第1章-物聯(lián)網(wǎng)概論

《物聯(lián)網(wǎng)工程概論》中國礦業(yè)大學(xué)管理學(xué)院電子商務(wù)系王賀朝賀超E-Mail:whccumt@126.com2013年2月19日南湖

物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論

疑問：物聯(lián)網(wǎng)是什么？思考：物聯(lián)網(wǎng)從何來？討論：物聯(lián)網(wǎng)起因？第1章物聯(lián)網(wǎng)概述（4學(xué)時）第2章物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例（8學(xué)時）第3章物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)（10學(xué)時）第4章信息處理與軟件服務(wù)（6學(xué)時）第5章聯(lián)網(wǎng)的知識體系與課程安排（2學(xué)時）第6章物聯(lián)網(wǎng)工程師的合格人才標(biāo)準(zhǔn)（2學(xué)時）教學(xué)計劃說明隨著國家對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的重視，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)人才的培養(yǎng)顯得日益緊迫。物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)作為一個涉及到計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、軟件工程、通信工程、電子工程、網(wǎng)絡(luò)工程等多專業(yè)學(xué)科的交叉專業(yè)，畢業(yè)學(xué)生可能從事傳感器制造、網(wǎng)絡(luò)融合、集成應(yīng)用開發(fā)等多領(lǐng)域的工作，本課程可拓寬學(xué)生知識面，提高學(xué)生素質(zhì)和能力。本課程介紹物聯(lián)網(wǎng)的核心問題、本質(zhì)特色以及最高目標(biāo)，包括物聯(lián)網(wǎng)的概念定義、物聯(lián)網(wǎng)的理論基礎(chǔ)、基本組成結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和主要問題以及發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域；主要技術(shù)有：EPC和RFID技術(shù)、GPS與GIS技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、M2M技術(shù)、云計算技術(shù)、智能處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)。進(jìn)度安排：每周4節(jié)課程，8周完成?？己朔绞綖椋禾峤徽撐幕蛱峤粓蟾?。作業(yè)要求：學(xué)生分組提交大作業(yè)，抽查和批閱。第1章物聯(lián)網(wǎng)概論第1章物聯(lián)網(wǎng)概論1.1物聯(lián)網(wǎng)的定義1.2物聯(lián)網(wǎng)的起源1.3物聯(lián)網(wǎng)的三大推動力1.4國家的《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)》解析1.1物聯(lián)網(wǎng)的定義概念起源麻省理工學(xué)院Ashton教授于1999年最早提出，其理念是基于射頻識別技術(shù)(RFID)、產(chǎn)品電子代碼(EPC)等技術(shù)，在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造一個實現(xiàn)全球物品信息實時共享的實物互聯(lián)網(wǎng)，即物聯(lián)網(wǎng)。1.1物聯(lián)網(wǎng)的定義物聯(lián)網(wǎng)的其他定義1.1物聯(lián)網(wǎng)的定義物聯(lián)網(wǎng)是一種通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按照約定協(xié)議，使物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)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)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。業(yè)界對物聯(lián)網(wǎng)（IOT：InternetofThings）的通用理解：

1、從技術(shù)理解

物聯(lián)網(wǎng)是指物體通過智能感應(yīng)裝置，經(jīng)過傳輸網(wǎng)絡(luò)，到達(dá)指定的信息處理中心，最終實現(xiàn)物與物、人與物之間的自動化信息交互與處理的智能網(wǎng)絡(luò)。

2、從應(yīng)用理解

物聯(lián)網(wǎng)是指把世界上所有的物體都聯(lián)接到一個網(wǎng)絡(luò)中，形成“物聯(lián)網(wǎng)”,然后“物聯(lián)網(wǎng)”又與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合,實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合，達(dá)到更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活。1.1物聯(lián)網(wǎng)的定義主要特征傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

是由使用傳感器的器件組成的在空間上呈分布式的無線自治網(wǎng)絡(luò)，用來感知環(huán)境參數(shù)，如溫度、震動等等。

近程通訊技術(shù)

是新興的短距離連接技術(shù)，從很多無接觸式的認(rèn)證和互聯(lián)技術(shù)演化而來，RFID和藍(lán)牙技術(shù)是其中的重要代表。

物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)階段最主要的表現(xiàn)形式：M2MM2M是機(jī)器到機(jī)器的無線數(shù)據(jù)傳輸，有時也包括人對機(jī)器和機(jī)器對人的數(shù)據(jù)傳輸。有多種技術(shù)支持M2M網(wǎng)絡(luò)中的終端之間的傳輸協(xié)議，目前主要有CDMA、GPRS、IEEE802.11a/b/gWLAN等等。傳感器節(jié)點的一些樣品智慧灰塵(SmartDust)

