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1、中南大学物联网工程专业宣传材料之一物联网工程专业的背景与办学思想中南大学信息科学与工程学院2011年4月18日一、物联网技术概论1 物联网的定义物联网是新一代信息技术的重要组成部分，英文名称叫“The Internet of things”。顾名思义，物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。因此，物联网可以定义为：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
2、需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、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的网络。其目的是实现物与物、物与人的连接，实现智能化的识别、管理和控制。物联网中的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围：要有相应信息的接收器；要有数据传输通路；要有一定的存储功能；要有CPU；要有操作系统；要有专门的应用程序；要有数据发送器；遵循物联网的通信协议；在世界网络中有可被识别的唯一编号。2 物联网体系结构物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层是物联网的皮肤和五官识别物体，采集信息。感知层包括二维码标签和读写器、RFID标签和读写器、多媒体采集
3、设备、GPS、传感器、终端、传感器网络等，主要是识别物体，采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。 网络层是物联网的神经中枢和大脑信息传递和处理。网络层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。 应用层是物联网的“社会分工”与行业需求结合，实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会3 物联网应用物联网具有非常广泛的用途，可大体概括为如下十个主要应用领域。 （1）智能家居 将各种家庭设备（如音视频设备、照明系统
4、、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、网络家电等）通过电信宽带、固话和3G无线网络连接起来，实现对家庭设备的远程操控。与普通家居相比，智能家居不仅提供舒适宜人且高品位的家庭生活空间，实现更智能的家庭安防系统;还将家居环境由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能。 （2）智能医疗 智能医疗系统借助实用的家庭医疗传感设备，对家中病人或老人的生理指标进行监测，并将生成的生理指标数据通过电信网络或3G无线网络传送到护理人或有关医疗单位。根据客户需求，系统还提供相关增值业务，如紧急呼叫救助服务、专家咨询服务、终生健康档案管理服务等。智能医疗系统有望解决了现代社会健康
5、保健瓶颈问题。 （3）智能城市 智能城市系统包括对城市的数字化管理和城市安全的统一监控。前者利用“数字城市”理论，基于3S（地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、遥感系统RS）等关键技术，深入开发和应用空间信息资源，建设服务于城市规划、城市建设和管理，服务于政府、企业、公众，服务于人口、资源环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统。后者基于宽带互联网的实时远程监控、传输、存储、管理的业务，利用电信网络无处不达的宽带和3G，将分散、独立的图像采集点进行联网，实现对城市安全的统一监控、统一存储和统一管理，为城市管理和建设者提供一种全新、直观、可视的管理工具。 （4）智能环保 智能环保系
6、统通过对实环境的自动监测，实现实时、连续地监测和远程监控，及时掌握水体、大气、土壤的状况，预警预报重大污染事件。 （5）智能交通 智能交通系统包括公交行业无线视频监控平台、智能公交站台、电子票务、车管专家和公交手机一卡通等业务。公交行业无线视频监控平台利用车载设备的无线视频监控和GPS定位功能，对公交运行状态进行实时监控。智能公交站台通过媒体发布中心与电子站牌的数据交互，实现公交调度信息数据的发布和多媒体数据的发布功能，还可以利用电子站牌实现广告发布等功能。电子门票是二维码应用于手机凭证业务的典型应用，以手机为平台、以移动网络为媒介，通过特定技术实现凭证功能。车管专家利用全球卫星定位技术、无线
