物聯網工程導論 課件 第1章　物聯網概論

第

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章概述1.1物聯網背景1.2物聯網發(fā)展趨勢1.3物聯網體系結構1.4物聯網關鍵技術1.5物聯網典型應用領域1.6本章小結第1章本章內容什么是物聯網？物聯網是一個“萬物”互聯、以互聯網為基礎進行延伸和擴展的網絡，它將各種感知物理世界的設備通過互聯網連接起來，實現不受時間、地點、人、物、方式的互聯互通，實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控、處理、管理和決策功能。1.1物聯網背景物聯網發(fā)展現狀

物聯網技術發(fā)展先后經歷了不同階段，而每個階段都各有其典型特征：以傳感器等感知技術為典型特征的感知階段，以云計算、大數據、智能硬件、人工智能等智能處理技術為典型特征的智能應用階段等。1.1物聯網背景國外發(fā)展狀況歐盟

歐盟委員會于2009年提出《物聯網——歐洲行動計劃》（InternetofThings—AnactionplanforEurope）；2015年3月，歐盟委員會推動成立了“物聯網創(chuàng)新聯盟（AllianceforInternetofThingsInnovation）”；2015年5月，歐盟通過了單一數字市場（DigitalSingleMarket）；2015年10月，歐盟正式開展物聯網重點研究和大規(guī)模試點計劃征求提案。1.1物聯網背景國外發(fā)展狀況美國

2009年1月，IBM與美國智庫共同向美國政府提交關于利用信息通信技術（ICT）投資來實現短期內提高就業(yè)率的報告。

具體看表1-1：

1.1物聯網背景

表1-12009年美國振興經濟法案中與ICT相關的計劃投資領域具體項目能源（約500億美元）以信息技術改善能源效率；電力系統：智能電網；建筑：住宅節(jié)能化、建筑物能源使用管理系統；建設現代化公共基礎設施。寬帶（72億美元）寬帶技術機會計劃（BroadbandTechnologyOpportunitiesProgram）：以農村及寬帶服務欠缺地區(qū)為首要對象，重點支持學校、圖書館、醫(yī)院、大學等組織，創(chuàng)造就業(yè)機會，擴充公共計算機中心的容量；鄉(xiāng)村公共服務計劃（RuralUtilitiesServiceProgram）：提供寬帶基礎建設的貸款，尤其是在需要高速寬帶服務的農村地區(qū)，為當地電信公司、移動運營商寬帶基礎建設提供貸款服務。醫(yī)療（約190億美元）加速健康信息技術的推廣；加強個人隱私權的保障。1.1物聯網背景國外發(fā)展狀況美國

奧巴馬就任總統后鼓勵物聯網技術發(fā)展的政策主要體現在推動能源、寬帶與醫(yī)療三大領域開展物聯網技術的應用；2015年，美國電話電報公司AT&T將車聯網、物聯網業(yè)務當成未來業(yè)務增長點，并于2016年第一季度新增120萬個連接設備；Google提出ProjectIoT（物聯網計劃），于2015年發(fā)布源于Android的物聯網底層操作系統Brillo，其支持ARM、X86、MIPS架構的智能硬件。1.1物聯網背景國外發(fā)展狀況美國

2016年，美國思科公司為了完善物聯網生態(tài)體系，斥資14億美元收購Jasper全部股權；2016年11月，美國發(fā)布《保障物聯網安全的戰(zhàn)略原則》。1.1物聯網背景國外發(fā)展狀況韓國

自1997年起，韓國政府出臺了一系列推動國家信息化建設的產業(yè)政策，如2009年的《物聯網基礎設施構建基本規(guī)劃》；2011年5月，韓國聯合多個部門計劃在2014年之前向物聯網、云計算領域投入6146億韓元（約合36.88億元人民幣）；2014年5月，韓國出臺《物聯網基本規(guī)劃》；2016年，韓國成為全世界物聯網設備普及率最高的國家。1.1物聯網背景國外發(fā)展狀況日本

20世紀90年代以來，日本政府連續(xù)提出u-Japan、i-Japan物聯網發(fā)展戰(zhàn)略；2015年，日本發(fā)布中長期信息技術戰(zhàn)略發(fā)展計劃《i-Japan戰(zhàn)略2015》；2016年，日本通過物聯網技術改進火力發(fā)電廠的設備管理，并確定改造后的設備于2017年投入使用。1.1物聯網背景國內發(fā)展狀況

