物联网简介120

清华大学研究生课程物联网简介清华大学计算机系上一页下一页物联网导论刘云浩–清华大学教授–香港科技大学教授清华大学研究生课程2上一页下一页清华大学研究生课程3提纲物联网的提出常见应用场景无线传感器网络简介物联网体系结构物联网协议层次硬件平台与操作系统主要研究问题上一页下一页清华大学研究生课程4提纲物联网的提出常见应用场景无线传感器网络简介物联网体系结构物联网协议层次硬件平台与操作系统主要研究问题上一页下一页清华大学研究生课程5物联网发展19982004200520082009-62009-82011物联网的提出U-Korea战略IBM提出“智慧地球”感知中国2009-9物联网行动计划近三分之一应用与物联网概念有关首家以物联网为宣传语的通信企业《ITU互联网报告2005：物联网》U-Japan战略上一页下一页清华大学研究生课程6物联网概念1998，MIT的KevinAshton首次提及Internetofthings–将RFID技术与传感器技术应用于日常物品中将会创建一个“物联网”，这项技术将带来人们对机器理解的新纪元2005，ITU发表报告TheInternetofThings–物联网是通过RFID和智能计算等技术实现全世界设备互连的网络2008，欧委会的CERP-IOT工程给出新的物联网定义–物联网是物理和数字世界融合的网络，每个物理实体都有一个数字的身份；物体具有上下文感知能力―他们可以感知、沟通与互动。他们对待物理事件进行即时反映，对物理实体的信息进行即时传送；使得实时作出决定成为可能Wikipedia(网络维基百科全书)–所谓“物联网”（InternetofThings），指的是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络上一页下一页清华大学研究生课程7RFIDRFID(RadioFrequencyIdentification)射频识别RFID标签俗称电子标签，也称应答器（tag,transponder,responder），根据工作方式可分为主动式（有源）和被动式（无源）两大类RFID-SIM上一页下一页清华大学研究生课程8物联网概念2009年8月7日，温家宝总理到中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察，提出建设“感知中国”中心2009年11月13日，国务院正式批准同意支持无锡建设国家传感网创新示范区（国家传感信息中心）2010年政府工作报告中对物联网的定义：是指通过信息传感设备，按照约定的协议，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。它是在互联网基础上延伸和扩展的网络上一页下一页清华大学研究生课程9物联网概念通过信息传感设备，按照约定的协议把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络接入网物联网射频识别RFID条码二维码传感网WSN短距离无线网络实时定位系统下一代互联网Internet上一页下一页清华大学研究生课程10技术需求数以亿计的智能设备，将导致海量的数据传输和存储，需要我们重新审视现有的网络体系和存储结构当前技术仍不足以解决智能设备的能量受限问题，需要设计低能耗芯片，甚至能够自供能量的设备系统复杂性的显著增加，使得维护和管理更加困难，需要系统资源具有自配置，自管理和自恢复等功能智能设备广泛应用，嵌入到各种物体上，需要智能设备更加小型化，向单晶体管实现智能设备目标迈进上一页下一页清华大学研究生课程11提纲物联网的提出常见应用场景物联网体系结构物联网协议层次硬件平台与操作系统主要研究问题上一页下一页清华大学研究生课程12物联网生产线决策运输指导库存便捷配送高效生产物联网络服务用户上一页下一页清华大学研究生课程13物流自动化仓库–自动检测物品的出入，向供货商自动发送订单自动化运输–物品上的电子标签根据后台系统信息，自动选择合适路径供应链商业模式变化–用户直接通过物联网向商品本身发订单。用户不在是向一个生产商定购大宗的商品，而是按照用户的订单顺序从不同的生产商购买商品上一页下一页清华大学研究生课程14智能家居海尔“智慧之家”超出了单个产品的局限，从客厅到厨房，从黑电到白电，从生活电器到电脑和手机等移动终端，都不再是一个个孤单的产品，而是一个互联互通、人性化、智能化的整体一种未来的生活愿景——身在外，家就在身边；回到家，世界就在眼前智能家居，维持室内合适的温度和热水器水温，减少能源浪费，智能机器人自动完成清洁和维护等日常工作，房间的智能系统能学习主人的生活习惯，将室内环境调节为主人最适合的上一页下一页清华大学研究生课程15智能交通实时获取路况信息，监视和控制交通流量可以实现车辆与网络相连，优化行车路线可以无缝地检测、标识车辆并收取行驶费用上一页下一页清华大学研究生课程16环境监测“蓝藻湖泛智能监测预警及蓝藻打捞处理智能管理调度物联网系统”蓝藻集聚的地点、集聚情况会自动发到打捞人员手机上，打捞船、车以及运藻船第一时间就会赶去处理指挥控制室的大屏幕上，能看到采用太阳能板、安置传感芯片和摄像头的球状浮标，获悉该点的温度、pH值、氨氮等指标上一页下一页清华大学研究生课程17医疗物联网体内智能诊断设备，有助于疾病的早期诊断，增强康复效果生物降解材料的智能设备，能够检测体内温度湿度，防止皮肤问题新型个人医疗设备，使得病人在家即可接受医疗，远程医疗可避免昂贵路费，减少病人的压力家庭中的智能设备，在老人出现意外时发出求助信号上一页下一页清华大学研究生课程18机场防入侵系统浦东国际机场防入侵系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，可防