物联网工程导论(吴功宜+教授)20140823

南开大学吴功宜2014.81主要内容导论写作的背景导论的定位导论的基本内容导论教学中需要注意的几个问题导论教学方法的讨论2第一个问题：导论写作的背景3工作基础：计算机网络教学：1984年开始讲授本科、硕士与博士课程网络与信息安全科研：网络与信息系统、网络与信息安全，P2P、Wi-Fi、WSN、VANET学科管理：计算机、自动化、智能科学、信息安全、微电子、电子科学、电子信息技术、通信工程、物联网工程、光学工程社会工作：城市社会信息化规划，城市信息基础设施建设项目，科研立项、验收与评奖4互联网为物联网的发展奠定了坚实的基础截止到2014年6月底，我国互联网：网民达到6.32亿手机网民达到5.27亿普及率为46.9%互联网发展重心从“广泛”向“深入”转换移动金融、移动医疗、网上购物等移动应用多方位满足了用户上网需求推动社会生活与经济生活迈向全面“网络化”5主机IP地址数Internet主机IP地址数（Lottor,RFC1296）ARPANET主机数（MarkLottor,[e-mail]）早期的ARPANET主机数（PeterSalus,[e-mail]）网络结点数2014年参照系：6导论系列：7智慧的物联网感知中国与世界的技术（2010年）物联网工程导论（2012年）物联网技术与应用（2013年）解读物联网（2015年）8第二个问题：导论的定位导论系列丛书写作希望达到的目的：抛砖引玉9初学者—深入浅出地介绍物联网技术全貌低年级学生—了解物联网专业学习的课程以及相互之间的关系高年级学生—了解物联网需要进一步研究的问题导论教师—深入理解物联网技术内涵与进一步的研究工作导论系列丛书试图回答几个基本的问题：10物联网究竟是“横空出世”还是有其深厚的社会与技术发展基础？物联网赖以发展的关键性支撑学科究竟是哪一个？物联网与互联网究竟有哪些区别与联系？物联网的发展究竟能够为人类带来哪些利和弊？11第三个问题：导论的基本内容回答三个基本问题：发展的背景基本的技术主要的应用12教学内容的安排：13发展的背景基本的技术主要的应用《物联网工程导论》《物联网技术与应用》第1章：物联网概论第2章：物联网感知层技术第3章：物联网网络层技术第4章：物联网应用层技术第5章：物联网信息安全技术第6章：物联网应用第1章：物联网概论第2章：RFID与物联网应用第3章：传感器、智能传感器与无线传感器网络技术第4章：物联网智能设备与嵌入式技术第5章：计算机网络与互联网技术第6章：移动通信技术第7章：位置信息、定位技术与位置服务第8章：物联网数据处理技术第9章：物联网信息安全技术第10章：物联网应用14第四个问题：导论教学中需要注意的几个问题感悟之一：如果我们对物联网发展的必然性与自然的技术演变过程感到突然和不好理解，那么我们就教不好导论课。15计算机技术与物联网发展的关系：16计算机网络计算机技术数据通信技术互联网移动通信网移动互联网物联网感知技术旁观者清：从技术发展的传承性角度—从互联网、移动互联网到物联网的自然演变过程172003年：《BirthofBroadband》2002年：《InternetforaMobileGeneration》2004年：《ThePortableInternet》2005年：《TheInternetofThings》InternetofThingsInternet2001年：《IPTelephony》1999年：《InternetforDevelopment》1997年：《Challengestothenetwork:TelecomsandtheInternet》ITUInternetReportsMobileInternet产业界很现实：从现实经济与社会发展需要的角度—面对经济危机，IBM智慧地球的思路有助于救市智慧地球=互联网+物联网18从科学研究基础的角度—普适计算、CPS与环境智能化研究已经开展了很多年19知道你现在在哪儿。