為了趕超第三輪世界信息產業(yè)浪潮，我國政府高度重視物聯網技術研發(fā)和產業(yè)化工作。國務院于2010年10月發(fā)布了《關于加快培養(yǎng)和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)的決定》，并明確將物聯網列為我國戰(zhàn)略發(fā)展新興產業(yè)之一。2017年，工業(yè)和信息化部發(fā)布《物聯網發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》；2018年6月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《工業(yè)和信息化部辦公廳關于開展2018年物聯網集成創(chuàng)新與融合應用項目征集工作的通知》；2018年年底，中央經濟工作會議明確了5G、人工智能、工業(yè)互聯網、物聯網等“新型基礎設施”建設的定位。1.1物聯網背景國內發(fā)展狀況

2019年，《工業(yè)和信息化部關于開展2019年IPv6網絡就緒專項行動的通知》明確提出，要持續(xù)推進IPv6的部署及應用，為物聯網的快速發(fā)展預留充足的地址空間；2020年4月，工業(yè)和信息化部辦公廳發(fā)布《關于深入推進移動物聯網全面發(fā)展的通知》，提出到2020年年底，縣級以上城市主城區(qū)要全面覆蓋NB-IoT網絡，移動物聯網連接數達到12億，打造一批NB-IoT應用標桿工程和NB-IoT百萬級連接規(guī)模應用場景。1.1物聯網背景國內發(fā)展狀況

2021年9月，工業(yè)和信息化部等八部門聯合發(fā)布《物聯網新型基礎設施建設三年行動計劃（2021—2023年）》，明確提出要提升創(chuàng)新能力，培育產業(yè)生態(tài)，融合發(fā)展應用，優(yōu)化支撐體系；2021年11月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，提出5項重點任務。1.1物聯網背景國內發(fā)展狀況

與此同時，國內高校也正積極迅速地開展物聯網方面的研究。2009年9月，北京郵電大學與作為“感知中國”中心的無錫市就傳感器網絡技術研究和產業(yè)發(fā)展簽署合作協議；2009年12月8日，重慶郵電大學和無錫物聯網產業(yè)研究院簽署合作協議，共同研究物聯網技術；此外，南京航空航天大學、西北工業(yè)大學等也加快了物聯網技術研究。截止到目前，全國獲批物聯網工程本科專業(yè)的院校已有560多所。1.1物聯網背景國內發(fā)展狀況

此外，國際電信聯盟（ITU）于2020年7月9日做出決議，正式批準NB-IoT為5G標準，物聯網加速器再添動力。截止到2020年2月底，國內三大運營商的NB-IoT連接數突破1億。2020年4月，阿里云宣布未來三年再投2000億美元，用于云操作系統、服務器、芯片、網絡等重大核心技術研發(fā)攻堅和面向未來的數據中心建設。2020年12月16日上午，華為正式發(fā)布了HarmonyOS2.0手機開發(fā)者Beta版本。1.1物聯網背景國內發(fā)展狀況

現如今物聯網技術已經與社會發(fā)展緊密關聯，并且在各個領域得到了廣泛應用，如智能家居、智慧城市、智慧醫(yī)療、智慧交通、智能電網等，我國社會正在逐步實現“萬物互聯”。1.1物聯網背景物聯網產業(yè)規(guī)模

互聯網數據中心（InternetDataCenter，IDC）發(fā)布的《2021年V2全球物聯網支出指南》預測，全球物聯網支出在2025年達到12000億美元；其中，我國市場規(guī)模將在2025年超過3000億美元，全球占比約26.1%。1.2物聯網發(fā)展趨勢物聯網與人工智能

在物聯網、云計算、大數據、新產業(yè)等快速發(fā)展的形勢下，人工智能與各個學科領域的深度融合是大勢所趨，人工智能已成為未來戰(zhàn)略技術之一。而人工智能技術與物聯網技術的結合（簡稱AIoT）提升了二者的戰(zhàn)略地位。大量物聯網節(jié)點的管控，以及大量信息數據的采集和傳輸，尤其是物聯網應用層的大數據計算及智能決策，都需要采用人工智能技術進行數據融合、智能處理，這也造就了物聯網的個體智能向群體智能方向演進。

1.2物聯網發(fā)展趨勢“工業(yè)4.0”

