吴功宜-物联网工程导论第1章物联网概论课件

1、1,吴功宜 吴英 编著,物联网工程导论,2,全书的章节结构,3,第1章 物联网概论,4,第1章 知识点 结构,5,1.1 物联网发展的社会背景,1.1.1 物联网概念的提出 1.比尔盖茨与电子别针 1995年出版的未来之路 “物物互联”的设想 “电子别针”与家庭电子服务设施接通 通过“电子别针”去感知来访者的位置，控制室内的照明和温度，控制电话和音响、电视等家电设备,6,2. Auto-ID 实验室、RFID与物联网的概念 1998年，美国麻省理工学院Auto-ID 实验室 产品电子代码（EPC）研究 提出了利用RFID、无线网络与互联网，构建物物互联的物联网的概念与解决方案,7,3. 物联网时代概念的提出,从1997年2005年，ITU从研究互联网/移动互联网对电信业发展影响的角度，发布了七份 “ITU Internet Reports”研究报告 “物联网”概念产生于20世纪90年代，而真正引起各国政府与产业界的重视是在2005年国际电信联盟（ITU）发布的互联网研究报告物联网（Internet of Things，IOT）之后,8,9,1.1.2 物联网与智慧地球,智慧地球将传感器

2、嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并通过超级计算机和云计算组成物联网，实现人与物的融合。 通过在基础设施和制造业中大量嵌入传感器，捕捉运行过程中的各种信息，然后通过无线网络接入到互联网，通过计算机分析、处理和发出指令，反馈给控制器，远程执行指令。 通过智慧地球技术的实施，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产与生活，提高资源利用率和生产能力，改善人与自然的关系。,10,1.1.3 欧盟与各国政府物联网产业发展规划,1. 欧盟发展物联网产业的规划 第一阶段（2010年前）：基于RFID技术实现低功耗、低成本的单个物体间的互联，并在物流、零售、制药等领域开展局部的应用 第二阶段（20102015年）：利用传感网与无处不在的RFID标签实现物与物之间的广泛互联，针对特定的产业制定技术标准，并完成部分网络的融合 第三阶段（20152020年）：具有可执行指令的RFID标签广泛应用，物体进入半智能化，物联网中异构网络互联的标准制定完成，网络具有高速数据传输能力 第四阶段（2020年之后）：物体具有完全的智能响应能力，异构系统能够实现协同工作，人

3、、物、服务与网络达到深度地融合,11,2. 韩国政府关于物联网的发展规划 韩国政府提出了泛在感知网络的概念 通过在各种物品中嵌入传感器，传感器之间自主地传输和采集环境信息，通过网络实现对外部环境的监控 物联网重点发展的四大领域与计划： u-City计划，推动智能城市建设 Telematics示范应用计划，发展车用信息通信服务 u-IT产业集群计划，加速新兴科技服务业的发展 u-Home计划，推动智能家庭应用的发展,12,3. 日本政府关于物联网的发展规划 2009年7月，日本政府IT战略本部制定了新一代的信息化战略i-Japan战略2015 战略规划提出到2015年，让信息技术如同水和空气一样融入每一个角落 针对电子政务、医疗保健、教育与人才等三大核心公共事业领域 提出了智能电网、灾难应急处置、智能家居、智能交通与智能医疗保健等项目,13,1.1.4 物联网与我国战略性新兴产业,2009年8月7日，国务院总理温家宝在无锡视察时发表了重要的讲话，提出“感知中国”的战略构想，指示要抓住机会，大力发展物联网技术与产业。 2010年3月5日，国务院总理温家宝在十一届全国人大三次会议上作政府工作

