物聯(lián)網調研報告

物聯(lián)網 （ Internet of Things） 計算機學院 方濤 2011年 2月 Page 2 本講主要內容 物聯(lián)網概述 國內外物聯(lián)網發(fā)展 物聯(lián)網標準進展 物聯(lián)網技術結構 物聯(lián)網體系結構 物聯(lián)網關鍵技術 物聯(lián)網的應用 Page 3 物聯(lián)網概述 連上互聯(lián)網，我就是世界的中心， 給我一個 IP地址，我能漫游世界！ 接入物聯(lián)網，我就是世界的眼睛， 給我一個 RFID，我能掌握世界！ Page 4 物聯(lián)網的定義 物聯(lián)網 （ Internet of things） 定義：通過射頻識別（ RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。 ITU 定義： From anytime, any place connectivity for anyone, we will now have connectivity for anything. 兩層意思： 第一，物聯(lián)網的核心和基礎仍然是互聯(lián)網， 是在互聯(lián)網基礎上的延伸和擴展的網絡； 第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物體 與物體之間，進行信息交換和通信。 Page 5 物聯(lián)網的發(fā)展之路 1995年 比爾 蓋茨 在 未來之路 書中首次提及物聯(lián)網概念。 中科院早在 1999年，就啟動了 “ 傳感網 ” 的研究，并已建立了一些實用的傳感網。 2005年， 11月 27日，在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（ WSIS）上，國際電信聯(lián)盟（ ITU）發(fā)布了 ITU互聯(lián)網報告 2005：物聯(lián)網的報告，正式提出了物聯(lián)網的概念。 2005年在中國誕生了智慧的鑰匙（ Witkey）和 2007年誕生了 “ 互聯(lián)網虛擬大腦 ” 的概念。 2009年 1月， IBM首席執(zhí)行官彭明盛提出 “ 智慧地球 ” 構想，其中物聯(lián)網為 “ 智慧地球 ” 不可或缺的一部分，而奧巴馬在就職演講后已對 “ 智慧地球 ” 構想提出積極回應，并提升到國家級發(fā)展戰(zhàn)略。 Page 6 中國物聯(lián)網發(fā)展事記 2009年 8月： 國務院總理溫家寶在無錫微納物聯(lián)網工程技術研究中心視察并發(fā)表重要講話，表示中國要抓住機遇，大力發(fā)展物聯(lián)網技術，并提出要在無錫建設“感知中國”中心。 2009年 9月： 我國物聯(lián)網標準體系已形成初步框架，向國際標準化組織提交的多項標準提案被采納。 2009年 9月： 南京郵電大學成立全國高校首家物聯(lián)網研究院、物聯(lián)網學院。 2009年 11月 ：溫家寶總理在人民大會堂向首都科技界發(fā)表了題為讓科技引領中國可持續(xù)發(fā)展的講話，指示要首力突破物聯(lián)網、傳感網關鍵技術，物聯(lián)網產業(yè)隨即被列入國家五大新興產業(yè)之一。 Page 7 中國物聯(lián)網發(fā)展事記 2009年 11月： 中國物聯(lián)網研究發(fā)展中心在無錫成立。 2010年 1月： 無錫物聯(lián)網產業(yè)研究院在江蘇軟件外包園落戶 2010年 1月： 江蘇無錫高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)正式獲批為國家電子信息（物聯(lián)網）示范基地。 Page 8 國外物聯(lián)網發(fā)展戰(zhàn)略 美國：靠技術實力說話 1991年由美國提出普適計算的概念，它具有兩個關鍵特性：一是隨時隨地訪問信息的能力，二是不可見性，通過在物理環(huán)境中提供多個傳感器、嵌入式設備，在用戶不察覺的情況下進行計算和通信。 美國 IBM公司 2008年提出了“智慧地球” 2008年 12月，奧巴馬向 IBM咨詢了智慧地球的有關細節(jié)。2009年 2月 17日奧巴馬簽署生效 2009年美國恢復和再投資法案（即美國的經濟刺激計劃）。 