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1、物联网技术导论,第1章 引言,物联网是在计算机互联网的基础上，利用射频识别、传感器、无线数据通信、计算机等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的实物互联网。物联网内每一个物品（包含人、动物、植物、物体等）都有一个唯一的产品电子码，叫做EPC（Electronic Product Code），通常EPC码被存入硅芯片做成的电子标签内，附在被标志产品上，被高层的信息处理软件识别、传递、查询，进而与网络（如互联网、3G、4G网络）连接起来，实现智能化应用和管理，形成专为供应链企业服务的各种信息服务，就是物联网（IOT，Internet of Things）。物联网就是“物物相连的互联网”。具有两层含义：
2、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品与物品之间，进行信息交换和通信。,1.1 物联网的起源与发展,一、咖啡壶事件 咖啡壶事件发生在1991年，剑桥大学特洛伊计算机实验室的科学家们在工作时，要下两层楼梯到楼下看咖啡煮好了没有，大多常常空手而归，这让工作人员觉得很烦恼。为了解决这个麻烦，他们编写了一套程序，并在咖啡壶旁边安装了一个便携式摄像机，镜头对准咖啡壶，利用计算机图像捕捉技术，以3帧/s的速度传递到实验室的计算机上，以方便工作人员随时查看咖啡是否煮好，省去了上上下下的麻烦。这样，他们就可以随时了解咖啡煮沸情况，如图1-
3、1所示，咖啡煮好之后再下去拿。,1993年，这套简单的本地“咖啡观测”系统又经过其他同事的更新，以1帧/s的速率通过实验室网站连接到了互联网上。没想到的是，仅仅为了窥探“咖啡煮好了没有”这一情况，全世界互联网用户蜂拥而至，近240万人点击过这个“咖啡壶”网站。一个不经意的发明，在全世界引起了如此大的轰动。,二、聪明的饮料售货机 1995年夏季，在卡耐基梅隆大学校园里有一个自动售货机，出售的各色可乐，价钱比市场上的便宜一半。所以，很多学生都去那个机器买可乐。但是大老远的跑过去，经常发现可乐已经售完，学生为了不想去自动售货机买饮料时白跑一趟，于是几个聪明的学生想到一个办法，他们在自动售货机里装了一
4、串光电管，用来计数，然后装上芯片，把自动售货机与互联网对接，这样，学生在宿舍里先在网上查看一下就知道哪个售货机还有多少饮料，以免白跑一趟。这是对于物联网的初次接触。,三、比尔盖茨与未来之路 书中也提到了“物联网”的构想，书中写道：您将会自行选择收看自己喜欢的节目，而不是等着电视台为您强制性选择。如果您计划购买一台冰箱，您将不再听那些喋喋不休的推销员唠叨，电子论坛将会为您提供最丰富的信息。您可以亲自进入地图中，这样可以方便地找到每一条街道、每一座建筑。您丢失或失窃的摄像机将自动向您发送信息，告诉您它现在所处的具体位置，甚至当它已经不再您所在的城市也可以被轻松找到。等等,四、Ashton与MIT自
5、动识别中心,英国工程师Kevin Ashton，于1998年春季在宝洁公司的一次演讲中首次提出“物联网”的概念。他作为“条码退休运动”的核心人物，花了两年的时间找到了将RFID（Radio Frequency IDentification，射频识别）取代现在的商品条码，是电子标签变成零售商品的最佳信息发射器，并由此变化出千百种应用与管理方式，来实现供应链管理的透明化和自动化。,1999年10月1日，他与美国麻省理工学院的两位同仁创立了一个RFID研究机构MIT自动识别中心，该机构于2003年11月1日更名为自动识别实验室，主要为电子标签即EPC global提供技术支持。Ashton对物联网的
