整合与利用，那无异于入宝山而空返，望“数据的海洋”而兴叹。•管理服务层解决数据如何存储（数据库与海量存储技术）、如何检索（搜索引擎）、如何使用（数据挖掘与机器学习）、如何不被滥用（数据安全与隐私保护）等问题。数据库与物联网核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层物联网数据特点：海量性，多态性，关联性及语义性关系数据库系统作为一项有着近半个世纪历史的数据处理技术，仍可在物联网中大展拳脚，为物联网的运行提供支撑。与此同时，结合物联网应用提出的新需求，数据库技术也在进行不断的更新，发展出新的方向。新兴数据库系统（NoSQL数据库）针对非关系型、分布式的数据存储，并不要求数据库具有确定的表模式，通过避免连接操作提升数据库性能。海量信息存储与物联网核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层网络存储体系结构：•直接附加存储（DAS）•网络附加存储（NAS）•存储区域网络（SAN）困难：只能满足中等规模商业需求数据中心不仅包括计算机系统和配套设备（如通信/存储设备），还包括冗余的数据通信连接/环境控制设备/监控设备及安全装置，是一大型的系统工程。通过高度的安全性和可靠性提供及时持续的数据服务，为物联网应用提供良好的支持。典型的数据中心：Google/Hadoop搜索引擎与物联网核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层Web搜索引擎：一个能够在合理响应时间内，根据用户的查询关键词，返回一个包含相关信息的结果列表（hitslist）服务的综合体。传统的Web搜索引擎是基于查询关键词的，对于相同的关键词，会得到相同的查询结果。物联网时代搜索引擎的新思考•从智能物体角度思考搜索引擎与物体之间的关系，主动识别物体并提取有用信息。•从用户角度上的多模态信息利用，使查询结果更精确，更智能，更定制化。物联网的智慧决策核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层需求分析：•更透彻的感知要求对海量数据多维度整合与分析•更深入的智能化需要普适性的数据搜索和服务数据挖掘技术从大量数据中获取潜在有用的且可被人理解的模式，基本类型有关联分析，聚类分析，演化分析等。应用举例：•精准农业：实时监测环境数据，挖掘影响产量的重要因素，获得产量最大化配置方式•市场营销：通过数据库行销和货篮分析等方式获取顾客购物取向和兴趣信息安全与隐私保护核心技术综合应用层管理服务层网络构建层感知识别层RFID安全主要安全和隐私隐患：窃听、跟踪、中间人攻击、欺骗/重放/克隆、物理破解、篡改信息、拒绝服务攻击、RFID病毒…保护手段：物理安全机制/密码学安全机制/PUF…位置隐私定义：用户对自己位置信息的掌控能力：用户能自由决定是否发布位置信息，将信息发布给谁，通过何种方式来发布，以及发布的信息有多详细。保护手段：制度制约、隐私方针、身份匿名、数据混淆1.2核心技术：综合应用层•“实践出真知”，无论任何技术，应用是决定成败的关键。物联网丰富的内涵催生出更加丰富的外延应用。•传统互联网经历了以数据为中心到以人为中心的转化，典型应用包括文件传输、电子邮件、万