第1章_物聯(lián)網(wǎng)導論

1、Based on the course slides of 物聯(lián)網(wǎng)導論，劉云浩編著，科學出版社計算機學院計算機學院 張立強張立強Tel:程郵箱課程郵箱: 目前，我國已有超過7億移動電話用戶，使用互聯(lián)網(wǎng)的人數(shù)也超過了3.38億互聯(lián)網(wǎng)和無線通信網(wǎng)絡已成為人們獲取信息和人際溝通的不可或缺的基礎設施 2/533/53物理世界與信息系統(tǒng)分開發(fā)展、互相割裂，造成資源、信息浪費物理世界與信息系統(tǒng)分開發(fā)展、互相割裂，造成資源、信息浪費4/53 過去的思路一直是將物理基礎設施和IT基礎設施分開:一方面是機場、公路、建筑物,而另一方面是數(shù)據(jù)中心,個人電腦、寬帶等。 而在“物聯(lián)網(wǎng)”時代,鋼

2、筋混凝土、電纜將與芯片、寬帶整合為統(tǒng)一的基礎設施,在此意義上,基礎設施更像是一塊新的地球工地,世界的運轉就在它上面進行,其中包括經(jīng)濟管理、生產運行、社會管理乃至個人生活。 “物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)”概念的問世概念的問世,打破了之前的傳統(tǒng)思維打破了之前的傳統(tǒng)思維5/53“物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)”時代的場景時代的場景：當司機出現(xiàn)操作失誤時汽車會自動報警；公文包會提醒主人忘帶了什么東西；衣服會“告訴”洗衣機對顏色和水溫的要求等等。本課課程體系課程介紹課程介紹物聯(lián)網(wǎng)的基本概念、體系結構、關鍵技術、應用領域全面了解物聯(lián)網(wǎng)的基本理論知識，初步掌握物聯(lián)網(wǎng)關鍵技術及其應用方法，為運用這些技術和方法構建物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)打下基礎使用教

3、材使用教材物聯(lián)網(wǎng)導論, 劉云浩, 科學出版社, 2010物聯(lián)網(wǎng)工程導論, 吳功宜, 機械工業(yè)出版社, 2012無線傳感器網(wǎng)絡: 原理與實踐, 牛曉光等, 機械工業(yè)出版社, 2012考核方式考核方式平時作業(yè)平時作業(yè)20%+期末小論文期末小論文80%6/537/538/53本章內容1.1 起源與發(fā)展起源與發(fā)展1.2 核心技術1.3 主要特點1.4 應用前景什么是物聯(lián)網(wǎng)？物聯(lián)網(wǎng)的概念是如何產生的？9/531.1 歷史進程2009 “”2008 IBM “智慧地球智慧地球” 2005 國際電信聯(lián)盟國際電信聯(lián)盟 ITU互聯(lián)網(wǎng)報告互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)：物聯(lián)網(wǎng)，指出，指出無所不在的無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)物

4、聯(lián)網(wǎng)”通信時代即將來臨通信時代即將來臨 1995 Bill Gates 未來之路未來之路 物物互聯(lián)物物互聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)的基本思想出現(xiàn)于20世紀90年代10/531.1 歷史進程：主線復雜，來源不單一RFID1999年，美國麻省理工學院（MIT） Auto-ID中心，提出EPC系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)概念普適計算（普適計算（Pervasive Computing）感知與互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)20世紀90年代末，傳感網(wǎng)起步2006年，NSF workshop on CPS (Cyber-Physical Systems)信息-物理融合系統(tǒng)11/53什么是物聯(lián)網(wǎng) (Internet of Things，IOT)的概

5、念是在1999年由麻省理工學院(MIT)的自動識別實驗室提出的。是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息載體，讓所有能被獨立尋址的實現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡。普通對象設備化，自治終端互聯(lián)化和普適服務智能化是其三個重要特征。12/53物聯(lián)網(wǎng)的其他定義13/5314/5315/53“ Smart solutions are instrumented, interconnected and intelligent ”物聯(lián)化物聯(lián)化InstrumentedDeep discovery, analysis and forecastingEvent capture and filtering for timely res