6、定义很简单：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。MIT自动识别中心提出，要在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线传感网（wireless sensor network，WSN）、数据通信等技术，构成一个覆盖世界上万事万物的“物联网”。在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。Ashton说：“这是比互联网更大，为公司创造一种使用传感器识别世界各地商品的方法。,五、物联网闪亮登场,无论是物联网还是传感网，都不是最近才出现的新兴概念。作为物联网的子网络传感网的构想最早由美国军方提出，起源于1978年美国国防部高级研究计划局资助卡耐基
7、梅隆大学进行分布式传感网研究项目。随着技术不断进步，国际电信联盟于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）正式提出了物联网的概念，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互联网主动进行数据交换。,在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间、任何地点的人与人之间的沟通连接，扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。,六、物联网演进和发展代表性时间,1.2 物联网的战略意义,一、经济价值 20世纪，克林顿政府提出
8、“信息高速公路”国家振兴战略，大力发展互联网，推动了全球信息产业的革命，美国经济也受惠于这一战略，并在90年代中后期享受了历史上罕见的长时间繁荣。奥巴马的振兴战略方向又在哪里？种种迹象表明：智慧地球和新能源发展战略将成为主导。2008年11月IBM提出“智慧地球”的概念。2009年2月17日奥巴马就职演讲后，对IBM提出的“智慧地球”签署了总额为7870亿美元的经济刺激计划，经济刺激计划几乎涵盖了美国所有的经济领域。奥巴马表示，该计划将为美国保住和创造约350万个工作岗位。,1.绿色经济与低碳经济 从1904 2004年的100年间，中国二氧化碳排放量只占全球的8%。当下，中国人均排放量也不高
9、，2004年我国人均排放二氧化碳3.6t，只有世界人均值的87%左右，为发达国家人均量的1/3，仅及美国的1/5。,2.信息经济与知识经济 有效利用资源与保护自然环境是经济可持续发展的基础，是能不断创造价值赋予经济发展不竭的动力。信息经济与知识经济可以超越物质实体的限制，提供更多的创新机会和更大的创造空间。,二、社会价值 物联网与其他高新技术一样，具有创新性强、先导性突出、成长性好等突出优势，成为未来经济发展的助推器与显示国家经济力量的一个重要指标和参数。物联网的出现，是在互联网、宽带高速通信技术特别是终端技术成熟发展之后在生产力上的新的变革和里程碑。,1.老龄化问题 基于物联网技术的“智能医
10、疗”2.城市交通问题 基于物联网技术的智能交通系统3.环境污染问题大气污染水污染噪声污染放射性污染,总之，物联网技术的出现体现了人类理性能力的强大，彰显了人类应对社会发展问题的智慧，必将进一步拓展人类生存和发展的时空界限,催生新的文化、道德、价值模式。同时也要特别指出，物联网的发展既要兼顾各方利益从而发展和实现代内公正，要与低碳、绿色理念有机结合从而发展和实现当代人与后代人的代际公正，也要与国际经济、政治新秩序的推进和构建有机结合从而发展和实现不同国家之间的国际公正。,三、国家安全,在经济全球化背景下，经济信息安全事关国家安全，它以资本市场信息安全为核心，包括内容安全和技术安全两个层面。当前，
11、大规模资本市场交易和资金流动都通过交易平台以网络化的形式实现。片面、虚假、歪曲的信息，会误导、扰乱市场；核心技术失控、网络漏洞以及黑客、病毒等都可能使大量财富瞬间化为乌有。没有经济信息安全，就没有交易安全，就没有金融安全和经济安全，也就没有完全意义上的国家安全。,国家话语权和经济信息安全密不可分。没有话语权，就不可能实现真正意义上的、可持续的经济信息安全；没有经济信息安全，也不可能拥有强大的、有效的话语权。因此，物联网作为一个国家战略级的新兴产业，关联着许多国民经济生产的重要行业，被赋予带动其他相关产业发展的重要使命，其在经济信息安全方面的问题不容回避和忽视。只有在经济信息安全得到保障的前提下