7、通信技术（CDMA）、GIS、3G等技术，将车辆的位置与速度，车内外的图像、视频等各类媒体信息及其他车辆参数等进行实时管理，有效满足对车辆管理的各类需求。行车监管系统通过将车辆测速系统、高清电子警察系统的车辆信息实时接入车辆管控平台，同时结合交警业务需求，基于GIS地理信息系统通过3G无线通信模块实现报警信息的智能、无线发布，从而快速处置违法、违规车辆。（6）智能工业 工业是物联网应用的重要领域。具有环境感知能力的各类终端、基于泛在技术的计算模式、移动通信等不断融入到工业生产的各个环节，可大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，将传统工业提升到智能工业的新阶段。首先，物联网用于
8、制造业供应链管理，在企业原材料采购、库存、销售等领域，通过完善和优化供应链管理体系，提高了供应链效率，降低了成本。空中客车(Airbus)通过在供应链体系中应用传感网络技术，构建了全球制造业中规模最大、效率最高的供应链体系。其次，物联网用于生产过程工艺优化， 可提高生产线过程检测、实时参数采集、生产设备监控、材料消耗监测的能力和水平。生产过程的智能监控、智能控制、智能诊断、智能决策、智能维护水平不断提高。例如，钢铁企业应用各种传感器和通信网络，在生产过程中实现对加工产品的宽度、厚度、温度的实时监控，从而提高了产品质量，优化生产流程。第三，产品设备监控管理， 通过各种传感技术与制造技术融合，实现
9、对产品设备操作使用记录、设备故障诊断的远程监控。例如，GE Oil & Gas集团在全球建立了13个面向不同产品的i-Center，通过传感器和网络对设备进行在线监测和实时监控，并提供设备维护和故障诊断的解决方案 （7）智能农业 智能农业产品通过实时采集温室内温度、湿度信号以及光照、土壤温度、二氧化碳浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数，自动开启或者关闭指定设备。可以根据用户需求，随时进行处理，为设施农业综合生态信息自动监测、对环境进行自动控制和智能化管理提供科学依据。智能农业产品还包括智能粮库系统，该系统通过将粮库内温湿度变化的感知与计算机或手机的连接进行实时观察，记录现场情况以保证量粮库内的
10、温湿度平衡。 （8）智能物流 智能物流构造了集信息展现、电子商务、物流配载、仓储管理、金融质押、园区安保、海关保税等功能为一体的物流综合信息服务平台。信息服务平台以功能集成、效能综合为主要开发理念，以电子商务、网上交易为主要交易形式，建设高标准、高品位的综合信息服务平台。（9）智能校园 智能校园通过校园一卡通技术，实现身份识别、电子钱包。身份识别包括门禁、考勤、图书借阅、会议签到等，电子钱包即通过手机刷卡实现主要校内消费。智能校园还帮助大中小学用户实现学生管理电子化，使学生、家长、学校三方可以时刻保持沟通，方便家长及时了解学生学习和生活情况，真正达到了对学生日常行为的精细管理，实现学生开心、家
11、长放心、学校省心的效果。 （10）智能会展 智能文博系统是基于RFID和中国电信的无线网络，运行在移动终端的导览系统。该系统在服务器端建立相关导览场景的文字、图片、语音以及视频介绍数据库，以网站形式提供专门面向移动设备的访问服务。移动设备终端通过其附带的RFID读写器，得到相关展品的EPC编码后，可以根据用户需要，访问服务器网站并得到该展品的文字、图片语音或者视频介绍等相关数据。该产品主要应用于文博行业，实现智能导览及呼叫中心等应用拓展。 4 物联网在中国的发展物联网在中国迅速崛起得益于我国在物联网方面的几大优势。 第一，我国早在1999年就启动了物联网核心传感网技术研究，研发水平处于世界前列
12、；第二，在世界传感网领域，我国是标准主导国之一，专利拥有量高；第三，我国是目前能够实现物联网完整产业链的国家之一；第四，我国无线通信网络和宽带覆盖率高，为物联网的发展提供了坚实的基础设施支持；第五，我国已经成为世界第二大经济体，有较为雄厚的经济实力支持物联网发展。 2009年10月24日，在中国第四届中国民营科技企业博览会上，西安优势微电子公司宣布：中国的第一颗物联网的中国芯“唐芯一号”芯片研制成功，中国已经攻克了物联网的核心技术。唐芯一号芯片是一颗2.4G超低功耗射频可编程片上系统PSoC，可以满足各种条件下无线传感网、无线局域网、有源RFID等物联网应用的特殊需要，为我国的物联网产业的发展