–縮微集成的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點P19物聯(lián)網(wǎng)的核心是對信息數(shù)據(jù)的采集和處理物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofthings)，把新一代IT技術(shù)充分運用在各行業(yè)中，如能源、交通、建筑、家庭、市政系統(tǒng)等，然后與現(xiàn)有通信網(wǎng)結(jié)合，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的整合。人類可以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系。

1.2物聯(lián)網(wǎng)的起源經(jīng)濟(jì)危機(jī)催生科技信息革命物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的背景：

1、經(jīng)濟(jì)危機(jī)下的推手

經(jīng)濟(jì)長波理論：每一次的經(jīng)濟(jì)低谷必定會催生出某些新的技術(shù)，而這種技術(shù)一定是可以為絕大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)業(yè)提供一種全新的使用價值，從而帶動新一輪的消費增長和高額的產(chǎn)業(yè)投資，以觸動新經(jīng)濟(jì)周期的形成。

過去的10年間，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得巨大成功。目前的經(jīng)濟(jì)危機(jī)讓人們又不得不面臨緊迫的選擇，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為推動下一個經(jīng)濟(jì)增長的特別重要推手。

2、傳感技術(shù)的成熟

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，涉及人類生活、生產(chǎn)、管理等方方面面的各種傳感器已經(jīng)比較成熟。例如常見的無線傳感器（WSN）、RFID、電子標(biāo)簽等。

3、網(wǎng)絡(luò)接入和信息處理能力大幅提高

目前，隨著網(wǎng)絡(luò)接入多樣化、IP寬帶化和計算機(jī)軟件技術(shù)的飛躍發(fā)展，基于海量信息收集合分類處理的能力大大提高。

1.2物聯(lián)網(wǎng)的起源發(fā)展之路1.2物聯(lián)網(wǎng)的起源發(fā)展之路物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)路徑：

1995年比爾.蓋茨在《未來之路》書中首次提出”物－物“相聯(lián)的雛形，1999年EPCglobal聯(lián)合100多家企業(yè)成立IOT聯(lián)盟并正式提出物聯(lián)網(wǎng)概念。10年間，世界各國都在加緊研究。從技術(shù)演進(jìn)視野來看，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展主要分為四個階段：

1、第一階段

大型機(jī)、主機(jī)的聯(lián)網(wǎng)

2、第二階段

臺式機(jī)、筆記本與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)

3、第三階段

一些移動設(shè)備（如手機(jī)、PDA等）的互聯(lián)

4、第四階段

嵌入式互聯(lián)網(wǎng)興起階段，更多與人們?nèi)粘Ｉ罹o密相關(guān)的應(yīng)用設(shè)備，包括洗衣機(jī)、冰箱、電視、微波爐等都將加入互聯(lián)互通的行列，最終形成全球統(tǒng)一的“物聯(lián)網(wǎng)”的互聯(lián)

26yearlog(peoplepercomputer)streaminginformationto/fromphysicalworldNumberCrunchingDataStorageproductivityinteractiveMainframeMinicomputerWorkstationPCLaptopPDA從Internet到IOT

應(yīng)用規(guī)模時間19982006用戶連接Internet服務(wù)連接InternetofServices物體連接InternetofThings瀏覽器上網(wǎng)電子郵件………商務(wù)在線網(wǎng)絡(luò)銀行政務(wù)在線在線點播在線支付……物體定位目標(biāo)跟蹤環(huán)境感知智能家居虛擬現(xiàn)實智能計算……中國物聯(lián)網(wǎng)的研究情況：

1999年，中科院啟動了傳感網(wǎng)研究，組成了2000多人的團(tuán)隊，先后投入數(shù)億元，在以下5個方面取得重大進(jìn)展，目前已擁有從材料、技術(shù)、器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

（1）無線智能傳感器

（2）網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

（3）微型傳感器

（4）傳感器端機(jī)

（5）移動基站

目前，我國的物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)研發(fā)水平與發(fā)達(dá)國家相比毫不遜色，是世界上少數(shù)能實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化的國家之一。

IOT基本理論模型智能卡條形碼二維碼

GPS傳感器技術(shù)網(wǎng)關(guān)設(shè)備近距離通信因特網(wǎng)跟蹤定位高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)廣域應(yīng)用階段智能應(yīng)用階段局域應(yīng)用階段傳感器網(wǎng)絡(luò)RFID二維碼物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用集成云計算解析服務(wù)網(wǎng)絡(luò)管理Web