“工業(yè)4.0”（Industry4.0）概念最早由德國提出，并在2013年4月的漢諾威工業(yè)博覽會上通過發(fā)布《實施“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略建議書》正式推出。工業(yè)4.0”被理解為以智能制造為特征的“第四次工業(yè)革命”，即通過深入融合信息通信技術和網絡空間虛擬技術系統——信息物理系統（Cyber-PhysicalSystem，CPS）實現制造業(yè)的“智能制造”，其本質是打通制造業(yè)數據流通與共享壁壘，優(yōu)化企業(yè)生產規(guī)模和效益，構建出可定制化、異構化的制造業(yè)模式，進而促進產業(yè)結構改革。

1.2物聯網發(fā)展趨勢“工業(yè)4.0”項目主要包括以下三部分。

（1）智慧工廠，重點研究企業(yè)生產過程及生產系統的網絡化、分布式和智能化。（2）智慧生產，重點研究企業(yè)生產過程的物資管理、人機交互、數字孿生技術，整合各類大、中、小企業(yè)，研發(fā)新一代智能化生產技術并確定技術的引導者和受益者。（3）智慧物流，重點研究如何利用互聯網、物聯網、各物流系統進行物流資源智慧化管理，最大化提高物流工作效率，為制造業(yè)提供最佳匹配服務。

1.2物聯網發(fā)展趨勢工業(yè)互聯網

制造業(yè)是經濟發(fā)展的重要支撐，而“第四次工業(yè)革命”涉及世界經濟、國家創(chuàng)新體系、產業(yè)結構調整與競爭、企業(yè)生存與發(fā)展，更是工業(yè)制造業(yè)在云計算、物聯網、大數據、人工智能等信息技術突飛猛進過程中的必然走向。其中，工業(yè)互聯網是“第四次工業(yè)革命”的關鍵支撐和創(chuàng)新戰(zhàn)略。

1.2物聯網發(fā)展趨勢工業(yè)互聯網

工業(yè)互聯網將新一代信息技術與制造業(yè)深度融合，通過建立產品、生產線、供應商、客戶和銷售商之間的互聯互通，實行網絡化、數字化和智能化的跨行業(yè)、跨產業(yè)鏈的集成系統，最終提升生產效率、降低生產成本。

1.2物聯網發(fā)展趨勢工業(yè)互聯網

我國工業(yè)互聯網較“工業(yè)4.0”內涵更加豐富，覆蓋領域更多。工業(yè)互聯網產業(yè)呈現中高速增長，有力支撐經濟發(fā)展。

1.2物聯網發(fā)展趨勢物聯網安全威脅物聯網感知層的安全問題

物聯網要實現“萬物互聯”，就需要大量傳感器實時采集數據。而在采集過程中，各傳感器要面臨潛在的自身物理安全（可能丟失、破壞、假冒等）、協議安全、能量供應安全（如電池電量耗盡、惡意斷電）等問題，而惡劣的物理環(huán)境可能導致上述問題更加嚴重。

1.2物聯網發(fā)展趨勢物聯網安全威脅物聯網網絡層的安全問題

物聯網應用層與具體業(yè)務相關性較大，數據中心和計算中心的安全性往往更高。

物聯網應用層主要面臨的安全問題有數據安全、用戶隱私安全、安全溯源、數字取證、滲透攻擊、數據庫安全等。

1.2物聯網發(fā)展趨勢體系結構概述

目前，多個國際標準化組織及技術聯盟提出了各自的物聯網參考體系，如ISO/IECJTC1/WG10、ITUSG20、IEEEP2413、IIC、IoT-A、OneM2M等。各個體系結構從不同角度進行描述，如機器對機器通信（MachinetoMachine，M2M）角度、泛在網角度、互聯網角度、傳感網角度、移動網角度等。因此，對物聯網體系結構的描述形式始終無法統一。1.3物聯網體系結構我國物聯網體系概述物聯網概念模型物聯網系統參考體系結構面向Web開放服務的物聯網系統參考架構典型物聯網體系結構

1.3物聯網體系結構物聯網概念模型GB/T33474—2016標準采用遞進和分開的思路進行模型設計，根據不同類別的物聯網應用系統抽象出物聯網概念模型，如圖1-2所示。1.3物聯網體系結構圖1-2物聯網概念模型1.3物聯網體系結構

該物聯網概念模型中包含了6個域，各域的描述如下。用戶域

用戶域是物聯網用戶和用戶系統的實體集合，用戶通過系統及其他域的實體來感知物理世界對象的信息，并進行操控。目標對象域

目標對象域是用戶期望感知相關信息或執(zhí)行相關操控的對象實體集合。它包括用戶期望感知信息的對象和用戶期望執(zhí)行操控的對象。1.3物聯網體系結構感知控制域