13、奠定了基础。 中科院上海微系统与信息技术研究所副所长、中科院无锡高新微纳传感网工程中心主任刘海涛认为，“与计算机、互联网产业不同，中国在物联网领域享有国际话语权”。 目前，我国的无线通信网络已经覆盖了城乡，从繁华的城市到偏僻的农村，从海岛到珠穆朗玛峰，到处都有无线网络的覆盖。无线网络是实现“物联网”必不可少的基础设施，安置在动物、植物、机器和物品上的电子介质产生的数字信号可随时随地通过无处不在的无线网络传送出去。“云计算”技术的运用，使数以亿计的各类物品的实时动态管理变得可能。 中科院早在1999年就启动了传感网研究，与其它国家相比具有同发优势。该院组成了2000多人的团队，先后投入数亿元，在
14、无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器终端机、移动基站等方面取得重大进展，目前已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链。在世界传感网领域，中国与德国、美国、韩国一起，成为国际标准制定的主导国之一。 业内专家表示，掌握“物联网”的世界话语权，不仅仅体现在技术领先，更在于我国是世界上少数能实现产业化的国家之一。这使我国在信息技术领域迎头赶上甚至占领产业价值链的高端成为可能。 中科院无锡微纳传感网工程技术研发中心是国内目前研究物联网的核心单位。2009年8月7日，温家宝总理在江苏无锡调研时，对微纳传感器研发中心予以高度关注，提出了把传感网络中心设在无锡、辐射全国的想法。温家宝总理指出
15、“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”，“在国家重大科技专项中，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”。江苏省委省政府接到指示后认真落实总理的要求，热情拥抱“物联网”，突出抓好平台建设和应用示范工作，并迅速形成了研发安全感与产业突破的先发优势。无锡市则做出部署：举全市之力，抢占新一轮科技革命制高点，把无锡建成传感网信息技术的创新高地、人才高地和产业高地。 鉴于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，国家民航总局正式发文要求，全国民用机场都要采用国产传感网防入侵系统。至2009年8月，仅浦东机场直接采购传
16、感网产品金额为4000多万元，加上配件共5000万元。有学者估计，若全国近200家民用机场如果都加装防入侵系统，将产生了上百亿的市场规模。5 物联网前景展望物联网前景非常广阔，它将极大地改变我们目前的生活方式。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。可以说，物联网描绘的是充满智能的世界。有研究机构预计10年内物联网就可能大规模普及，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场，其产业要比互联网大30倍。 EPOSS在Internet of Things in 2020报告中分析预测，未来物联网的发
17、展将经历四个阶段，2010年之前RFID被广泛应用于物流、零售和制药领域，20102015年物体互联，20152020年物体进入半智能化，2020年之后物体进入全智能化。 有业内专家认为，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。目前，加拿大、英国、德国、芬兰、意大利、日本、韩国等都在投入巨资深入研究探索物联网。同时，有专家认为，物联网架构建立需要明确产业链的利益关系，建立新的商业模式，而在新的产业链推动矩阵中，核心则是明确电信运营商的龙头地位。 作为物联网的积极推动者的欧盟则梦想建立“未来物联网”。欧盟信息社会和媒体司2009年5月20日公布的未来
18、互联网2020：一个业界专家组的愿景报告指出，欧洲正面临经济衰退、全球竞争、气候变化、人口老龄化等诸多方面的挑战，未来互联网不会是万能灵药，但坚信，未来互联网将会是这些方面以及其他方面解决方案的一部分甚至是主要部分。 二、开设物联网工程专业的必要性与可行性1 必要性由于专业人才培养对物联网技术发展具有十分重要的意义，教育部在2010年3月发出了关于战略性新兴产业相关专业申报和审批工作的通知。通知指出：在“国家决定大力发展互联网、绿色经济、低碳经济、环保技术、生物医药等关系到未来环境和人类生活的一些重要战略性新兴产业”的背景下，“加大战略性新兴产业人才培养力度，支持和鼓励有条件的高等学校从本科教
19、育入手，加速教学内容、课程体系、教学方法和管理体制与运行机制的改革和创新，积极培养战略性新兴产业相关专业的人才”，是“满足国家战略性新兴产业发展对高素质人才的迫切需求”。深刻理解党和国家在发展包括物联网工程在内的新兴战略性产业相关专业的决定，把握设置物联网工程专业的必要性，对于我们坚定信心、办好专业具有重要意义。我们必须认识到，物联网的发展必将引起整个社会的变革，推动国家信息化向纵深发展，促进产业创新、结构调整和发展模式的转变，它是抢占发展制高点、改善民生、利国惠民、构建和谐社会的重要技术手段。而大力发展物联网工程专业，培养高素质专业人才，正是这一战略的重要组成部分。2 可行性在中南大学开设物
