物联网的相关技术与应用

物联网的相关技术与应用物联网的相关技术与应用目 录物联网的发展背景1物联网的关键技术2泛在网的相关概念3物联网的应用与发展前景4物联网的发展背景v什么是物联网 物联网的英文名称是The Internet of Things。其概念于1999 年提出，指的是“物物相连的互联网”。物联网是在计算机互联网的基础上，利用射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）、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，构造一个覆盖世界上万事万物的实物互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络。物联网的发展历程 1995 年，比尔盖茨在其未来之路一书中已提及物联网概念。2005 年11 月，国际电信联盟（ITU）发布了ITU 互联网报告2005：物联网报告，正式将“物联网”称为“The Internet of Things”。2009 年1 月，IBM 首席执行官彭明盛提出“智慧地球”构想。2009 年初，奥巴马就任美国总统后，对“智慧地球”给予了积极的回应，并将其提升为国家层级的发展战略，将“新能源”和“物联网”列为振兴经济的两大武器。物联网在国外的发展 物联网在国内的发展2009 年8 月7 日，温总理在无锡考察中得知我国传感网起步比较早，标准化和技术有一定优势，但不是最领先的。总理建议加快推进传感网发展，尽快建立中国的传感信息中心，或者叫“感知中国”中心。之后，“物联网”概念在国内迅速升温。国家十二五规划已经明确指出，要发展宽带融合安全的下一代国家基础设施，推进物联网的应用。2010年6月10日，江南大学信息工程学院和江南大学通信与控制工程学院合并组建成立了中国第一个“物联网工程学院”。目录物联网的发展背景1物联网的关键技术2泛在网的相关概念3物联网的应用与发展前景41.物联网的技术体系物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。物联网主要解决物品到物品（Thing to Thing，T2T),人到物品（Human to Thing，H2T),人到人（Human to Human，H2H）之间的互联。它的三大特征是：全面感知：利用射频识别（RFID）、二维码、GPS、摄像头、传感器、网络等感知、捕获、测量的技术手段，随时随地对物体进行信息的采集和获取。可靠传送：通过各种通信网、广电网与互联网的融合，将物体信息接入网，随时随地进行可靠的信息交互和共享。智能处理：利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量的跨地域、跨行业、跨部门的数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力、实现智能化的决策和控制。物联网的技术层次包括感知层、网络层、应用层感知层：数据采集与感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据。网络层：实现传感器网络与移动通信技术、互联网等通信网络的技术融合。应用层：应用层主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。1.物联网的技术体系物联网的架构体系2.物联网的关键技术 物联网的几个关键环节可以归纳为“感知、传输、处理”，实现及时、精确、全面地获取和处理信息，达到科学决策、降低成本、提高效率、保护环境、增强安全等目标，更加有利于人类的可持续性发展。物联网的几个关键技术有：传感技术纳米技术嵌入式智能技术射频识别技术网络通信技术 这些技术为物联网的发展和广泛应用提供了基础。2.1 射频识别RFID技术vRFID（Radio Frequency，射频识别）具有快速读写、距离远、长期跟踪管理Identification等特点，被认为是21 世纪最有发展潜力的信息技术之一，因为可以实现点对点的物对物的操作，在物联网发展中起着至关重要的作用。vRFID 技术用于实现物联网真正意义上的物理性，借助相应的射频设备，各种物品和设备就像携带了一个“电子身份证”，更具智能化；借助无线网络技术，人与物之间可以展开“对话”，物体和物体之间也能进行“交流”。RFID系统的组成v电子标签（Tag）：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的RFID编码，附着在物体上标识目标对象，一般情况下，标签中包含标签天线。v读写器（Reader）：实现读取（写入）标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。v天线（Antenna）：在标签和读写器间传递射频信号。