感知控制域是用于感知對象信息與操控被控制對象的軟/硬件系統實體集合。服務提供域

服務提供域是實現物聯網的基礎服務與業(yè)務服務方面的軟/硬件系統實體集合。1.3物聯網體系結構運維管控域

運維管控域是實現物聯網的運行、維護、法律要求的監(jiān)管功能的軟/硬件系統實體集合資源交換域

資源交換域是實現物聯網系統內外之間信息共享與交換，以及信息和服務集中交易的軟/硬件系統實體集合。1.3物聯網體系結構物聯網系統參考體系結構

參考體系結構以物聯網概念模型為基礎，按從上到下的思想從系統頂層架構開始設計，如圖1-3所示。1.3物聯網體系結構圖1-3物聯網系統參考體系結構1.3物聯網體系結構

該模型有利于分解系統功能，保證不同物聯網應用系統之間的兼容性、互操作性和資源共享性。各個域包含的實體的描述如下。用戶系統

用戶系統是支撐物聯網用戶接入物聯網系統、使用物聯網服務的接口系統。從物聯網用戶角度總體來劃分，用戶系統可包括政府用戶系統、企業(yè)用戶系統、公眾用戶系統等。1.3物聯網體系結構物聯網網關

物聯網網關是支撐感知控制系統與其他系統互聯、實現感知控制域本地管理的實體。感知控制系統

感知控制系統通過對關聯對象進行信息感知和執(zhí)行控制操作，能夠進行本地協同信息處理和融合?；A服務系統

基礎服務系統提供物聯網的基礎支撐服務系統，保障正常提供各類業(yè)務服務。1.3物聯網體系結構業(yè)務服務系統

業(yè)務服務系統是為特定用戶提供物聯網業(yè)務服務的系統。它提供對象信息統計查詢、分析對比、告警、預警、操作控制、協調聯動等功能。運維管控系統

運維管控系統能夠管理和保障物聯網中設備和系統安全可靠運行并符合相關法律法規(guī)，可分為運行維護系統和法規(guī)監(jiān)管系統。1.3物聯網體系結構資源交換系統

資源交換系統能夠完成物聯網系統內外之間信息資源共享與交換、系統信息和服務集中交易，根據功能可分為信息資源交換系統和市場資源交換系統。1.3物聯網體系結構面向Web開放服務的物聯網系統參考架構

我國于2022年5月1日開始實施國家標準GB/T40778.1—2021，以實現各物聯網系統之間數據的流通，達到“物物互聯”的目的。該國家標準適用于面向Web開放服務的物聯網系統頂層設計，如圖1-4所示。1.3物聯網體系結構圖1-4面向Web開放服務的物聯網系統頂層設計1.3物聯網體系結構

其中，各部分描述如下：

（1）RFD（Reduced-FunctionDevice，受限功能設備）因自身功能受到限制而本身不安裝各類組件，需要借助邊緣網關與Web服務器實現數據傳輸功能。

（2）FFD（Full-FunctionDevice，全功能設備）不受自身功能限制，可以通過本身安裝的Web功能組件與邊緣網關及Web服務器實現數據傳輸功能。

（3）邊緣網關是部署在網絡邊緣的網關設備，可與RFD、FFD及Web服務器實現數據傳輸功能。1.3物聯網體系結構

（4）Web客戶端主要指Web瀏覽器（Browser）。其主要功能是將用戶向服務器請求的Web資源呈現出來，顯示在瀏覽器窗口中。

（5）Web服務端是使用HTTP（超文本傳輸協議）和其他協議來響應通過萬維網發(fā)出的Web客戶端請求的軟件和硬件。

物聯網Web功能組件如圖1-5所示。1.3物聯網體系結構圖1-5物聯網Web功能組件1.3物聯網體系結構典型物聯網體系結構

從物聯網的提出到目前發(fā)展來看，比較常見的物聯網體系結構分為感知層、網絡層和應用層，如圖1-6所示。1.3物聯網體系結構圖1-6典型物聯網體系結構1.3物聯網體系結構感知層

物聯網的目標之一是實現“物與物”和“人與物”之間的通信，感知層技術作為實現物聯網感知能力的核心和物聯網關鍵技術之一，其關鍵在于對物品的更精確、更全面的感知能力，其作用類似于人的眼、耳、鼻、喉和皮膚等感官或神經末梢，能夠完成對物理世界實體的信息采集、捕獲和識別。1.3物聯網體系結構網絡層