20、联网工程专业，具有较为有利的条件。中南大学是教育部直属重点综合性大学，国家首批实施“211工程”重点建设高校、国家“985工程”部省重点共建高水平大学。信息科学与工程学院现有一级学科博士点1个（控制科学与工程），二级学科博士点8个，一级学科硕士点5个， 二级学科硕士点22个，国家重点学科2个（控制理论与控制工程、交通信息工程及控制），湖南省重点学科3个（控制理论与控制工程、计算机应用技术）。在物联网工程领域，有深厚的研究与应用基础，师资力量雄厚，办学条件较好。（1）有比较好的物联网研究与应用基础近五年来，信息科学与工程学院广大教师承担了大量有关物联网、智能通信的国家级、省部级和校企合作项目。在
21、我们统计的60多个项目中，与物联网相关的课题有20余项，项目经费达2000万。项目名称项目来源时间负责人信息处理算法及物理实现973计划预研2008-2009王建新多跳无线与有线混合网络中传输控制协议国家自然科学基金2006-2009王建新铁路货车安全监测系统无线传感器网络省杰出青年基金2006-2009王建新移动自组网中移动敌手及欺骗问题的研究国家自然科学基金2008-2010施荣华新一代互联网分布式资源存取认证问题湖南自然科学基金2003-2004施荣华马尔可夫网络人脸图像超分辨率非线性算法国家自然科学基金2009-2011黄东军P2P网格计算资源动态管理与任务调度研国家自然科学基金200
22、5-2007陈志刚RingNet模型可扩展及安全的组播通信研究国家自然科学基金2006-2008王国军大规模移动自组网安全群组通信研究湖南自然科学基金2005-2007王国军自组织网络中基于洞影子及分段策略的抗毁路由协国家863计划2006-2008王国军匿名通信理论、方法与关键技术研究国家自然科学基金2004-2006王伟平Petri网两阶段动态网格调度机制研究国家自然科学基金2006-2009胡志刚银税类设备智能化升级的嵌入式软件平台国家8632003-2005金瓯多国货币智能识别与自助支付应用系统嵌入式软件产业化国家发改委高新技术产业化软件专项2004-2007金瓯国家重点新产品“多国货
23、币智能识别器KCM-A、KCM-B、KCM-D”国家科技部2004-2007金瓯中国下一代互联网络示范工程CNGI- CERNET2长沙核心节点国家发改委2004-2006黄烟波（2） 有雄厚的师资力量计算机工程系、计算机科学系、通信工程系、电子信息工程系、软件工程学院共有教师130名；其中教授35人，博士生导师15人，副教授40人，讲师51人；拥有博士学位的教师60人，具有国外留学经历的教师30余人；有1名长江学者特聘教授，1名长江学者讲座教授，一名芙蓉学者讲座教授，4名教育部新世纪人才。其中从事无线通信、无线网络、互联网、传感技术、信息采集、信息处理、信息编码、计算系统结构等领域研究的教师
24、有30余人。有多个相关研究团队：金瓯教授领导的金融自助服务物联网工程研究与开发组，获得国家科技进步二等奖1次，省部级科技进步一等奖3次，取得国家发明专利5项。邹北骥教授带领的计算机视觉研究组，致力于视频图像分析与理解，在运动对象跟踪、行为建模与分析、人脸识别等方面积累了研究和开发经验。王建新教授牵头的移动自组网研究组，关注铁路货车安全监控传感网络设计，在开发关键技术上取得了一些成果，申请发明专利5项，国际核心专业刊物、重要国际会议发表论文100 余篇。黄东军教授领导的多媒体信息感知与传输研究组，主持国家自然科学基金项目和校企合作项目8项，所开发的“江西德兴铜矿选矿过程监控系统”、“南方航空公司
25、飞机地面运行管理系统”、“湖南省重点用能单位能源利用数据采集系统”等系统在生产和管理中得到应用，创造显著的经济和社会效益；获部级科技进步二等奖1项，软件著作权4项；在软件学报、电子学报、计算机研究与发展等国内权威刊物以及IEEE CVPR顶级国际会议发表论文40余篇，其中EI检索19篇。王国军、贾维嘉教授领导的可信计算、移动计算、高速多媒体通信研究组，在无线传感器网络、网络安全等领域开展研究，获得软件著作权6项，专利21项，在国际核心专业刊物、重要国际会议发表论文40余篇。2006年计算机科学与技术学科研究团队被教育部评为长江学者创新团队。（3） 办学条件良好相关实验系统比较齐备。计算机与通信
