物联网关键技术及应用课件

Content：1.物联网概述物联网概述 2.2.物联网架构物联网架构 3.物联网关键技术物联网关键技术 4.物联网的应用物联网的应用 5.发展趋势及面临的问题发展趋势及面临的问题目目录录2024/7/9一、物联网的概念1、物联网（IOT）的定义v早在1995年，比尔盖茨在未来之路一书中就已经提及物联网概念。但是，“物联网”概念的真正提出是在1999年，由EPCglobal的Auto-ID中心提出，被定义为：把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。v2005年，国际电信联盟（ITU）正式称“物联网”为“TheInternetofthings（IOT）”，并发表了年终报告ITU互联网报告2005：物联网。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换；并描绘出“物联网”时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；2024/7/9物联网(IOT)的概念公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等。v现在较为普遍的理解是，物联网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。通过装置在各类物体上的电子标签（RFID）、传感器、二维码等经过接口与无线网络相连，从而给物体赋予智能，可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的沟通和对话。v2、广义的物联网含义广义的物联网就是利用条码、射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协2024/7/9物联网（IOT）的概念v议，实现人与人、人与物、物与物的在任何时间、任何地点的连接（anything、anytime、anywhere），从而进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的庞大网络系统。如果说互联网实现了人与人之间的交流，那么物联网可以实现人与物体的沟通和对话，也可以实现物体与物体互相间的连接和交互。图1-1物联网的概念模型2024/7/93、物联网（IOT）的特征感知感知传输传输智能智能全面感知全面感知全面感知全面感知利用RFID、传感器、二维码等能够随时随地采集物体的动态信息。可靠传输可靠传输可靠传输可靠传输通过网络将感知的各种信息进行实时传送。智能处理智能处理智能处理智能处理利用计算机技术，及时对海量的数据进行信息控制，真正达到了人与物的沟通、物与物的沟通。2024/7/94、物联网（IOT）结构示意图2024/7/95、物联网（IOT）提出的背景v经济危机下的推手:经济长波理论：每一次的经济低谷必定会催生出某些新的技术，而这种技术一定是可以为绝大多数工业产业提供一种全新的使用价值，从而带动新一轮的消费增长和高额的产业投资，以触动新经济周期的形成。过去的10年间，互联网技术取得巨大成功。目前的经济危机让人们又不得不面临紧迫的选择，物联网技术成为推动下一个经济增长的特别重要推手。v传感技术的成熟:随着微电子技术的发展，涉及人类生活、生产、管理等方方面面的各种传感器已经比较成熟。例如常见的无线传感器（WSN）、RFID、电子标签等。v网络接入和信息处理能力大幅提高:目前，随着网络接入多样化、IP宽带化和计算机软件技术的飞跃发展，基于海量信息收集和分类处理的能力大大提高。2024/7/9二、物联网的体系架构1、应用层：应用层是构建在物联网技术架构之上的应用系统，包括商业贸易、物流、农业、军事等等不同的应用系统。2、网络层：网络层，即进行信息交换的通信网络，包括有Internet、WIFI网以及无线通信网络等网络。3、信息采集层：数据采集指通过包括条码、射频识别、无线传感器、蓝牙等在内的自动识别与近场通信技术获取物品编码信息的过程。4、编码层：编码层是物联网的基石，是物联网信息交换内容的核心和关键字。编码是物品、设备、地点、属性等的数字化名称。2024/7/9物联网架构示意图:2024/7/9物联网体系构成根据国际电信联盟的建议，物联网自底向上可以为以下的过程：v感知：该层的主要功能是通过各种类型的传感器对物质属性、环境状态、行为态势等静态动态的信息进行大规模、分布式的信息获取与状态辨识，针对具体感知任务，常采用协同处理的方式对多种类、多角度、多尺度的信息进行在线计算与控制，并通过接入设备将获取的信息与网络中的其它单元进行资源共享与交互。v接入：该层的主要功能是通过现有的移动通信网(如GSM网、T胁SCDMA网)、无线接入网(如WiMAX)、无线局域网(WiFi)、卫将来自感知层的信息传送到互联网中。v互联网：该层的主要功能是以IP、，6IPv4以及后伊星2024/7/9物联网体系构成网等基础设施，(Post-IP)为核心建立的互联网平台，将网络内的信息资源整合成一个可以互联互通的大型智能网络，为上层服务管理和大规模行业应用建立起一个高效、可靠、可信的基础设施平台。v服务管理：该层的主要功能是通过具有超级计算能力的中心计算机群，对网络内的海量信息进行实时的管理和控制，并为上层应用提供一个良好的用户接口。v应用：该层的主要功能是集成系统底层的功能，构建起面向各类行业的实际应用，如生态环境与自然灾害监测、智能交通、文物保护与文化传播、运程医疗与健康监护等。