物聯網的網絡層是物聯網信息的基礎承載網絡，它建立在現有的移動通信網和互聯網基礎上，主要完成信息的傳送，實現人與人、人與物、物與物之間的通信，主要包括接入網絡和核心網絡二層結構。1.3物聯網體系結構應用層

物聯網的應用層是物聯網和用戶（包括人、組織和其他系統）之間的接口，是實現物聯網技術與行業(yè)需求密切結合并智能應用的功能層。

應用層能夠實現信息存儲、數據挖掘和智能決策等功能。

后期業(yè)界研究人員在三層結構的基礎上進行了細化和擴展，提出了細化后的物聯網體系結構，如圖1-7所示。1.3物聯網體系結構物聯網技術特征全面感知

物聯網系統中的首要環(huán)節(jié)是對物理世界的信息進行時效性采集，要求傳感器（或RFID）等采集設備能夠被嵌入需要采集信息的地點、物體及系統中，利用采集技術和方法實時高效采集目標信息，并對其進行整合處理?？煽總魉涂煽總魉褪侵笇Σ杉降臄祿M行安全加密，并采用各類有效的協議進行安全傳輸，以保證數據的高可靠性、安全性及準確性。1.4物聯網關鍵技術智能處理

智能處理是指利用計算機技術、大數據處理技術、人工智能技術對接收到的物聯網大數據進行加工、處理，為最終智能決策和控制服務。1.4物聯網關鍵技術物聯網涉及的主要技術分為感知層技術、應用層技術、網絡層技術和公共技術。該框架代表著物聯網信息技術的集合，如圖1-8所示。1.4物聯網關鍵技術圖1-8物聯網技術框架1.4物聯網關鍵技術感知層關鍵技術感知層技術是物聯網系統應用的基礎，主要完成對物理世界對象信息的感知與識別，具體涉及信息采集、處理、傳送或控制功能，分為采集控制技術和感知數據處理技術。1.4物聯網關鍵技術網絡層關鍵技術由感知層技術采集的數據被網絡層傳輸給應用層，或應用層數據經過網絡層再向感知層傳輸，需要利用物聯網通信技術完成傳輸操作。網絡層關鍵技術有光通信網絡技術、移動通信網技術（如3G、4G、5G）、互聯網技術、局域網技術、Wi-Fi技術及自組織網技術等。1.4物聯網關鍵技術應用層關鍵技術應用層技術實現數據的接收、存儲、計算、決策、授權等，并對客戶提供不同應用型服務。應用層技術分為終端設計技術、應用設計技術和應用支撐技術。應用層技術涉及學科多、交叉性強，能夠為物聯網系統的具體應用提供支撐服務，實現跨行業(yè)、跨應用、跨系統的信息協同、共享、互通。1.4物聯網關鍵技術公共技術公共技術是管理和保障物聯網整體性能的技術，它涉及各層，主要有標識技術、安全技術、QoS技術和網絡管理技術。從本質上講，公共技術部分不屬于單獨的層次，因為它所涉及的技術在感知層、網絡層和應用層3個層次中都有體現。具體而言，公共技術的安全在感知層體現為邊緣計算安全，在網絡層體現為網絡安全，在應用層體現為數據安全、系統安全，而且有些內容貫穿多個層次，所以公共技術部分屬于3個層次共有。1.4物聯網關鍵技術物聯網典型應用領域智能電網工業(yè)互聯網智慧農業(yè)智慧醫(yī)療智慧交通智慧物流智慧城市智能家居智慧校園

1.5物聯網典型應用領域智能電網智能電網（見圖1-9）是指在現有電網和集成、高速雙向通信的基礎上，通過先進的傳感與測量技術、設備技術、控制技術和決策支持技術進行改造升級，來實現電網的可靠、安全、經濟、高效的管理與運營。1.5物聯網典型應用領域圖1-9智能電網1.5物聯網典型應用領域工業(yè)互聯網工業(yè)互聯網（見圖1-10）的主要應用集中在制造業(yè)供應鏈管理、生產過程工藝優(yōu)化、產品設備監(jiān)控管理、環(huán)保監(jiān)測及能源管理、工業(yè)安全生產管理上。1.5物聯網典型應用領域圖1-10工業(yè)互聯網1.5物聯網典型應用領域智慧農業(yè)智慧農業(yè)（見圖1-11）是物聯網的一個典型應用，它通過實時采集大棚（或溫室）內的溫度、濕度、光照度、土壤溫濕度、CO2濃度、葉面濕度、露點溫度等參數，根據智能管理系統盡最大努力來自動管理農業(yè)物聯網系統的運行。1.5物聯網典型應用領域圖1-11智