6、ponseAny to any linkage of people, process, and systems互聯(lián)化互聯(lián)化Interconnected智能化智能化Intelligent+=SmartIBM“智慧的地球智慧的地球”正在實現(xiàn)更透徹的感應和度量、更全面的互聯(lián)互通，在此基礎上我們能獲得更智能的洞察。這將使人們以新的方式思維與工作，讓我們的系統(tǒng)更加智能化，提高性能、效率和生產力。16/5317/53本章內容1.1 起源與發(fā)展1.2 核心技術核心技術1.3 主要特點1.4 應用前景根據(jù)信息生成、傳輸、處理和應用將物聯(lián)網(wǎng)分為感知識別層、網(wǎng)絡構建層、管理服務層和綜合應用層。18/531.2 核

7、心技術：網(wǎng)絡架構核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層19/531.2 核心技術：泛在網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層20/531.2 核心技術：各種網(wǎng)絡比較核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層21/531.2 核心技術：體系構成核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層物聯(lián)網(wǎng)是一個非常大的復雜系統(tǒng)應用，它涉及了從器件, 設備, 系統(tǒng), 到網(wǎng)絡, 服務, 商業(yè)模式等等諸多方面，物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)需要解決許多關鍵技術問題22/531.2 核心技術：兩大特征核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層23/531.2 核心技術：三大要素核心技術綜

8、合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層24/531.2 核心技術：發(fā)展技術路徑核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層25/531.2 核心技術：現(xiàn)階段應用形式核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層26/531.2 核心技術：感知識別層核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層 包括二維碼標簽和識讀器、包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀標簽和讀寫器、攝像頭、寫器、攝像頭、GPS、傳感器和、傳感器和M2M終端、終端、傳感器網(wǎng)絡和傳感器網(wǎng)關等傳感器網(wǎng)絡和傳感器網(wǎng)關等 要突破的方向是解決低功耗、小型化和低要突破的方向是解決低功耗、小型化和低成本的問題成本的問題27/53

9、1.2 核心技術：感知識別層核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層28/531.2 核心技術：感知識別層核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層通過感知識別技術，讓物品“開口說話、發(fā)布信息”是融合物理世界和信息世界的重要一環(huán)，是物聯(lián)網(wǎng)區(qū)別于其他網(wǎng)絡的最獨特的部分。物聯(lián)網(wǎng)的“觸手”是位于感知識別層的大量信息生成設備，既包括采用自動生成方式的RFID、傳感器、定位系統(tǒng)等，也包括采用人工生成方式的各種智能設備，例如智能手機、PDA、多媒體播放器、上網(wǎng)本、筆記本電腦等等。 信息生成方式多樣化是物聯(lián)網(wǎng)的重要特征之一。感知識別層位于物聯(lián)網(wǎng)四層模型的最底端，是所有上層結構的基礎。29/53

10、核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層詳見第2章技術舉例：RFID 是誰？ 基本組成：基本組成：工業(yè)界經(jīng)常將RFID系統(tǒng)分為標簽，閱讀器和天線三大組件。工作原理：工作原理：閱讀器通過天線發(fā)送電子信號，標簽接收到信號后發(fā)射內部存儲的標識信息，閱讀器再通過天線接收并識別標簽發(fā)回的信息，最后閱讀器再將識別結果發(fā)送給主機。交叉學科、多領域競爭與合作交叉學科、多領域競爭與合作 機遇與挑戰(zhàn)并存！機遇與挑戰(zhàn)并存！例如，計算機、通信、制造業(yè)、例如，計算機、通信、制造業(yè)、工業(yè)、電子電氣等等工業(yè)、電子電氣等等就業(yè)競爭不只是計算機系的畢就業(yè)競爭不只是計算機系的畢業(yè)生的天下業(yè)生的天下 Are You Rea