2024/7/9三、物联网关键技术物联网的关键技术有射频识别技术、传感技术、纳米技术、智能嵌入技术、云计算、IPv6技术。当前各项技术发展并不均衡，射频标签、条码与二维码等技术已经非常成熟，传感器网络相关技术尚有很大发展空间。在此只介绍射频识别技术(RFID)和传感技术(WSN)。3.1RFID3.1.1RFID的定义RFID（RadioFrequencyIdentification）即射频识别技术，俗称电子标签，通过射频信号自动识别目标对象，并对其信息进行标志、登记、储存和管理。3.1.2RFID系统组成电子标签：由芯片和标签天线或线圈组成，通过电感耦合2024/7/9RFID介绍或电磁反射原理与读写器进行通信；读写器：读取(在读写卡中还可以写入)标签信息的设备；天线：可以内置在读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器天线接口相连。vRFID系统组成图示：2024/7/93.1.3RFID的工作频率RFID的工作频率可划分为：1、LF：低频30300KHz，常用125KHz；2、HF：高频330MHz，工作频率为13.56MHz;3、UHF：特高频300MHz3GHz，工作频率：433MHz，866960MHz2.45GHz；4、SHF：超高频330GHz，工作频率：5.8GHz、24GHz；RFID工作频率图：0f(Hz)30k 300k3M 30M 300M3G30G125k13.56M常用：433M866960M5.8G2024/7/9图3-1RFID系统工作原理2024/7/93.1.4RFID的ISOIEC标准vISO/IEC（国际标准化组织和国际电工委员会）制定的（国际标准化组织和国际电工委员会）制定的RFID标准概况标准概况 技术标准技术标准：ISO/IEC 10536、ISO/IEC 14443、ISO/IEC 18000系列标准系列标准 等等数据结构标准数据结构标准：ISO/IEC 15424、ISO/IEC 15418、ISO/IEC 15434 等等性能标准性能标准：ISO/IEC 18046、ISO/IEC 18047、ISO/IEC 10373-6 等等应用标准应用标准：ISO/IEC 10374、ISO/IEC 18185、ISO/IEC 11784 等等2024/7/93.2无线传感器网络（WSN）传感器能感受规定的被测量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。无线传感器网络（WSN）无线传感器网络（WSN）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，它能够实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。3.2.1 WSN的的特特征征与现有无线网络的差别1.WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统，节点数目更为庞大（上千甚至上万），节点分布更为密集；2024/7/9WSN的特征2.由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障；3.环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化；4.通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的；5.传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力等十分有限；6.传统无线网络的首要设计目标是提高服务质量和高效率带宽利用，其次才考虑节约能源；而WSN的首要设计目标是能源的高效使用，这也是WSN和传统网络最重要的区别之一。v传感器节点的限制电源能量有限、通信能力有限、计算和存储能力有限。vWSN的特点2024/7/9WSN的体系结构v大规模网络、自组织网络、动态性网络、可靠的网络、应用相关的网络、以数据为中心的网络3.2.2 WSN体系结构体系结构图3-2平面拓扑结构图3-3逻辑分层结构2024/7/9WSN的体系结构图3-4传感器节点体系结构图3-5传感器网络协议栈2024/7/93.2.3传感器与无线通信传感网中使用的几种通信技术：1、移动通信：2G、3G、B3G、LTE；2、无线局域网：WiFi：无线局域网，802.11，校园网；WiMAX：无线城域网，802.16，已成为3G标准3、超宽带UWB：特征是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。工作频率3.1G-10.6GMHz，低功耗，如射频标签RFID（RadioFrequencyIdentification也称电子标签、无线电频率识别）。4、ZigBee：低功耗、近距离的无线组网通信技术；802.15.4（s）;5、NFC（近场通信），双向RFID，可实现设备之间的近距离通信（20cm，比兰牙短，但是不需要加密）；6、兰牙（Bluetooth）、红外（IiRD）；2024/7/93.2.4WSN通信v图3-6WSN在无线通信框架中的位置2024/7/93.2.5WSN融合v图3-7WSN和其它无线通信技术的融合2024/7/93.3RFID和WSN融合图3-8物联网架构物联网架构下RFID与WSN的融合vRFID侧重于识别，能够实现对目标的标识和管理，同时RFID系统具有读写距离有限、抗干扰性差、实现成本较高的不足；WSN侧重于组网，实现数据的传递，具有部署简单，实现成本低廉等优点，但一般WSN并不具有节点标识功能。