知道任何一件产品是什么时候和在哪儿生产的。自动检查处方药物的成分。创造一个舒适的环境。准确的了解一个货物的位置并准确的交货。为盲人导航。自动地用外语为外国人做导游（Copyright2009TRONSymposiumSteeringCommittee）信息世界物理世界CyberPhysical感知控制CPS感悟之二：如果我们对物联网与互联网的区别与联系理解不深刻，那么我们就把握不好导论课的教学内容。20物联网与互联网的关系—ONS/DNS21RFID读写器ONS解析器本地ONS服务器EPCIS服务器RFID标签物品EPC码查询EPC码对应的物品信息查询EPCIS服务器地址本地ONS缓存没有记录根据IP地址向存储EPC码的EPCIS服务器发出查询物品信息请求返回与EPC码对应的物品PML格式的信息发布查询的EPC码物品信息ONS本地缓存返回EPCIS服务器URL信息请求查询EPCIS服务器地址区域ONS服务器根ONS服务器请求查询EPCIS服务器地址请求查询EPCIS服务器地址返回EPCIS服务器URL信息返回EPCIS服务器URL信息互联网DNS服务器返回EPCIS服务器的IP地址根据EPCIS服务器URL请求查询IP地址区别之一：物联网数据是通过自动方式获取的22互联网WebE-mailFTPBBSIPTVIPphoneblog（a）互联网数据是通过人工方式获取的物联网智能电网智能农业智能安防智能交通智能医疗智能家居智能环保（b）物联网数据是通过自动方式获取的区别之二：物联网是虚拟与现实的结合23在互联网上没人知道它是一条狗。（b）物联网是虚拟与现实的结合（a）互联网构造了网络虚拟世界在物联网上狗也是有身份的“网民”。区别之三：物联网是将计算机“装到”一切事物中24（a）在互联网时代把一切都交给计算机去做（b）在物联网时代把计算机“装到”一切事物中区别之四：物联网提供行业性、区域性的服务25（a）互联网提供全球性公共信息服务智能交通智能电网智能环境监测智能家居智能物流智能医疗保健（b）物联网提供行业性服务区别之五：物联网实现信息世界与物理世界的融合26（a）互联网构造了人与人信息交互与共享的信息世界（b）物联网实现信息世界与物理世界的融合区别之六：物联网是可反馈、可控制的“闭环”系统27交通路口信息感知交通状态数据智能处理交通道路通行控制交通路口交通量数据路况信息反馈控制信息交通信息提示牌与指示灯汽车交通警察交通路口提示牌显示与指示灯控制信息汽车路况与交通诱导信息交警指挥信息数据挖掘与智能决策.感悟之三：如果我们对物联网体系结构概念不能很好地理解，那我们就不深入地把握物联网应用技术。28物联网理论研究需要借鉴计算机网络体系结构成熟的抽象思维方法29传输层数据链路层网络层物理层数据链路层网络层物理层传输层数据链路层网络层物理层传输层实现主机进程之间的端-端通信应用层应用层数据链路层网络层物理层传输网应用层分布式进程通信……计算机网络组成与结构计算机网络体系结构模型抽象出最基本的共性特征指导网络系统软硬件的设计物联网体系结构的研究—技术成熟的标志30应用层网络层感知层感知全面感知传输可靠传输计算智慧处理人的感官人的神经人的大脑（a）人处理物理世界问题的过程（b）物联网的层次结构寻找最基本的共性特征：底层角度—感知层/接入层31传感器芯片接收与发射电路天线汇聚结点无线传感器结点处理器电路感知信号输入无线传感器结点传感器芯片接收与发射电路天线数据处理器电路感知信号输入网络接口接收与发射电路天线中间件软件传输网控制中心无线传感器网络基本单元感知层接入层感知层RIFD读写器RFID标签RFID芯片接收与发射电路天线中间件软件接收与发射电路天线汇聚结点接入层RIFD读写器.......