Page 9 國外物聯(lián)網發(fā)展戰(zhàn)略 歐盟：完善的物聯(lián)網戰(zhàn)略規(guī)劃 1999年歐盟在里斯本推出了“ e-Europe”全民信息社會計劃。 2009年 6月 18日，歐盟委員會向歐盟議會、理事會、歐洲經濟和社會委員會及地區(qū)委員會遞交了歐盟物聯(lián)網行動計劃。目的：希望歐洲在構建新型物聯(lián)網管制框架的過程中，在世界范圍內起主導作用。 物聯(lián)網應用方面，歐洲 M2M市場比較成熟，發(fā)展均衡，通過移動定位系統(tǒng)、移動網絡、網關服務、數(shù)據(jù)安全保障技術和短信平臺等技術支持，歐洲主流運營商已經實現(xiàn)了安全監(jiān)測、自動抄表、自動售貨機、公共交通系統(tǒng)、車輛管理、工業(yè)流程自動化、城市信息化等領域的物聯(lián)網應用。 Page 10 國外物聯(lián)網發(fā)展戰(zhàn)略 日本：泛在網戰(zhàn)略和應用結合 1999年日本制定了 E-Japan戰(zhàn)略，大力發(fā)展信息化業(yè)務。 2004年日本政府在 E-Japan戰(zhàn)略基礎上，提出了 U-Japan戰(zhàn)略，成為最早采用“無所不在”一詞描述信息化戰(zhàn)略并構建泛在信息社會的國家。 2009年 7月，日本 IT戰(zhàn)略本部發(fā)表了“ I-Japan戰(zhàn)略 2015”，目標是“實現(xiàn)以國民為主角的數(shù)字安心、活力社會”。 Page 11 國外物聯(lián)網發(fā)展戰(zhàn)略 韓國 2004年，韓國提出為期十年的 U-Korea戰(zhàn)略，目標是“在全球領先的泛在基礎設施上，將韓國建設成全球第一個泛在社會”。 2005年的 U-IT839計劃中，確定了八項需要重點推進的業(yè)務，其中 RFID等物聯(lián)網業(yè)務是實施重點。 2008年韓國又宣布了“新 IT戰(zhàn)略”，重點是傳統(tǒng)產業(yè)與信息技術的融合、用信息技術解決經濟社會問題和信息技術產業(yè)先進化，并提出到 2010年韓國至少占領全球汽車電子市場 10的計劃。 Page 12 物聯(lián)網的發(fā)展規(guī)模 研究機構預計 10年內物聯(lián)網就可能大規(guī)模普及，這一技術將會發(fā)展成為一個上萬億元規(guī)模的高科技市場，其產業(yè)要比互聯(lián)網大 30倍。 EPOSS在 Internet of Things in 2020 報告中分析預測，未來物聯(lián)網的發(fā)展將經歷四個階段： 2010年之前 RFID被廣泛應用于物流、零售和制藥領域； 20102015年 物體互聯(lián)； 20152020年 物體進入半智能化； 2020年之后 物體進入全智能化。 Page 13 物聯(lián)網標準進展 介入物聯(lián)網領域主要的國際標準組織有 IEEE、 ISO、ETSI、 ITU-T、 3GPP、3GPP2等 總體框架方面：國際電信聯(lián)盟（ ITU-T）及歐洲電信標準化協(xié)會（ ETSI） M2M技術委員會。 ITU-T從泛在網角度研究總體架構， ETSI從 M2M的角度研究總體架構。 Page 14 物聯(lián)網標準進展 感知技術（主要是對無線傳感網的研究）： ISO和IEEE。 通信網絡技術： 3GPP和3GPP2。主要從 M2M業(yè)務對移動網絡的需求方面進行研究，只限定在移動網絡層面。 應用技術方面，各標準組織都有一些研究，主要是針對特定應用制訂標準。 Page 15 中國物聯(lián)網標準進展 中國物聯(lián)網標準的制訂工作還處于起步階段，但發(fā)展迅速。 標準組織：傳感器網絡標準工作組（ WGSN）、中國通信標準化協(xié)會（ CCSA）和 RFID標準工作組。 WGSN偏重傳感器網絡層面。 CCSA TC10（泛在網技術工作委員會）偏重通信網絡和應用層面。 RFID標準工作組致力于中國 RFID領域的技術研究和標準制訂 Page 16 物聯(lián)網的技術架構 思考： 物聯(lián)網是否具有自身的技術架構？ 