RFID阅读器各式各样的标签RFID 的工作原理1、阅读器通过天线发送出一定频率的射频信号。2、当标签进入磁场时产生电流获得能量（无源tag），或者依靠自身的供电系统（有源tag）主动的向阅读器发送出自身编码等信息。3、阅读器采集信息并解码。4、阅读器将信息/数据发送至计算机系统进行处理。2.2 无线传感器网络（WSN）无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。2.3 传感器与传感节点技术v传感器是指能感知预定的被测指标并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的应用领域非常广泛，包括工业生产自动化、国防现代化、航空技术、航天技术、能源开发、环境保护与生物科学等。v物联网中的传感器节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源构成。节点具有感知能力、计算能力和通信能力，也就是在传统传感器基础上，增加了协同、计算、通信功能，构成了传感器节点。v智能化是传感器的重要发展趋势之一，嵌入式智能技术是实现传感器智能化的重要手段，其特点是将硬件和软件相结合，利用了嵌入式微处理器的低功耗、体积小、集成度高和嵌入式软件的高效率、高可靠性等优点，同时结合人工智能技术，推动物联网中智能环境的实现。2.4 网络和通信技术v传感网依托网络和通信技术实现感知信息的传递和协同。在网络通信方面，IP互联网、2G/3G移动通信、卫星通信技术等实现了信息的远程传输。特别是以IPv6为核心的下一代互联网的发展，将为每个传感器分配IP地址创造可能。v随着互联网的进一步扩展，业界开始研究如何通过一种新型的低功耗网络连接技术将IP的使用扩展到资源受限的传感器节点设备上，IETF 6LowPAN工作组负责研究的 Iev6over 802.15.4协议，在应用层和MAC层之间增加了一个适配层，使得IPv6可以在802.15.4网络上实现高效通信，从而逐步实现物联网和互联网的融合。目录物联网的发展背景1物联网的关键技术2泛在网的相关概念3物联网的应用与发展前景43.1 什么是泛在网 泛在网络，即无处不在的网络，是由智能网络、先进计算技术以及智能化应用等数字技术基础设施所构建的网络应用综合体系。泛在网帮助实现在任何时间(anytime)、任何地点(anywhere)、任何人(anyone)、任何物(anything)都能顺畅地通信。泛在网络包含电信网、互联网以及融合各种业务的下一代网络，并涵盖各种有线无线宽带接入、传感器网络和射频识别技术（RFID）等。其架构如图一所示。图一 泛在网的网络架构图3.2 泛在网络的关键技术 未来的泛在网络是硬件、软件、系统、终端和应用的融合，所涉及的技术支撑包括RFID、人机交互、上下文感知计算、多接入、移动性管理、网络安全、网络管理等。RFID技术 上下文感知计算 自然人机交互 多接入上下文感知技术v上下文感知计算是指系统能发现并有效利用上下文信息(如用户位置、时间、环境参数、邻近的设备和人员、用户活动等)进行计算的一种计算模式。上下文感知计算主要包括四个方面的内容：上下文的获取、上下文的建模、上下文推理和上下文的存储与管理。v在泛在网络环境中，人会连续不断地与不同的计算设备进行隐性交互，这时需要系统能感知在当时的情景中与交互的任务有关的上下文，并据此做出决策和自动地提供相应的服务。因此，上下文感知计算是实现泛在网络环境中新型人机交互的基础，已经成为泛在网络研究的一个热点。自然人机交互v泛在网络使得网络空间、信息空间和人们生活的物理空间融合成一个整体，与此相应人机接口也将随之扩展到人们生活工作的整个三维物理空间。这就迫切需要一种和谐、自然的人机交互方式，即能利用人的日常技能进行交互、具有意图感知能力，与传统的人机交互方式相比，它更强调交互方式的自然性、人机关系的和谐性、交互途径的隐含性、及感知通道的多样性。它的目标是使得人与计算环境的交互变得和人与人之间的交互一样自然、一样方便。v人类信息传递的主要渠道为文字、语言、图像。对应地，通过纸笔交互模式、语音、以及视觉进行人与计算设备之间和谐交互正成为最有潜力的自然人机交互方式，这也是当前国际上的研究热点。笔式交互可帮助人们进行快速、自然的信息交流与沟通，而在日常生活中，更多的是听觉信息与视觉信息，它们同时可使人们获得更加强烈的存在感和真实感。多接入 多接入是泛在网络的一个关键组成部分，它能使多操作员（multi-operator）环境下的异构的接入技术互相合作。多接入技术几乎在各处都能提供经济有效、适用、无线的带宽，并能使竞争的或合作的成员间产生平稳的交互作用，它包含两个重要的相关的功能实体：v多无线资源管理：多无线资源管理位于控制平面，它负责不同的无线接入间的无线资源的共同管理。v通用链路层：通用链路层是一个为多无线接入技术提供通用的链路层数据处理的实体，可被当作链路层的一个工具箱，能容易适应遗留的和新的无线接入技术。