26、专业实验室，现拥有“无线通信系统”、“信息处理”“计算机组成”、“计算机网络原理”、“无线通信开发平台”、“嵌入式系统实验平台”、“信息安全”、“数字通信”、“数字多媒体”等综合实验系统，具有较高水平和较大规模。目前已经拥有相关专业实验设备有700件，价值2000万元。其中计算机原理实验箱、通信原理实验箱、网络安全实验平台、通信嵌入式开发平台、无线个人局域网系统、网关无线网卡、无线通信系统开发平台、多媒体视频会议系统、大规模显示系统等设施为开办物联网工程专业提供了一定的实践教学手段。在涟源钢铁公司、中软国际、洛阳铜加工、上海杰普科技、湖南软件测评中心等单位建立了计算机、信息安全等专业的实习和实
27、训基地。三、专业建设思路尽管我校开设物联网工程专业的条件基本具备，但开设新专业必然会面临各种具体问题。因此，有必要确立科学的专业建设思路。核心的一条，就是要用改革的思想统领专业建设。正如教育部关于战略性新兴产业相关专业申报和审批工作的通知所要求的，开设战略性产业相关专业，一定要“加速教学内容、课程体系、教学方法和管理体制与运行机制的改革和创新”。只有大胆改革，才能走出一条高起点、高规格、高质量的办学路子。第一，为确保教学质量，特聘物联网工程专业师资，立足信息学院，面向全校、乃至更广的范围，选聘功底扎实、经验丰富、授课水平高的优秀教师，主讲核心课程，并给予较优待遇。第二，改革实验室管理制度，建立
28、“教授及专业教师主导的实验室管理”新制度。物联网工程作为新专业，一定要树立实践能力导向的培养观念，为此，我们将努力营造“学生与老师泡在实验室”的学习氛围。 第三，加大投入，建设高水平实验平台。物联网工程的专业课程、设计教程具有很强的实践性，必须通过全面深入的实践性教学，才能培养出合格的物联网专业人才。现有计算机与通信专业实验室无法满足上述课程实验、课程设计和实习的需要，必须建立一个相对完整的物联网专业实验室。我们要把这个实验室打造成为中南地区的物联网工程实训、实验和创新中心，对湖南省、中南地区乃至全国产生示范和辐射作用。核心课程主讲教师介绍：高建良，中国科学院研究生院博士毕业。主要从事传感器、
29、射频识别装置和系统应用研究。参加国家973等项目3项，拥有发明专利2项，在国内外权威刊物发表论文30余篇。具有很强的硬件开发能力，熟悉C+、Matlab等工具。主讲RFID技术。郭克华，南京理工大学博士毕业。主要从事软件工程、物联网中间件研究、开发和应用。主持湖南省自然科学基金等项目3项，参加国家项目4项。在国内外权威刊物发表论文20余篇。在Java语言研究、应用和教学方面成绩卓著。编写相关著作6本。主讲物联网编程技术。王斌，中南大学博士毕业。主要从事软件工程、中间件平台及网络安全监控平台研究、开发和应用。主持国家自然科学基金1项，主持和参加国家省部级项目5项。主持企业级大型横向课题10项，在
30、国内外权威刊物发表论文50余篇。编写相关著作2本。主讲物联网中间件与平台技术。张士庚，南京大学博士毕业。主要从事无线传感器网络、RFID、车载网络方面的研究、开发和应用。参与国家973计划、863计划、自然科学基金项目多项。在国内外权威刊物和国际会议上发表论文10余篇。主讲物联网定位技术。刘伟荣，中南大学博士毕业。主要从事控制理论和网络传输层方面的研究工作，在国内外权威刊物发表论文20篇。主持国家自然科学基金、博士后基金、湖南省自然科学基金等项目5项。作为第一发明人获得授权发明专利1项。主讲传感器网络技术。宋虹，中南大学博士毕业。主要从事计算机操作系统、信息安全方面的研究和教学工作，在国内外权
31、威刊物发表论文20篇。参加国家自然科学基金、博士后基金、湖南省自然科学基金等项目7项。国家精品课程操作系统原理项目教师之一。主讲微操作系统设计。刘连浩，中南大学博士毕业。主要从事嵌入式、物联网系统方面的研究开发。研究汽车遥控加密技术、小型路由器、升降机信息集成技术、万分之一电子分析天平等产品和系统，获省部级科技进步三等奖1项，发表论文30余篇，EI检索10篇。主讲单片机与接口技术。黄东军，中南大学博士毕业。主要从事多媒体信息采集与处理、计算机网络方面的研究、开发和应用。主持国家和参加自然科学基金项目5多项。在国内外权威刊物和国际会议上发表论文40余篇。获得软件著作权2项，省部级科技进步二等奖1项。主讲物联网专题。金瓯，国防科技大学硕士毕业。湖南金码科技公司董事长、总经理。主要从事金融物联网、嵌入式系统、货币识别方面的研究、开发和应用。取得国家发明专利10项，软件著作权20项，国家科技进步二等奖2项，省部级科技进步一等、二等奖3项。主讲物联网专题。王建新，中南大学博士毕业。主要从事计算机网络、无线传感器网络、轨道交通物联网方面的研究、开发和应用。主持国家973计划、863计划、自然科学基金项目10项。横向合作课题20余项。在国内外权威刊物和国际会议上发表论文100余篇。主讲物联网专题。