12、，物联网才能走上快速发展的道路。主要表现为以下几个方面：,第一，物联网的标准统一的话语权第二，产业链的整合，寡头垄断趋势威胁物联网健康发展第三，物联网的应用领域由局部向全社会渗透的趋势所带来的安全隐患第四，随着物联网的逐渐普及的趋势，信息安全问题呈现更加复杂的局面,四、科技发展需求,1.传感器技术 随着物联网应用范围的扩大，基于RFID的传感器将在现有应用基础上得到更广泛的拓展。随着微电技术的发展，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。很多新技术传感器产品诞生：能辨识任何物质的“超敏”传感器，可检测人体动作的CNT（carbon nanotube，碳纳米管）传感器，掌纹识
13、别传感器，自发电纳米无线传感器，环形激光传感器检测纳米粒子，透明生物传感器等。作为物联网金字塔的基础，传感器产品将得到更广泛的应用，传感器产业将快速发展。,2.信息处理与服务技术 一个重要研究内容就是海量信息处理。物联网信息处理的另外一个重要内容是智能信息处理，即利用信息提供各种有意义、有价值的服务，使信息处理进入一个更高级的阶段，如数据挖掘、知识发现等。,3.网络通信技术 网络通信是物联网信息传递和服务支撑的基础技术。面向物联网的网络通信技术主要解决异构网络、异构设备的通信问题，以及保障相关的通信服务质量和通信安全，如近场通信、认知无线电技术等。,4.能源技术 进入现代社会，工业化、城市化进
14、程不断加快，传统能原因大量消耗、不可再生而急剧减少，寻找新的、可再生能源、成为世界各国政府、能源专家面临的、急需解决的重大课题。当今世界，水能、太阳能、核能、风能、生物质能、地热能、海洋能等新能源产业及其技术快速发展，已成为缓解能源危机、改善现有能源结构的重要途径，高度关注新能源产业的发展成为当前各国政府的首选。,1.3物联网现状分析,一、物联网战略规划现状,二、物联网产业现状,1.物联网产业链价值分布情况,2.物联网产业链受益主体,3.中国物联网战略规划,4.中国物联网产业现状、地域分布、应用分布,5.物联网产业总体现状,总体上看，物联网作为新兴产业，目前正处于产业化前期，其大规模产业化与商
15、业化时代即将到来。欧洲智能系统集成技术平台（EPoSS）在Internet of Things in 2020报告中分析预测，未来物联网的发展将经历4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。,第2章 物联网初识,2.1物联网相关概念,自从2009年响亮的鸣笛，物联网像一辆疾驰的列车，无论是地方政府、科研院所、企业、还是行业用户，都争先恐后地登上这辆列车。图2-1所示物联网的广泛应用。物联网的发展，对于中国在未来世界经济中所扮演的角色，有着非常重要的作用和意义，规划、标准、扶持
16、政策纷至沓来。“忽如一夜春风来”，“物联网”之风在较短的时间内迅速吹遍神州大地。,一、物联网与互联网的关系与区别,如今给放养的羊群中的每一只羊都贴上一个二维码，这个二维码会一直保持到超市出售的每一块羊肉上，消费者可以通过手机阅读二维码，知道羊的成长历史，确保食品安全。这就是“动物溯源系统”，今天，我国已经有10亿存栏动物贴上了这种二维码，如图2-2所示。,物联网的真正内涵是什么？它是如何工作的？它与传感网、RFID和泛在网有着怎样的关系？为什么会“一夜成名”呢？,1.从互联网到物联网,物联网概念不是凭空杜撰出来的，也不是某单项新技术突破引申出来的。物联网的发展有坚实基础，是现代信息技术发展到一
17、定阶段的必然产物，是多项现代信息技术的殊途同归与聚合应用，是信息技术系统性的创新与革命。图2-3给出从互联网到物联网的演进。,我们正处在一个全新的、泛在计算和通信时代，这个时代将从更根本上改变我们的企业、社区和个人的存在方式。信息与通信技术（Information and Communication Technology，ICT）领域呈现出新模式，除了针对人的随时、随地连接，还增加了针对任何物体的连接，如图2-5所示，信息与通信技术的目标已经从任何时间、任何地点连接任何人，发展到连接任何物体的阶段，而万物的连接就形成了物联网。,2.物联网与互联网比较,物联网和互联网有着本质的区别，互联网是一种
