第一章 物联网技术概述

1第一章物联网技术概述教学目标知道物联网的起源和发展熟练掌握物联网的定义及特征理解物联网的关键技术了解人类进入物联网时代的特征熟悉物联网的应用领域重点：物联网的概念难点：物联网的关键技术21物联网概述1.1物联网的起源和发展1.1.1物联网的起源一是物理世界的联网需求，以传感器和智能识别终端为代表的信息自动生成设备可以实时准确地开展对物理世界的感知、测量和监控。二是信息世界的扩展需求，互联网的触角（网络终端和接入技术）不断延伸，深入到人们生产、生活的各个方面。。来自上述两方面的需求催生出了一类新型网络——物联网（InternetofThings）。3物联网是什么？物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网的3个重要特征：普通对象设备化自治终端互联化普适服务智能化1.1.1物联网的起源4物联网概念的提出物联网概念最早出现于比尔盖茨1995年《未来之路》一书。1998年，美国麻省理工学院（MIT）创造性地提出了当时被称作EPC系统的“物联网”的构想。如下图所示。1999年，美国Auto-ID首先提出“物联网”的概念，主要是建立在物品编码、RFID技术和互联网的基础上。2003年，美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。5物联网概念的提出2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上，国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念2009年1月28日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成物联网。61.1.2物联网的发展业内专家表示，物联网把我们的生活拟人化了，万物成了人的同类。在这个物物相联的世界中，物品（商品）能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。物联网利用射频自动识别（RFID）技术，通过计算机互联网实现物品（商品）的自动识别和信息的互联与共享。物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。业内专家认为，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。71.1.2物联网的发展1.美国USA2008年12月，奥巴马向IBM咨询了智慧地球的有关细节，并共同就投资智能基础设施对于经济的促进效果进行了研究，结果显示，如果在新一代宽带网络、智能电网和医疗IT系统的建设方面投入300亿美元，就可以产生100万个就业岗位，并衍生出众多新型现代服务业态，从而帮助美国建立长期竞争优势。82.欧盟EU2009年6月18日，欧盟委员会向欧盟议会、理事会、欧洲经济和社会委员会及地区委员会递交了《欧盟物联网行动计划》，希望欧洲在构建新型物联网管制框架的过程中，在世界范围内起主导作用。EU通过ICT研发计划投资4亿欧元，启动90多个研发项目提高网络智能化水平外，欧盟委员会还将于2011年～2013年间每年新增2亿欧元进一步加强研发力度，同时拿出3亿欧元专款，支持物联网相关公私合作短期项目建设。1.1.2物联网的发展93.日本Japan2004年就推出了u-Japan计划，着力于发展泛在网及相关产业，并希望由此催生新一代信息科技革命，在2010年实现无所不在的日本。2009年8月，日本又将u-Japan升级为i-Japan战略，提出智慧泛在构想，将传感网列为其国家重点战略之一，致力于构建一个个性化的物联网智能服务体系，充分调动日本电子信息企业积极性，确保日本在信息时代的国家竞争力始终位于全球第一阵营。1.1.2物联网的发展105.国内政策（1）胡锦涛主席2010年6月7日在中国科学院第十五次院士大会、中国工程院第十次院士大会上的讲话：“……当前，要重点在推动以下科技发展上做出努力，争取尽快取得突破性进展。……第三，大力发展信息网络科学技术。要抓住新一代信息网络技术发展的机遇，创新信息产业技术，以信息化带动工业化，发展和普及互联网技术，加快发展物联网技术，重视网络计算和信息存储技术开发，加快相关基础设施建设，积极研发和建设新一代互联网1.1.2物联网的发展115.国内政策（2）物联网是国家重点发展的一项战略性新兴产业。温家宝总理在十一届全国人大三次会议上作《政府工作报告》时明确提出：“加快物联网的研发应用。加大对战略性新兴产业的投入和政策支持。1.1.2物联网的发展125.国内政策（3）中国物联网行业应用市场规模预测：新华社副社长周锡生在2010年中国国际物联网（传感网）博览会暨中国物联网大会上发布了《2009－2010中国物联网年度发展报告》：《年报》认为，2009年中国物联网产业市场规模1700多亿元，物联网产业在公众业务领域、以及平安家居、电力安全、公共安全、健康监测、智能交通、重要区域防入侵、环保等诸多行业的市场规模均超过百亿。2010年中国物联网产业市场规模超过2000亿元，2015年中国物联网整体市场规模有望达到7500亿元。1.1.2物联网的发展131.1.2物联网的发展5.国内政策（4）各省市也相应制定了物联网产业规划，涉及到的重点示范行业应用领域为：①建设经济领域物联网示范工程。重点建设智能工业、智能农业、智能物流和智能电网等示范工程。②建设公共管理领域物联网示范工程。重点建设城市智能交通、智能公共安全、智能环保和智能灾害防控等示范工程。③建设公众服务领域物联网示范工程，建设智能医护和智能家居等示范工程等。物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”！141物联网概念1.2物联网概念1.2.1物联网定义及特征1.定义定义一：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，把任何物品与互联网相连接，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。