兩種觀點 第一種：物聯(lián)網無技術論 物聯(lián)網僅僅是現(xiàn)有技術的集成，沒有自身的技術架構 第二種：物聯(lián)網泛技術論 物聯(lián)網技術遍布應用信息技術的各行各業(yè)，涉及到信息技術研究和開發(fā)的各個領域 物聯(lián)網是在融合現(xiàn)有計算機、網絡、通信、電子和控制等技術的基礎上，通過進一步的研究、開發(fā)和應用，形成自身的技術架構。 Page 17 物聯(lián)網三維概念模型 物聯(lián)網三維概念模型 1.信息物品技術 2.自主網絡技術 3.智能應用技術 Page 18 物聯(lián)網三維概念模型 信息物品技術 標識、傳感和控制技術，現(xiàn)有的數(shù)字化技術、 物理世界與網絡世界融合的接口技術 歐洲物聯(lián)網：射頻標識（ RFID）技術、近距離通信（ NFC）、無線傳感器和執(zhí)行器網絡（ WSAN） 北美：通常把嵌入式系統(tǒng)作為現(xiàn)實世界與網絡系統(tǒng)關聯(lián)的基本技術。 RFID技術屬于物品標識技術， NFC屬于物品感知類技術，WSAN屬于物品感知和控制類技術。 Page 19 物聯(lián)網三維概念模型 自主網絡技術 自主網絡：自主網絡就是具備自管理能力的網絡系統(tǒng)，自管理能力具體表現(xiàn)為自配置、自愈合、自優(yōu)化、自保護能力。 擴展 ：自主網絡具備自控制能力 自主網絡管理類技術包括：網絡自配置技術、網絡自愈合技術、網絡自優(yōu)化技術、網絡自保護技術。 自主網絡控制類技術包括：基于空間語義的控制技術、基于時間語義的控制技術。 Page 20 物聯(lián)網三維概念模型 智能應用技術 智能應用技術：包括智能數(shù)據(jù)融合和智能決策控制技術。 智能數(shù)據(jù)融合技術 包括基于策略的數(shù)據(jù)融合、基于位置的數(shù)據(jù)融合、基于時間的數(shù)據(jù)融合、基于語義的數(shù)據(jù)融合。 智能決策控制技術 包括基于智能算法的決策、基于策略的決策、基于知識的決策，這些決策技術需要數(shù)據(jù)挖掘技術、知識生成、知識更新、知識檢索等技術的支撐 。 Page 21 物聯(lián)網體系結構 物聯(lián)網體系結構的三個層面 Page 22 三個架構層的含義 感知層 是物聯(lián)網的皮膚和 5官識別物體 ,采集信息。 感知層包括條碼標簽和識讀器、 RFID標簽和讀寫器、攝像頭、 GPS、傳感器、終端、傳感器網絡等 ,主要是識別物體 ,采集信息 ,與人體結構中皮膚和 5官的作用相似。 網絡層 是物聯(lián)網的神經中樞和大腦。 網絡層包括通信與互聯(lián)網的融合網絡、網絡治理中心、信息中心和智能處置中心等。網絡層將感知層獲取的信息停止傳遞和處置 ,相似于人體結構中的神經中樞和大腦。 應用層 是物聯(lián)網的 “社會分工 ”與行業(yè)需求結合 ,完成普遍智能化。 應用層是物聯(lián)網與行業(yè)專業(yè)技術的深度融合 ,與行業(yè)需求結合 ,完成行業(yè)智能化 ,這相似于人的社會分工 ,最終構成人類社會。 Page 23 另一種物聯(lián)網體系架構 由于物聯(lián)網不同于互聯(lián)網和通信網絡，但是他們還是有相似之處。因此我們可以把互聯(lián)網的技術結構和通信網的邏輯結構與物聯(lián)網自身的特征結合起來來形成一種新的物聯(lián)網體系結構。我們相信此架構能更好地解釋物聯(lián)網特點和內涵。我們把物聯(lián)網新的體系結構分為 5層，包括事務層，應用層，處理層，傳輸層和感知層 Page 24 5個層次的含義 感知層 感知的主要任務是要覺察物體的物理性質 (如溫度、位置等 )，通過各種傳感器 (如紅外傳感器、射頻識別、平面條碼 ),轉換這些信息的數(shù)字信號以更加方便網絡的傳輸。在感知層中各種傳感器和設備就像通信管理網絡中的“網絡元素一樣”。在這層的關鍵技術有傳感技術、射頻識別技術 (包括標簽和讀寫器 ),二維條碼、 GPS、等。因此 ,感知層的功能是收集的資料和變換數(shù)字信號。 傳輸層 傳輸層 ,或稱網絡層 ,負責通過各種網絡接收從感知層去往信息處理中心的各種數(shù)據(jù)，包括無線或有線電視網絡 ,甚至企業(yè)內部的局域網（ LAN）。在這層的主要技術包括 FTTx,3G、 Wifi,藍牙 ,Zigbee,UMB、紅外線技術等。所以傳輸層的主要功能是交通工具。