传输网控制中心RIFD基本感知单元RIFD基本感知单元网络接口寻找最基本的共性特征：总体角度32局域网局域网……局域网局域网局域网局域网局域网公司主干网零售商店局域网RIFD读写器核心交换层零售商店汇聚层接入层仓库与物流中心仓库与物流中心………………服务器集群或云计算平台物联网核心交换层主要技术类型33IP网非IP网物联网核心交换层VPNIP专网专用无线通信网移动通信网（3G/4G）新一代网络混合结构IP网与非IP网互联互联网核心交换网物联网层次结构与技术34专用IP网络+虚拟专网（VPN）+互联网+移动通信网+专用无线通信网+异构网络互联新一代网络各种类型的传感器RFID标签与读写设备各种类型的智能机器人接入层应用层网络层感知层智能手机、GPS、智能家电与智能测控设备汇聚层核心交换层802.15.4标准无线个人区域网无线城域网无线移动通信网局域网电话交换网互联网行业应用层管理服务层智能家居智能物流智能交通智能医疗智能电网智能环保中间件智能控制数据存储与处理数据挖掘与智能决策信息安全网络管理蓝牙标准或ZigBee标准局域网或无线局域网6LowPAN标准电话线、光纤或电力线接入移动通信或M2M接入互联网VPN虚拟专网（VPN）专用IP网络互联网无线移动通信网无线局域网专用无线通信网无线通信网共性技术ONSONSQoS物联网体系结构=物联网层次结构模型+协议集物联网层次结构模型：35应用层网络层感知层感知层接入层汇聚层核心交换层管理服务层行业应用层对象名字服务网络管理服务质量保证信息安全如何用物联网层次结构模型去指导应用系统的总体设计？—将物联网层次结构模型与计算机网络层次结构模型统一起来36产品上的RFID标签RFID读写器路由器主机RFID读写器物理层iRFID标签数据链路层i物理层i数据链路层i物理层j数据链路层j传输层(TCP)物理层jEthernet路由器服务器传输网网络层(IP)EthernetEthernet网络层(IP)EthernetEthernet网络层(IP)Ethernet应用层传输层(TCP)主机服务器TCP协议（物联网）应用层协议路由器路由器传输网网络层(IP)数据链路层j应用层物联网增加的部分与互联网结构相同的部分感悟之四：如果我们对支撑物联网发展的关键技术没有一个深入地了解，那么我们就无法指导学生系统地学习物联网知识与技能。37支撑物联网的关键技术：38总公司管理网络公司外网分公司网络仓库网络配送中心网络……总公司网络总公司主干网分公司、仓库与配送中心网络数据中心网络仓库核心路由器汇聚路由器汇聚路由器接入路由器1接入路由器n网关GPS卫星GPS定位信息移动通信网GIS地图配送中心车辆管理网络销售商店或超市网络1智能货柜智能购物车智能收款机商品信息显示屏……无线局域网接入点销售商店或超市网络销售商店或超市网络n嵌入RFID的智能手机M2MIPv6VPNWeb服务器E-Mail服务器FTP服务器代理服务器互联网公司ONS服务器ONS服务器客户防火墙路由器商店局域网（802.3/802.11）商品信息查询终端货物配送车辆计算机网络技术智能数据处理技术嵌入式技术信息安全技术位置服务技术移动通信技术智能控制技术感知技术《物联网工程导论》教学内容的安排：第1章物联网发展背景与技术特征1.1物联网发展的社会背景1.1.1物联网概念的提出1.1.2物联网与智慧地球1.1.3欧盟与各国政府发展物联网产业的规划1.1.5物联网与我国战略性新兴产业1.2物联网发展的技术背景1.2.1从人思维规律的角度认识物联网发展的必然性1.2.2从互联网发展的角度看物联网发展的必然性1.2.3从普适计算研究的角度认识物联网发展的必然性1.2.4从信息物理系统CPS研究的角度认识物联网发展的必然性1.3物联网定义与主要技术特征1.3.1物联网的定义1.3.2物联网的主要技术特征1.4物联网层次结构1.4.1人对物理世界问题的处理过程1.4.2物联网层次结构模型1.4.3物联网感知层1.4.4物联网传输层1.4.5物联网应用层39第2章自动识别与RFID应用技术2.1自动识别技术的发展2.1.1自动识别技术的发展背景2.1.2条形码简介2.1.3磁