物联网就是“物物相连的互联网”。15定义二：通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程的声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络，实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。“一句式”理解物联网：把所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，以实现智能化识别和管理。1.2.1物联网定义及特征162.特征⑴全面感知：它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性。⑵可靠传递：物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上，由于其数量极其庞大，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。⑶智能处理：能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。1.2.1物联网定义及特征173.“物”的涵义特别注意的是物联网中“物”的涵义，这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围：⑴要有数据传输通路；⑵要有一定的存储功能；⑶要有CPU；⑷要有操作系统；⑸要有专门的应用程序；⑹遵循物联网的通信协议；⑺在世界网络中有可被识别的唯一编号。1.2.1物联网定义及特征181.RFID和EPC技术是物联网中让物品“开口说话”的关键技术，通过EPC编码和RFID标签上存储着规范而具有互用性的信息，经过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别。2.传感控制技术主要负责接收物品“讲话”的内容。传感控制技术是关于从自然信源获取信息，并对之进行处理、变换和识别的一门多学科交叉的现代科学与工程技术，它涉及传感器、信息处理和识别的规划设计、开发、制造、测试、应用及评价改进等活动。1.2.2物联网关键技术193.无线网络技术物品与人的无障碍交流，必然离不开高速、可进行大批量数据传输的无线网络。无线网络既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离的蓝牙技术和红外技术。4.组网技术就是网络组建技术，分为以太网组网技术和ATM局域网组网技术，也可分为有线、无线组网，在物联网中，组网技术起到“桥梁”的作用，其中应用最多的是无线自组网技术，它能将分散的节点在一定范围之内自动组成一个网络，来增加各采集节点获取信息的渠道。1.2.2物联网关键技术20除了采集到的信息外，该节点还能获取一定范围之内的其他节点采集到的信息，因此在该范围内节点采集到的信息可以统一处理，统一传送，或者经过节点之间的相互“联系”后，它们协商传送各自的部分信息。5.人工智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。在物联网中，人工智能技术主要负责将物品“说话”的内容进行分析，从而实现计算机自动处理。1.2.2物联网关键技术21互联网和物联网的比较1.2.3物联网与互联网的关系221.上海浦东国际机场防入侵系统1.3.1应用案例网络传输前端探测分系统联动控制分系统监控中心整栋依附围栏式探测器供电系统整栋地埋式探测器顶角探测器音频告警I/O总量控制器照明视频分系统组合气象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，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。浦东机场周界防入侵系统一期工程的系统组成如图所示。232.ZigBee路灯控制系统1.3.1应用案例系统功能：•数据采集•统计管理•网络数据查询•报警•满足道路亮化要求，提高路灯系统的管理水平•实现智能化的按需节能照明、单个路灯测控•对城市路灯设施进行线控、点控、点测等多种科学有效的控制管理•满足远程控制、实时监控、数据收集、适时调光、灯具保护、动态节电等功能需求243.智能交通系统(ITS)1.3.1应用案例利用现代信息技术为核心，利用先进的通讯、计算机、自动控制、传感器技术，实现对交通的实时控制与指挥管理。包括基于浮动车技术的实时交通信息生成和发布系统、推定补全系统、实时预测系统、统计预测系统，为驾驶者、交管机构等提供实时交通路况及短长期预测路况信息。如图所示。254．高铁物联网1.3.1应用案例我国首家高铁物联网技术应用中心2010年6月18日在苏州科技城投用，将为高铁物联网产业发展提供科技支撑。高铁检票入站系统如图所示。高铁物联网作为物联网产业中投资规模最大、市场前景最好的产业之一，正在改变人类的生产和生活方式。刷卡购票、手机购票、电话购票等新技术的集成使用，让旅客可以摆脱拥挤的车站购票。265.国家电网首座220千伏智能变电站1.3.1应用案例2011年1月3日，国家电网首座220千伏智能变电站——无锡市惠山区西泾变电站投入运行，并通过物联网技术建立传感测控网络，将传统意义上的变电设备“活化”，实现自我感知、判别和决策，从而完成自动控制，实现了真正意义上的“无人值守和巡检，建设水平全国领先。276.首家“手机物联网”落户广州1.3.1应用案例将移动终端与电子商务相结合的模式，让消费者可以与商家进行便捷的互动交流，随时随地体验品牌品质，传播分享信息，实现互联网向物联网的从容过度，缔造出一种全新的零接触、高透明、无风险的市场模式。专家称，这种智能手机和电子商务的结合，是“手机物联网”的其中一项重要功能。市场分析如图所示。281.3.3物联网的十大应用领域从智能家居到智能交通、智能电网、智能物流、工业自动化、金融服务、精准农业、医疗健康、国防军事，从幕后到台前，物联网正迅速地改变着世界。2