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵上一页下一页清华大学研究生课程19路灯控制系统济南园博园园区所有功能性照明都采用了ZigBee无线技术达成的无线路灯控制，节能环保上一页下一页清华大学研究生课程20世博会门票纸质门票–基于RFID技术，以无线方式与遍布园区的传感器交换信息–安全防伪，快速验票；跟踪查询，人员分流手机门票–用户使用的RFID-SIM卡，是基于RFID技术，以手机SIM卡为载体实现的一种全新电子票–可直接购买附带门票信息的SIM卡，或通过网上下载写入SIM卡–“刷”手机即可入园上一页下一页清华大学研究生课程21世博园便利店每一盒在售的盒饭都被贴上一个薄薄的RFID电子标签，记录食品来源信息，增加食品安全，保障了消费者权益收银员可以一次扫描数十盒盒饭，这大大缩短了顾客排队的时间，提高了供应链管理的效率，减少结账和查询设施开销，同时也有利于智能货架管理上一页下一页清华大学研究生课程22提纲物联网的提出常见应用场景无线传感器网络简介物联网体系结构物联网协议层次硬件平台与操作系统主要研究问题上一页下一页概念与定义节点布撒拓扑形成自组织消息传送微型智能网络化传统雷达地震波红外温度湿度压力光强度速度微机电系统嵌入式系统无线通信微型智能网络传感器传感器化学成分23上一页下一页传感器网络的技术特点EmbeddedNetworkedSensingControlsystemw/SmallformfactorUntetherednodesExploitcollaborativeSensing,actionTightlycoupledtophysicalworld节点–微型化：嵌入物理世界–智能化：增强的数据处理–自治化：容错性–多样化：尽可能感知周围感兴趣的物质现象网络–密集性：抵抗敌意和恶意破坏–灵活性：快速构建信息基础设施–自组织：鲁棒性–多跳性：低能耗24上一页下一页传感器网络的应用：军事（1）非常适合应用在恶劣的战场环境监控我军兵力、装备和物资监视冲突区侦察敌方地形和布防定位攻击目标评估损失侦察和探测核、生物和化学攻击撒“豆”成“兵”25上一页下一页传感器网络的应用：军事（2）传感器网络在军事应用中的优势分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比低成本、高冗余的设计提供了较强的容错能力节点与探测目标的近距离接触消除了环境噪声对系统性能的影响节点中多种传感器的混合应用提高了探测的性能指标多节点联合，形成覆盖面积较大的实时探测区域个别移动节点对拓扑结构的调整有效消除了探测阴影和盲点26上一页下一页传感器网络的应用：商业医疗保健环境监测灾难拯救27上一页下一页传感器网络的技术特点无线传感器网络Adhoc网络无线宽带网络能量资源优化带宽资源优化数据为中心多数节点静止传输数据为目的节点移动新体系结构移动切换管理节点数据处理动态拓扑路由技术28上一页下一页传感器节点sensorsCPUradiobatteryAcoustic,seismic,image,magnetic,etc.interfaceElectro-magneticinterfaceEventdetectionWirelesscommunicationwithneighboringnodesIn-nodeprocessingLimitedbatterysupplyEnergyefficiencyisthecrucialh/wands/wdesigncriterion29上一页下一页传感器节点硬件参考架构ProcessorRAMFlashGPSAddress/DataBusDSPPreprocessorMulti-ChannelSensorInterfaceAnalogFrontEndPreprocessorInterfaceImagerInterfaceImagerModuleModularWirelessandDigitalInterfacesRFModem1RFModem2DigitalI/O10/100EthernetRef:basedonmaterialfromSensoriaslides30上一页下一页BerkeleyMotesDevicesthatincorporatecommunications,processing,sensors,andbatteriesintoasmallpackageAtmelmicrocontrollerwithsensorsandacommunicationunit–RFtransceiver,lasermodule,oracornercubereflector–temperature,light,humidity,pressure,3axismagnetometers,3axisaccelerometersTinyOSlight,temperature,10kbps@20m31上一页下一页面临的设计挑战容错性–抵抗单点失效和有意破坏扩展性–节点密度一般应用：10；环境监测：25∼100；普适计算：〉100生产成本–$1∼10硬件限制–体积小携带能量有限，处理能力和存储能力有限ARNR2)(32上一页下一页面临的设计挑战（2）功率控制–能耗分析发送/接受监听/数据处理–低功耗网络协议的设计MAC,Routing,Application–系统能量管理TinyOS能量管理拓扑控制–可再生能源)]([])([stonRRonoutstonTTcRRPNTPTTPNP)(02fNeIVCVPTddnVVddddp33上一页下一页传感器网络的研究内容网络自组织嵌入式系统设计数据存贮与管理传感器技术短程无线协同探测Sink链路网络体系结构定位算法移动控制目标辨识算法人机接口拓扑控制校准网络协议机制系统能量管理时间同步机制信息融合算法传感器网络研究传感器网络