18、新媒体，媒体的特征是信息的传播，而物联网是信息的判断，是智能的，它是未来每个人认识世界新的一种思维方式。,二、物联网的体系概述,1.物联网定义 物联网是指通过射频识别（RFID）红外感应器、全球地位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议。把任何物体与互联网连接起来，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。如图2-6所示。,物联网范围中的物要满足以下条件：要有相应的信息的接收器，要有数据传输通道，要有一定的存储功能，要有中央控制单元（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，在世界网络中可被识别的唯一编号。,物联网与互
19、联网最大的差别就是：如果说互联网让全世界变成了一个村，那物联网就让这个村变成了一个人，这个人充满着智慧；互联网连接虚拟信息空间，而物联网连接现实物理世界；如果说互联网是人的大脑，那物联网就是人的四肢。与互联网相比，物联网实际上只是多了一个底层的数据采集环节，大致是4类数据的采集：条码和电子标签显示身份，传感器捕捉状态，摄像头记录图像，GPS进行跟踪定位。,因特网+物联网=智慧的地球,2.物联网基本工作原理,首先是对物体属性进行标志，属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时进行探测；其次需要识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格
20、式；最后将物体的信息通过网络传输的信息处理中心，由处理中心完成物体通信的相关计算，处理中心可能是分布式的，如家里的计算机或手机，也可能是集中式的，如电信运营商的互联网数据中心（Internet Dada Center，IDC）。,物联网技术是一项综合性技术。,3.物联网发展的四个阶段,第一阶段，电子标签和传感器被广泛应用在物流、销售和制药领域第二阶段，实现物体互联第三阶段，物体进入半智能化第四阶段，物体进入了全智能化在规模性、流动性条件的保障下实现4A（任何时间Anytime、任何地点Anywhere、任何人Anyone、任何物Anything）化通信,2.2 物联网的构成,物联网的本质就是物
21、理世界和数字世界的融合。这种融合是“双向的”：一是现实世界向虚拟世界的融入；二是虚拟世界向现实世界的融入。,一、物联网的构架是一个层次化的网络,通常被笼统化分为三层：感知层、网络层和应用层。,二、物联网与传感网、RFID和泛在网的关系,1.物联网与传感网的关系,物联网与传感网是同一事物的不同表述，物联网更贴近“物”的本质属性，强调的是信息技术、设备为“物”提供更高层次的应用服务，传感网是学名，从技术支撑角度来说的；物联网是俗名，是从用户和产业角度来看说的，其精髓就是“感知”。,2.传感网与RFID的关系,RFID和传感器具有不同的技术特点，传感器可以监测感应到各种信息，但缺乏对物品的标志能力，
22、而RFID技术恰恰具有强大的标志物品能力。传感网较长的有效距离将拓展RFID技术的应用范围。,泛在网是指无所不在的网络，又称泛在网络。物联网+互联网 泛在网,泛在网是ICT（Information Communication Technology）社会发展的最高目标，物联网是泛在网的初级和必然发展阶段，传感网是物联网的延伸和应用的基础。它们之间的关系如图2-9所示。,3.物联网与泛在网络的关系,2.3 物联网内涵辨析,三个关键特征：1.各类终端实现“全面感知”把物和物连在一起最根本、最精髓的目标就是感知。2.电信网、因特网等融合实现“可靠传输”是指通过各种网络融合、业务融合、终端融合、运营管理