RFID与WSN的结合存在很大的契机。2024/7/9RFID和WSN的融合vRFID与WSN可以在两个不同的层面进行融合：物联网架构下RFID与WSN的融合，传感器网络架构下RFID与WSN的融合。图3-9传感器网络架构下RFID与WSN的融合：智能基站2024/7/9RFID和WSN的融合图3-10传感器网络架构下RFID与WSN的融合：智能节点图3-11传感器网络架构下RFID与WSN的融合：智能传感标签2024/7/9四、物联网的应用v物联网应用核心关键技术：操作系统级应用中间件平台v各环节关键技术：RFID技术(自动识别、防伪、可读写数据)、二维码技术（防伪、可读数据）、传感器技术、自动控制技术、传感网通讯技术（ZIGBEE）、嵌入式终端技术、IPV6、3G网络技术、SOA架构、语音识别、视频识别技术、云计算、SAAS服务等。v物联网的主要应用领域:智能电网、智能交通、环保管理、一卡支付、资产管理、食品和药品安全、精益制造、数字化仓储等等。2024/7/9图4-1物联网应用示意图2024/7/9物联网的典型应用v1、机场入侵上海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，多种传感手段组成一个协同系统后，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。上海移动的车务通在2010年世博会期间全面运用于上海公共交通系统，以最先进的技术保障了世博园区周边大流量交通的顺畅。v2、电力管理江西省电网对分布在全省范围内的2万台配电变压器安装传感装置，对运行状态进行实时监测，实现用电检查、电能质量监测、负荷管理、线损管理、需求侧管理等高效一体化管理，一年来降低电损1.2亿千瓦时。2024/7/93、水下无线传感器网络技术根据目前欧美各国在研项目的文献资料，可以大致将水下传感器网络的组成结构可分为以下几类：1.基于水面浮标的(射频+水声通信)可任意升降的三维立体水下传感器网络系统。2.由固定在海底基站的节点构成的，可任意升降的三维立体网络系统。通过光缆或声通信与水面网关、节点联结，将数据传输至基站。3.基于水面浮标节点(射频+水声通信)、水中自主航行器（水声通信）和水底固定节点（水声通信）的三维立体系统。2024/7/9五、物联网的发展趋势及面临的问题1.物联网的发展趋势：v电子与建筑行业是切入点，产业链合力做多电子与建筑行业是切入点，产业链合力做多v应用将由分散走向统一应用将由分散走向统一物联网的产业分工也非常明确，有专门做电子标签和射频识别的企业，也有专门做各种传感元器件的企业等。随着物联网发展的推动，诸多产业链上的企业，其生产的产品将越来越多的被凝聚在一起，应用将由分散走向统一。电信运营商作为产业链中的重要参与者，将为应用的推广和整合起到关键作用。v物联网的终极目标物联网的终极目标物联网的终极目标是形成覆盖全球物互联的理想状态，在这个目标实现的过程中，物联网的各个局部网应用可先各自发展，最后形成一个事实的标准，从小网联成中网，再由中网联成大网，在此过程中逐渐解决遇到的技术、标准等各种问题。2024/7/9发展趋势及面临的问题v有关权威咨询分析机构预测，有关权威咨询分析机构预测，未来物联网的发展将经历四个未来物联网的发展将经历四个阶段阶段，包括：，包括：阶段一：2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域；阶段二：2010-2015年物体互联；阶段三：2015-2020年物体进入半智能化；阶段四：2020年之后物体进入全智能化；2.物联网发展面临的主要问题：v成本问题成本问题末端标签成本-需要个性化设计，可以通过示范性应用带动研发，通过应用推广带动量产；设备开发成本-通过标准化设计接入中间件平台，2024/7/9发展趋势及面临的问题实现设备模块化、可重用；网络运营成本-降低通讯费用，特别是无线数字通讯费用；应用开发成本-通过中间件平台，实现快速开发、灵活重构；v标准问题标准问题目前国际、国内主要在做末端标准问题，包括传感器网、RFID标签标准等；我们无需等待，可以抢先一步开始更重要的中间件平台和接入终端的标准化工作，占领制高点，既可以抓住现在应用推广的先机，而且可以随着将来末端标准的不断完善，只需逐步更换末端产品，而不影响整个物联网应用。v安全问题安全问题物联网的出现实际上是对我们提出了很多的挑战，它是一2024/7/9发展趋势及面临的问题次很好的机遇。但是我们要发展物联网会面临很多挑战，比如说安全问题、隐私问题，以及全球性资源的控制问题，因为你把实体资源连接到虚拟的网上，这些代码、标签谁来控制？也涉及标准问题，更重要的是对社会和人类生活的影响，包括隐私的问题、人际关系的问题。3.结束语物联网广泛应用于多个领域，让人们享受到更加安全轻松的生活；正日益成为备受全球社会各界共同关注的热点和焦点。物联网的发展从概念到技术研究、试点实验阶段，已经取得了突破性进展。伴随国家和企业，政策和资金的大力支持，政策、金融、研发机构、人员四大环境的不断增强和投入，物联网将会顺应生产力变革的要求不断发展下去。物联网的发展任重道远！2024/7/9Theend:Thanks！2024/7/9