4、报告中指出：“国际金融危机正在催生新的科技革命和产业革命。发展战略性新兴产业，抢占经济科技制高点，决定国家的未来，必须抓住机遇，明确重点，有所作为。转变经济发展方式刻不容缓，大力培育战略性新兴产业”。,14,2011年3月16日发布的我国国民经济和社会发展“十二五”规划纲要的第十章“培育发展战略性新兴产业”与第十三章“全面提高信息化水平”中多次强调了“推动物联网关键技术研发和在重点领域的应用示范。”大力发展物联网产业已经成为一项我国具有战略意义的重要决策。 工业和信息化部于2011年11月28日发布了物联网“十二五”发展规划。,15,1.2 物联网发展的技术背景,1.2.1 从人类对技术需求 的角度认识物联网 发展的必然性,16,1.2.2 从网络技术演变的角度认识物联网发展的必然性,17,3. 互联网技术发展对物联网形成的影响 TCP/IP协议的研究与设计的成功，促进了互联网的快速发展。在互联网形成过程中，广域网、城域网、局域网与个人区域网技术逐步成熟 互联网的大规模应用带来了大批用户接入的需求，促进了接入技术的发展，推动了宽带城域网技术的发展 基于Web的电子商务、电子政务、远程医

5、疗、远程教育，以及基于对等结构的P2P网络、移动通信技术与移动互联网的应用，使得互联网的应用以超常规的速度发展 无线局域网、无线城域网与无线自组网、无线传感器网络与无线个人区域网的研究与应用为物联网的发展奠定了基础,18,1.2.3 物联网的研究背景,1. 信息世界与物理世界的融合 （1）信息世界的发展 互联网的广泛应用造就了人类历史上最庞大的 信息世界 2005年互联网包含的数据量约为5109GB 2007年约为281109GB 2008年约为487109GB 从2009到2011年数据以每年60%的速度增长,19,（2）物理世界的发展 信息获取方式逐步从人工生成向人工与自动获取并重的 模式发展 RFID标签、传感器将成为自动获取信息的主要手段 截止到2007年初，累计销售RFID标签达到37.52亿个 2009年全球销售RFID标签为19.7亿个 2010年销售RFID标签达到23.1亿个 目前世界上已经有大约50亿个具有通信功能的微处理器和微控制器 Intel公司预测到2015年将增长到150亿个 爱立信公司预测到2020年将增长到500亿个,20,物联网 发展的 技术背景,21

6、,2. 普适计算（Pervasive Computing）的研究,普适计算的重要特征是“无处不在”与“不可见” 普适计算体现出信息空间与物理空间的融合 普适计算的核心是“以人为本” 普适计算的重点在于提供面向用户的、统一的、自适应的网络服务,22,物联网、互联网、传感网与泛在网之间的关系,23,3. CPS（Cyber Physical Systems，CPS）的研究,随着嵌入式计算、无线通信、自动控制与新型传感器技术的快速发展与日趋成熟，信息物理融合系统CPS的研究引起了学术界广泛地重视 CPS是一个综合计算、网络与物理世界的复杂系统，通过计算技术、通信技术与控制技术的有机融合和深度协作 CPS可以用于智能交通、智能电网、智慧城市、健康医疗、环境监控、军事国防、工农业生产之中，实现信息世界与物理世界的紧密融合,24,CPS研究的基本思路,CPS是“人、机、物”深度融合的系统 CPS是“3C”与物理设备深度融合的系统 CPS 是环境感知、嵌入式计算、网络通信深度融合的系统,25,物联网发展的技术背景与社会背景,26,1.3 物联网定义与主要技术特征,1.3.1 物联网的定义 物联网是在

7、互联网、移动通信网等通信网 络的基础上，针对不同应用领域的需求， 利用具有感知、通信与计算能力的智能物 体自动获取物理世界的各种信息，将所有 能够独立寻址的物理对象互联起来，实现 全面感知、可靠传输、智能处理，构建人 与物、物与物互联的智能信息服务系统。,27,理解物联网的定义与技术特征需要注意的3个基本的问题：,物联网是在互联网基础上发展起来的，它与互联网在基础设施上有一定程度的重合，但是它不是互联网概念、技术与应用的简单扩展 互联网扩大了人与人之间信息共享的深度与广度，物联网更加强调它在人类社会生活的各个方面、国民经济的各个领域广泛与深入地应用 物联网的主要特征是：全面感知、可靠传输、智能处理,28,1.3.2 物联网的主要技术特征,1. 物联网智能物体具有感知、通信与计算能力 （1）“智能物体”是对连接到物联网中的人与 物的一种抽象 现实社会物理世界的人或物 物体（thing）/对象（object） 物联网中具有“感知”、“通信”与“计算”能力的人或物 智能物体（Smart Thing） / 智能对象（Smart Object）,29,（2）对智能物体感知、通信与计算能力的理解,