11、dy?30/53技術舉例：傳感器網(wǎng)絡處于什么狀態(tài)？ 發(fā)展歷程：發(fā)展歷程：傳感器無線傳感器無線傳感器網(wǎng)絡（大量微型、低成本、低功耗的傳感器節(jié)點組成的多跳無線網(wǎng)絡）應用舉例：應用舉例：VigilNet: 美國弗吉尼亞大學研制的用于軍事監(jiān)測的系統(tǒng)。傳感節(jié)點具有自主成網(wǎng)，多跳傳輸?shù)忍攸c。Mercury:美國哈佛大學研制的可穿戴的醫(yī)療監(jiān)控傳感器。傳感器具有設計人性化，高精度感知，連續(xù)長期采集數(shù)據(jù)等特點。GreenOrbs（綠野千傳）（綠野千傳）：森林監(jiān)測傳感網(wǎng)系統(tǒng)，適用于長期、大規(guī)模、自動化的環(huán)境監(jiān)測任務核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層詳見第3章31/53技術舉例：定位系統(tǒng)處在什么位置？

12、位置信息拓展位置信息拓展：所在地理位置+處在該地理位置的時間+處在該地理位置的對象（人或設備）定位系統(tǒng)與技術：定位系統(tǒng)與技術：GPS，蜂窩基站定位，無線室內環(huán)境定位（紅外線/.超聲波/藍牙），新興定位系統(tǒng)（A-GPS/無線AP/網(wǎng)絡定位）；距離/距離差/無線信號特征物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對定位技術的挑戰(zhàn)：物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對定位技術的挑戰(zhàn)：異構網(wǎng)絡、多變環(huán)境下的精準定位大規(guī)模應用基于位置的服務（Location based Services）位置信息帶來的信息安全和隱私保護問題核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層詳見第4章32/53技術舉例：智能信息設備傳統(tǒng)智能設備：傳統(tǒng)智能設備：個人計算機（PC

13、）/個人數(shù)字助理（PDA）/ 物聯(lián)網(wǎng)時代新智能設備：物聯(lián)網(wǎng)時代新智能設備：數(shù)字標牌（實時信息互動）/智能電視（具有全功能的互聯(lián)網(wǎng)，個性化體驗）/智能手機/ 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能設備發(fā)展新趨勢：物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下智能設備發(fā)展新趨勢：更深入的智能化：縱向（包括傳統(tǒng)的智能設備）+縱向（融入沒有計算能力的簡單物理對象）更透徹的感知：主動感知 (部署傳感器) + 被動感知 (發(fā)出查詢請求)更全面的互聯(lián)互通：互聯(lián)互通 + 信息共享核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層詳見第5章33/531.2 核心技術：網(wǎng)絡構建層核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層詳見第6-9章34/531.2 核心技術：網(wǎng)

14、絡構建層核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層詳見第6-9章網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)最重要的基礎設施之一。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡和現(xiàn)有網(wǎng)絡有何異同？物聯(lián)網(wǎng)是下一代互聯(lián)網(wǎng)嗎？無線網(wǎng)絡在物聯(lián)網(wǎng)中究竟扮演了什么角色？網(wǎng)絡構建層在物聯(lián)網(wǎng)四層模型中連接感知識別層和管理服務層，具有強大的紐帶作用，高效、穩(wěn)定、及時、安全地傳輸上下層的數(shù)據(jù)。35/53各種網(wǎng)絡形式如何應用于物聯(lián)網(wǎng)？互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)：IPv6掃清了可接入網(wǎng)絡的終端設備在數(shù)量上的限制。互聯(lián)網(wǎng)/電信網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)絡、平臺和技術支持。無線寬帶網(wǎng)無線寬帶網(wǎng)：WiFi/WiMAX等無線寬帶技術覆蓋范圍較廣，傳輸速度較快，為物聯(lián)網(wǎng)提供高速可靠廉價且不受接入設備位置限制