在這一層我們能發(fā)現(xiàn)很多協(xié)議，比如能解決數(shù)以萬計的 IPv6協(xié)議。 Page 25 本講主要內容 處理層 處理層主要儲存、分析和處理從傳輸層傳來的一些實體對象信息。抽象出這一新層，因為由于他們攜帶大量的物體和巨大信息，另外還很難儲存和處理這些大數(shù)據(jù)。這一層主要技術包括數(shù)據(jù)庫、智能處理 ,云計算 ,普適計算等。云計算和普適計算是在這層是最主要的技術 ,在未來有可能會出現(xiàn)更適合于物聯(lián)網的新計算技術。因為這個原因 ,在物聯(lián)網未來的發(fā)展中研究和發(fā)展處理層是很重要的。 Page 26 本講主要內容 應用層 應用層的任務是在處理層被處理數(shù)據(jù)的基礎上，發(fā)展多種物聯(lián)網應用，比如智能運輸、物流管理、身份認證，基于位置的服務（ LBS），安全等。這一層的功能為每個行業(yè)提供各種各樣的應用。因為各種應用能促進物聯(lián)網的發(fā)展 ,這層對物聯(lián)網大規(guī)模的發(fā)展起著重要的推動作用。 事務層 事務層就像物聯(lián)網的管理者，包括管理各種應用，相關的商業(yè)模式和其他業(yè)務。事務層不僅管理各種應用程序，而且需要研究商業(yè)模式和盈利模式。一個成功的應用不能僅把重點放在技術，還需要依靠創(chuàng)新和合理的商業(yè)模式。在此基礎上，如果沒有可研究的可發(fā)展的商業(yè)模式，物聯(lián)網就不可能有效和長期的發(fā)展下去。與此同時，這層還應該管理用戶的隱私，因為這在物聯(lián)網中同樣重要。 Page 27 物聯(lián)網關鍵技術 一、感知層 傳感器技術 ：感知物資信息 RFID技術 ：智能識別 微機電系統(tǒng) （ MEMS）：采集信息 GPS/GIS技術：全球定位 /地理信息系統(tǒng) 二、網絡層 無線傳感器網絡 （ WSN）技術 Wi-Fi（ Wireless Fidelity,無線保真技術） 通信網 、 互聯(lián)網 、 3G網絡 、 IPV6（ 讓世界的第一粒都擁有一個 IP地址 ） GPRS網絡 （基于 GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術，提供端到端的、廣域的無線 IP連接 ） 廣電網絡 、 NGB（下一代廣播電視網 ） Page 28 物聯(lián)網關鍵技術 三、應用層 企業(yè)資源計劃 （ ERP： Enterprise Resource Planning） 專家系統(tǒng) （ Expert System) 云計算 （ Cloud Computing） 系統(tǒng)集成 （ System Integrate） 行業(yè)應用 （ Industry Application） 資源打包 （ Resource Package） Page 29 物聯(lián)網應用 智能交通 智能交通是將先進的傳感器技術、通訊技術、數(shù)據(jù)處理技術、網絡技術、自動控制技術、信息發(fā)布技術等有機地運用于整個交通運輸管理體系而建立起的一種實時的、準確的、高效的交通運輸綜合管理和控制系統(tǒng)。智能交通通過改善交通運輸基礎設施，提高交通信息服務水平，來改善交通運作環(huán)境，提高交通服務質量，進而提高人民生活水平。 Page 30 物聯(lián)網應用 智能交通 Page 31 物聯(lián)網應用 智能交通 Page 32 智能交通應用案例 智能停車場 福州鼓樓區(qū)力爭年底基本完成轄區(qū)內的公共停車位智能化管理，駕車出行用手機瀏覽“無線城市”主頁即可查看市區(qū)大部分區(qū)域的實時路況地圖，地圖上會顯示主要道路的，擁堵、緩行、暢通等三個等級。除此之外，鼓樓區(qū)還擬將全區(qū) 49個公共停車場約 5700個停車位接入這個智能交通管理系統(tǒng)，市民可通過登錄網站、發(fā)送手機短信、撥打電話等方式查詢停車位信息。 