3.3 物联网、传感网、泛在网 传感网、物联网和泛在网是三个不同的概念。传感器网可以看成是传感模块+组网模块共同构成的一个网络。传感器仅仅感知到信号，并不强调对物体的标识。物联网的概念相对比传感器网大一些。这主要是人感知物、标识物的手段，除了有传感器网，还可以有二维码/一维码/RFID等。泛在网既有互联网的部分，也有物联网的部分，同时还有一部分属于智能系统（推理、情境建模、上下文处理、业务触发）范畴。由于涵盖了物与人的关系，因此泛在网似乎更大一些，从某种意义上说，物联网与泛在网概念最为接近。简单的理解就是：物联网=基于RFID技术的物联网；传感网=基于传感技术的智能网；泛在网=RFID技术、传感技术以及其它通信技术间融合形成的“无处不在、无所不包、无时不能”的网络。传感器网、物联网和泛在网的关系图 从图中可以看出，三者之间并不是等价关系而是存在一定的包含关系：从通信对象及技术的覆盖范围上来看，泛在网络包含物联网，物联网包含传感器网；传感器网是物联网实现数据信息采集的一种末端网络；物联网除了传感器网之外，通常还包括自组网、电子标签网、M2M（Machine to Machine）等，是泛在网络的重要组成部分；泛在网络除了各种网络技术外，更强调协同、移动性、共性支撑等问题。3.3 物联网、传感网、泛在网目录物联网的发展背景1物联网的关键技术2泛在网的相关概念3物联网的应用与发展前景4物联网的发展前景与应用趋势 我国早在20世纪90年代，就开始了物联网产业的相关研究和应用试点的探索，国家金卡工程非接触式智能卡已广泛用于不停车收费，路桥管理，铁路机车识别管理，以及电子证照身份识别等方面，开展了成功试点和规模应用。特别是电信智能卡整合了电子钱包功能推出的移动支付应用，以及手机做为RFID的读写器开展的食品，药品安全管理与贵重物品的识别防伪等，以及遍布30个试点城市的“一卡通”工程应用，形成了一系列利民惠民工程，推动了社会信息化进程，并取得了明显成效。2008年的北京奥运会和2010年的上海世博会上，基于物联网的应用得到了很大的发展，从门票、安保、物品运输管理到食品安全、公交管理、环境管理等多个方面都有相应的物联网应用。物联网的典型应用智能电网 智能电网，就是利用传感器、嵌入式处理器、数字化通信和IT 技术，构建具备智能判断与自适应调节能力的多种能源统一入网和分布式管理的智能化网络系统，可对电网与客户用电信息进行实时监控和采集，且采用最经济与最安全的输配电方式将电能输送给终端用户，实现对电能的最优配置与利用，提高电网运行的可靠性和能源利用效率。电信企业开展的“无线抄表”应用，其实也是物联网应用的一种。对于物联网产业甚至整个信息通信产业的发展而言，电网智能化将产生强大的驱动力，并将深刻影响和有力推动其他行业的物联网应用。物联网的典型应用智能交通 所谓智能交通，就是利用先进的通讯、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。交通智能化是解决交通拥堵、提高行车安全、提高运行效率的重要途径。物流管理 物流领域是物联网相关技术最有现实意义的应用领域之一。通过在物流商品中引入传感节点，可以从采购、生产制造、包装、运输、销售到服务的供应链上的每一个环节做到精确地了解和掌握，对物流全程传递和服务实现信息化的管理，最终减少货物装卸、仓储等物流成本，提高物流效率和效益。RFID技术在智能物流领域的应用物联网的典型应用医疗管理 在医疗领域，物联网在条码化病人身份管理、移动医嘱，诊疗体征录入、药物管理、检验标本管理、病案管理数据保存及调用、婴儿防盗、护理流程、临床路径等管理中，均能发挥重要作用。通过物联网技术，可以将药品名称、品种、产地、批次及生产、加工、运输、存储、销售等环节的信息，都存于电子标签中，当出现问题时，可以追溯全过程。同时还可以把信息传送到公共数据库中，患者或医院可以将标签的内容和数据库中的记录进行对比，从而有效地识别假冒药品。在公共卫生方面，通过射频识别技术建立医疗卫生的监督和追溯体系，可以实现检疫检验过程中病源追踪的功能，并能对病菌携带者进行管理，为患者提供更加安全的医疗卫生服务。物联网在农业中的应用物联网在农业中的应用v传感器观察农物这是某知名物联网研发企业为西部某农场开发的物联网技术应用案例。农民朋友只要拿着手机按下键盘，就能查看大棚作物生长状况，遥控通风、灌溉和微喷等操作都能随时随地掌控。v这家农场近30个标准化大棚内，布满了40个温度、适度、视频、光照等类型的传感器，利用传感器采集数据，系统实时绘制出一目了然的数值空间分布场图，通过物联网模块将传输数据，操作人员凭着电脑和手机就能对蔬菜进行实时了解和掌控。物联网的应用瓶颈 我国正处在物联网产业发展的初级阶段，存在诸多制约产我国正处在物联网产业发展的初级阶段，存在诸多制约产业发展的瓶颈因素，主要体现在以下几个方面：业发展的瓶颈因素，主要体现在以下几个方面：v统一物联网技术标准v加强物联网技术创新v丰富物联网IP地址资源v促进物联网规模发展v提升物联网信息安全