15、的互聯(lián)手段。無線低速網(wǎng)無線低速網(wǎng)：ZigBee/藍牙藍牙/紅外紅外等低速網(wǎng)絡協(xié)議能夠適應物聯(lián)網(wǎng)中能力較低的節(jié)點的低速率、低通信半徑、低計算能力和低能量來源等特征。移動通信網(wǎng)移動通信網(wǎng)：移動通信網(wǎng)絡將成為“全面、隨時、隨地”傳輸信息的有效平臺。高速、實時、高覆蓋率、多元化處理多媒體數(shù)據(jù)，為“物品觸網(wǎng)”創(chuàng)造條件。36/531.2 核心技術：管理服務層核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層37/531.2 核心技術：管理服務層核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層管理服務層位于感知識別和網(wǎng)絡構建層之上，綜合應用層之下，是物聯(lián)網(wǎng)智慧的源泉。人們通常把物聯(lián)網(wǎng)應用冠以“智能”的名稱，如

16、智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流等，其中的智慧就來自這一層。當感知識別層生成的大量信息經(jīng)過網(wǎng)絡層傳輸匯聚到管理服務層，如果不能有效地整合與利用，那無異于入寶山而空返，望“數(shù)據(jù)的海洋”而興嘆。管理服務層解決數(shù)據(jù)如何存儲（數(shù)據(jù)庫與海量存儲技術）、如何檢索（搜索引擎）、如何使用（數(shù)據(jù)挖掘與機器學習）、如何不被濫用（數(shù)據(jù)安全與隱私保護）等問題。38/53數(shù)據(jù)庫與物聯(lián)網(wǎng)核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層詳見第10章物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)特點：物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)特點：海量性，多態(tài)性，關聯(lián)性及語義性關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)關系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為一項有著近半個世紀歷史的數(shù)據(jù)處理技術，仍可在物聯(lián)網(wǎng)中大展拳腳，為物聯(lián)網(wǎng)的運行提供支撐。與

17、此同時，結合物聯(lián)網(wǎng)應用提出的新需求，數(shù)據(jù)庫技術也在進行不斷的更新，發(fā)展出新的方向。新興數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)新興數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（NoSQL數(shù)據(jù)庫）針對非關系型、分布式的數(shù)據(jù)存儲，并不要求數(shù)據(jù)庫具有確定的表模式，通過避免連接操作提升數(shù)據(jù)庫性能。39/53海量信息存儲與物聯(lián)網(wǎng)核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層詳見第11章網(wǎng)絡存儲體系結構：網(wǎng)絡存儲體系結構：直接附加存儲（DAS）網(wǎng)絡附加存儲（NAS）存儲區(qū)域網(wǎng)絡（SAN）困難：困難：只能滿足中等規(guī)模商業(yè)需求數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心不僅包括計算機系統(tǒng)和配套設備（如通信/存儲設備），還包括冗余的數(shù)據(jù)通信連接/環(huán)境控制設備/監(jiān)控設備及安全裝置，是一大型的系統(tǒng)工程。

18、通過高度的安全性和可靠性提供及時持續(xù)的數(shù)據(jù)服務，為物聯(lián)網(wǎng)應用提供良好的支持。典型的數(shù)據(jù)中心：典型的數(shù)據(jù)中心：Google/Hadoop40/53搜索引擎與物聯(lián)網(wǎng)核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層詳見第12章Web搜索引擎：搜索引擎：一個能夠在合理響應時間內，根據(jù)用戶的查詢關鍵詞，返回一個包含相關信息的結果列表（hits list）服務的綜合體。傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的Web搜索引擎搜索引擎是基于查詢關鍵詞的，對于相同的關鍵詞，會得到相同的查詢結果。物聯(lián)網(wǎng)時代搜索引擎的新思考物聯(lián)網(wǎng)時代搜索引擎的新思考從智能物體角度思考搜索引擎與物體之間的關系，主動識別物體并提取有用信息。從用戶角度上的多模態(tài)信