23、融合，将物体的信息实时准确地传递出去，对接收到的感知信息进行实时远程传送，实现信息的交互和共享，并进行各种有效处理。3.云计算等技术对海量数据“智能处理”是指利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对随时接收到的跨地域、跨行业、跨部门的海量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。,物联网本质特征,物联网本质特征是以物的信息生命为研究对象，最终实现物的信息生命动态链接，如图2.10所示。,2.4关键技术和难点,一、关键技术,1.标志方面 如何解决标志统一性问题，如图2-12所示。,2.体系结构方面 除了在局部创建或形成一个个自主的传感网络与
24、早已形成规模的互联网实现互联互通，这就是所谓建设一个网中网的概念。现在大家研究的侧重点，要支持语义的操作，要支持SOA（service oriented architecture，面向服务架构）的架构，怎样支持实践的体系架构，怎样支持分布式的体系结构。,3.通信技术方面 未来物联网的通信技术也是多样的，从人和物之间的通信，到物理世界到现实世界的通信，到我们分布式数据之间的通信，其通信的要求是不一样的，在这种情况下我们应该考虑问题涉及无线电技术及频率的复用等，特别是要考虑能够在低功耗情况下工作时通信频率系统。,4.组网方面 物联网是网中网，它要借助有线和无线的技术，要实现无缝透明的接入。在这个领
25、域，会有更多的技术问题是需要我们现在或以后要研究的，包括了传感网和移动网络。在网络的管理方面是自干预、自配置，是一个层次性的组网结构。物联网是互联网的延伸，在物联网核心层面是基于TCP/IP，但在接入层面，协议类别五花八门，GPRS/CDMA、短信、传感器、有线等多种通道，物联网需要一个统一的协议栈。,5.IP地址问题 物联网需要更多的IP地址，IPv4资源即将耗尽，现在需要IPv6来支撑.未来的物联网将给所有的物体都设定一个标志，实现“IP到末梢”。对于大量细节、节点信息的感知需要通过更便捷、更可靠、更安全的方式传输汇聚到中心节点或者提供给信息处理单元，IPv6技术“可以给每一粒沙子都设定一
26、个IP地址”为大范围的物联网应用传输提供了可能。IPv6是物联网等重要应用的基石。,6.隐私和安全方面做这一块的难点在什么地方？第一个是资源受限，在这样的情况下怎么进行加密和认证？人和物体是移动的，在断裂的情况下，怎么样做安全和认证？这会带来一系列的问题，而这些问题对于现在的安全技术提出了更高的要求。,7.标准化方面“一流企业定标准，二流企业做品牌，三流企业卖技术，四流企业做产品”是经济发展的普遍规律。标准之争其实是市场之争。谁掌握了标准，就意味着先行拿到市场的入场券，甚至成行业的定义者。,二、难点问题,1.个人隐私与数据安全2.公众信任 如果物联网的设计没有健全的安全机制，会降低公众对此信任
27、。3.标准化 目前 RFID、WSN 等技术领域还没有一套完整的国际标准，各厂家的设备往往不能实现互操作。4.研究发展5.系统开放 这将会促进应用层面的开发和各种系统间的互操作性。6.终端问题 物联网终端除具有本身功能外还拥有传感器和网络接入等功能，且不同行业需求千差万别，如何满足终端产品的多样化需求，对运营商来说是一大挑战。,2.5物联网标准化体系,标准是对技术研发的总结和提升，是国民经济和社会发展的重要技术基础，是国家和地区核心竞争力的基本要素，是产业规模化发展的先决条件。在前几次高科产业浪潮只能够，中国都受制于自主标准缺失而蒙受巨大的经济和技术专利制约等方面的损失。截止2009年3月底，全国实有企业97 177万户。我国企业每年由于使用条码缴纳的年费高达百亿元，加上长尾效应和年费时间效应的乘积，这个几何累计费用成了一个天文数字。2005年中国科学院和中国标准化研究所合作推进国家传感网的标准化工作，这要早于国际标准的启动。目前，中国与德国、美国、英国、韩国等国一起，成为国际标准制定的主要国家之一。,图2-13 物联网标准体框架,当前，物联网标准研制有以下两个主要任务：,1.筹备物联网标准联合工作组，做好相关标准化组织间的协调2.做好物联网顶层设计，完善物联网标准体系建设,图2-14 物联网国际标准化组织,