Page 33 智能交通應用案例 新加坡智能交通系統(tǒng)的應用 整合交通管理系統(tǒng)（ ITMS） 高速路監(jiān)控信息系統(tǒng)（ EMAS） 車速信息系統(tǒng)（ TrafficScan） 數(shù)控出租車調度系統(tǒng) 出行者信息服務系統(tǒng)（ TIS） 車輛優(yōu)先權系統(tǒng) 無線交通計數(shù)器系統(tǒng) 路口監(jiān)測系統(tǒng) 優(yōu)化交通信號系統(tǒng)（ GLIDE） Page 34 物聯(lián)網應用 智能電網 智能電網 （ smart power grids），就是電網的智能化，也被稱為“電網2.0”，它是建立在集成的、高速雙向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及先進的決策支持系統(tǒng)技術的應用，實現(xiàn)電網的可靠、安全、經濟、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標，其主要特征包括自愈、激勵和包括用戶、抵御攻擊、提供滿足21世紀用戶需求的電能質量、容許各種不同發(fā)電形式的接入、啟動電力市場以及資產的優(yōu)化高效運行。 中國的智能電網的基本特征是在技術上要實現(xiàn)信息化、自動化、互動化。 Page 35 智能電網架構 Page 36 物聯(lián)網在智能電網中的應用 Page 37 典型案例 Zigbee技術在電力無線抄表系統(tǒng)中的應用 基于 IEEE802.15.4的 ZigBee技術以其無可比擬的優(yōu)勢在短距離無線個域網技術中得到了蓬勃發(fā)展 低速率，低能耗，傳輸可靠，組網靈活等特點正日益成為樓宇智能化中的熱門技術 。 Page 38 無線抄表系統(tǒng)描述 用戶端由一個電表和一個數(shù)傳模塊組成。經過改裝，當表讀數(shù)增加時， ZigBee模塊計數(shù)相應增加，當達到預先設定的發(fā)送時間后 (該時間可以設定 )，系統(tǒng)即可向數(shù)據(jù)集中節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。 管理中心端，數(shù)據(jù)集中節(jié)點的 ZigBee模塊具有數(shù)據(jù)融合處理的功能，它可以將采集的數(shù)據(jù)自動記錄到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內，并根據(jù)抄表人員的操作指令顯示數(shù)據(jù)。 本系統(tǒng)設備的復雜程度低，且 Zigbee協(xié)議是免專利費的，因而可以有效地降低設備成本，同時 ZigBee的工作頻段靈活，采用的是免執(zhí)照頻段的 2.4 GHz，也就是沒有使用費的無線通信。 Page 39 無線抄表系統(tǒng)整體結構 無線抄表終端通常由無線部分、顯示部分、 CPU部分、按鍵部分等組成。 無線部分主要基于 CC2420芯片組成的 Zigbee無線通信模塊，這一部分是無線抄表系統(tǒng)的核心。 無線模塊內部， CPU 可通過 SPI口與 CC2420通信并控制其狀態(tài)。 顯示部分是基于 LCD的全數(shù)字顯示系統(tǒng)，能夠在現(xiàn)場顯示抄表系統(tǒng)檢測到的流量值。 按鍵部分則可通過對系統(tǒng)的控制來切換不同時間的流量值。 Page 40 物聯(lián)網 智能物流 物流業(yè)是物聯(lián)網早就落地的行業(yè)之一，很多物流系統(tǒng)采用了紅外、激光、無線、編碼、認址、自動識別、傳感、 RFID、衛(wèi)星定位等高新技術，已經具備了信息化、網絡化、集成化、智能化、柔性化、敏捷化、可視化等先進技術特征。新信息技術在物流系統(tǒng)的集成應用就是物聯(lián)網在物流業(yè)應用的體現(xiàn)。概括起來，目前相對成熟的物聯(lián)網應用主要四大領域 Page 41 物聯(lián)網在物流業(yè)中的應用 一是產品的智能可追溯網絡系統(tǒng) 目前，在醫(yī)藥、農產品、食品、煙草等行業(yè)領域，產品追溯體系發(fā)揮著貨物追蹤、識別、查詢、信息采集與管理等方面的巨大作用，已有很多成功應用。 Page 42 物聯(lián)網在物流業(yè)中的應用 二是物流過程的可視化智能管理網絡系統(tǒng)： 這是基于 GPS衛(wèi)星導航定位技術、RFID技術、傳感技術等多種技術，在物流過程中實時實現(xiàn)車輛定位、運輸物品監(jiān)控、在線調度與配送可視化與管理的系統(tǒng)。目前，初級的應用比較普遍。