19、息利用，使查詢結果更精確，更智能，更定制化。41/53物聯(lián)網(wǎng)的智慧決策核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層詳見第13章需求分析：需求分析：更透徹的感知要求對海量數(shù)據(jù)多維度整合與分析更深入的智能化需要普適性的數(shù)據(jù)搜索和服務數(shù)據(jù)挖掘技術數(shù)據(jù)挖掘技術從大量數(shù)據(jù)中獲取潛在有用的且可被人理解的模式，基本類型有關聯(lián)分析，聚類分析，演化分析等。應用舉例：應用舉例：精準農業(yè)：實時監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)，挖掘影響產量的重要因素，獲得產量最大化配置方式市場營銷：通過數(shù)據(jù)庫行銷和貨籃分析等方式獲取顧客購物取向和興趣42/53信息安全與隱私保護核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層詳見第14章RFID安全

20、安全主要安全和隱私隱患：主要安全和隱私隱患：竊聽、跟蹤、中間人攻擊、欺騙/重放/克隆、物理破解、篡改信息、拒絕服務攻擊、RFID病毒保護手段：保護手段：物理安全機制/密碼學安全機制/PUF位置隱私位置隱私定義：定義：用戶對自己位置信息的掌控能力：用戶能自由決定是否發(fā)布位置信息，將信息發(fā)布給誰，通過何種方式來發(fā)布，以及發(fā)布的信息有多詳細。 保護手段：保護手段：制度制約、隱私方針、身份匿名、數(shù)據(jù)混淆43/531.2 核心技術：綜合應用層“實踐出真知”，無論任何技術，應用是決定成敗的關鍵。物聯(lián)網(wǎng)豐富的內涵催生出更加豐富的外延應用。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)歷了以數(shù)據(jù)為中心到以人為中心的轉化，典型應用包括文件傳輸、

21、電子郵件、萬維網(wǎng)、電子商務、視頻點播、在線游戲和社交網(wǎng)絡等；而物聯(lián)網(wǎng)應用以“物”或者物理世界為中心，涵蓋物品追蹤、環(huán)境感知、智能物流、智能交通、智能電網(wǎng)等等。物聯(lián)網(wǎng)應用目前正處于快速增長期，具有多樣化、規(guī)模化、行業(yè)化等特點。核心技術綜合應用層管理服務層網(wǎng)絡構建層感知識別層詳見第15-19章44/53本章內容1.1 起源與發(fā)展1.2 核心技術1.3 主要特點主要特點1.4 應用前景物聯(lián)網(wǎng)相對于已有的各種通信和服務網(wǎng)絡在技術和應用層面具有哪些特點呢？45/531.3 物聯(lián)網(wǎng)的主要特點感知識別感知識別普適化普適化無所不在的感知和識別將傳統(tǒng)上分離的物理世界和信息世界高度融合。異構設備異構設備互聯(lián)化互聯(lián)

22、化各種異構設備利用無線通信模塊和協(xié)議自組成網(wǎng)，異構網(wǎng)絡通過“網(wǎng)關”互通互聯(lián)。聯(lián)網(wǎng)終端聯(lián)網(wǎng)終端規(guī)模化規(guī)?；锫?lián)網(wǎng)時代每一件物品均具通信功能成為網(wǎng)絡終端，5-10年內聯(lián)網(wǎng)終端規(guī)模有望突破百億。46/531.3 物聯(lián)網(wǎng)的主要特點（續(xù)）管理調控管理調控智能化智能化物聯(lián)網(wǎng)高效可靠組織大規(guī)模數(shù)據(jù)，與此同時，運籌學，機器學習，數(shù)據(jù)挖掘，專家系統(tǒng)等決策手段將廣泛應用于各行各業(yè)。應用服務應用服務鏈條化鏈條化以工業(yè)生產為例，物聯(lián)網(wǎng)技術覆蓋從原材料引進，生產調度，節(jié)能減排，倉儲物流到產品銷售，售后服務等各個環(huán)節(jié)。經(jīng)濟發(fā)展經(jīng)濟發(fā)展跨越化跨越化物聯(lián)網(wǎng)技術有望成為從勞動密集型向知識密集型，從資源浪費型向環(huán)境友好型國民經(jīng)濟發(fā)展過程中的重要動力。47/53本章內容1.1 起源與發(fā)展1.2 核心技術1.3 主要特點1.4 應用