8、智能物体的物理与生物特征可以不一样，但是有一点是共同的：具有感知、通信和计算能力 智能物体能够感知到哪一种或几种参数，这是由所选用的传感器或RFID类型而定 通信能力的不同表现在：它可以是主动发送数据，也可以是被动的由外部读写器来读取数据；它可以使用有线通信方式，也可以用无线通信方式；它可以用微波信道通信，也可以用红外信道通信 计算能力的不同表现在：它可能是只是简单地产生数据，可能是进行计算量比较小的数据汇聚计算，也可能是进行计算量比较大的数据融合、路由选择、拓扑控制、数据加密与解密、身份认证计算与控制,30,（3）对物联网标识符的理解,在互联网中，名字（name）、地址（address）与路径（route）是由区别的 在物联网中，要实现全球范围智能物体之间的互联与通信就必须解决物体标识问题 如果应用系统使用TCP/IP协议，可以为每一个节点分配一个IPv4或Pv6地址 物联网中的RFID标签编码目前影响最大的两个标准电子产品编码（EPC）与泛在识别（UID）标准,31,（4）智能物体与嵌入式技术的关系,智能物体的感知、通信与计算能力的大小应该根据物联网应用系统的需求来确定 智能物体都

9、应该是一种嵌入式电子装置，或者是装备有嵌入式电子装置的人、动物或与物体 嵌入式电子装置可能是功能很简单的RFID芯片，也可能是一个功能复杂的无线传感器节点 嵌入式电子设置可能使用简单的微处理器芯片和小的存储器，也可能使用功能很强的微处理器芯片和大的存储器,32,2. 物联网可以提供所有对象在任何时间、任何地点的互联,33,实现物联网在任何时候、任何地点与任何一个物体通信的要求，需要研究和解决以下几个基本的问题：,如何连接不同的物体？ 如何实现不同物体之间的通信？ 如何建立物联网的通信模型？ 如何保证物联网的服务质量？ 如何实现物联网中物体的命名、编码、识别与寻址？ 如何保护物联网的信息安全与个人隐私？,34,3. 物联网的目标是实现物理世界与信息世界的融合,物联网应用涵盖了小到家庭网络，大到工业控制系统、智能交通系统，甚至是国家级、世界级的应用 将催生很多具有“计算、通信、控制、协同和自治”特点的智能设备与智能信息系统 帮助人类对物理世界具有“全面的感知能力、透彻的认知能力和智慧的处理能力” 这种新的计算模式可以帮助人类在提高劳动生产力、生产效率的同时，进一步改善人类社会发展与地球生态和谐、可持续发展的关系,35,1.4 物联网体系结构*,1.4.1 人对物理世界问题处理的基本方法 物联网工作过程与人的智能处理问题过程比较,36,1.4.2 物联网层次结构模型,37,1.4.3 物联网感知层,理解感知层需要注意以下几个问题： 1. 感知层设备的分类 自动感知设备 人工生成信息设备 2. 感知能力与控制能力 从一块简单的RFID标签芯片、一个温度传感器 或测控装置，到一个复杂的智能机器人，它们之 间最重要的区别表现在：智能物体是不是需要同 时具备感知能力和控制、执行能力上，以及需要 什么样的控制、执行能力。,38,不同结构的物联网应用系统,39,1.4.4 物联网网络层,1.认识接入层、汇聚层与核心交换层 （1）网络层次结构模型与体系结构研究的基本方法 讨论计算机网络层次结构模型有两种基本的方法: 开放系统互联（OSI）参考模型，将计算机网络分成从物理层到应用层的七层结构 将为计算机通信提供数据传输服务的部分都叫做“传输网”或“承载网”,适用于网络应用系统设计与实现的研究 物联网研究的侧

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