Service物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用傳輸網(wǎng)中間件通信模塊手機(jī)/電話上網(wǎng)卡等

隨著傳感器、RFID、通信網(wǎng)絡(luò)、云計算等新技術(shù)的成熟和日益普及，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的推廣奠定了基礎(chǔ)國家大力推進(jìn)信息化與工業(yè)化的融合，以信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，政府和企業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求日益顯現(xiàn)緊緊圍繞行業(yè)應(yīng)用需求，通過應(yīng)用驅(qū)動和技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新引領(lǐng)的互動式發(fā)展，有利于帶動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有效深入地發(fā)展以應(yīng)用為核心，積極務(wù)實發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是一個非常大的復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)用，它涉及了從器件、設(shè)備、系統(tǒng)、到網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)、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(guān)鍵技術(shù)問題

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中面臨的五個主要技術(shù)問題：

（1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)問題

世界各國存在不同的標(biāo)準(zhǔn)。中國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會于2006年成立了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)項目組。2009年9月，傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組正式成立了PG1(國際標(biāo)準(zhǔn)化)、PG2(標(biāo)準(zhǔn)體系與系統(tǒng)架構(gòu))、PG3(通信與信息交互)、PG4(協(xié)同信息處理)、PG5(標(biāo)識)、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(電力行業(yè)應(yīng)用調(diào)研)等8個專項組，開展具體的國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

（2）安全問題

信息采集頻繁，其數(shù)據(jù)安全也必須重點考慮。

（3）協(xié)議問題

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，在物聯(lián)網(wǎng)核心層面是基于TCP/IP，但在接入層面，協(xié)議類別五花八門，GPRS/CDMA、短信、傳感器、有線等多種通道，物聯(lián)網(wǎng)需要一個統(tǒng)一的協(xié)議棧。物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中面臨的主要問題（續(xù)）：

（4）IP地址問題

每個物品都需要在物聯(lián)網(wǎng)中被尋址，就需要一個地址。物聯(lián)網(wǎng)需要更多的IP地址，IPv4資源即將耗盡，那就需要IPv6來支撐。IPv4向IPv6過渡是一個漫長的過程，因此物聯(lián)網(wǎng)一旦使用IPv6地址，就必然會存在與IPv4的兼容性問題。

（5）終端問題。

物聯(lián)網(wǎng)終端除具有本身功能外還擁有傳感器和網(wǎng)絡(luò)接入等功能，且不同行業(yè)需求千差萬別，如何滿足終端產(chǎn)品的多樣化需求，對運營商來說是一大挑戰(zhàn)。

1.3物聯(lián)網(wǎng)的三大推動力1.3.1第一大推動力：政府1.3.2第二大推動力：企業(yè)1.3.3第三大推動力：教育界與科技界1.3.1第一大推動力：政府戈爾--數(shù)字地球1.3.1第一大推動力：政府奧巴馬--智慧地球1.3.1第一大推動力：政府“兩會”關(guān)注2010年3月6日上午,全國人大委員長吳邦國參加了十一屆全國人大三次會議和全國政協(xié)十一屆三次湖北代表團(tuán)審議強(qiáng)調(diào)，要找準(zhǔn)國際產(chǎn)業(yè)發(fā)展新方向，揚長避短，把培育物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、低碳技術(shù)、生物技術(shù)、新材料等新興產(chǎn)業(yè)作為國家發(fā)展戰(zhàn)略。2010年3月5日上午，工信部部長李毅中信心十足地指出“（我們國家的）物聯(lián)網(wǎng)有一定的基礎(chǔ)，在國際水平的線上，我們并不落后?！?010年3月8日全國人大代表、浙江省電信有限公司總經(jīng)理張新建表示，中國應(yīng)將物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)上升為國家戰(zhàn)略，并要掌握國際話語權(quán)。2010年3月5日，全國人大代表、中國工程院院士、中星微電子有限公司董事長鄧中翰在接受采訪時說，物聯(lián)網(wǎng)將是未來經(jīng)濟(jì)的新增長點。1.3.2第二大推動力：企業(yè)2008年，IBM提出的“智慧的地球”發(fā)展戰(zhàn)略1.3.2第二大推動力：企業(yè)2010年9月11日，我國的“傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組”成立，該組聚集了中國科學(xué)院、中國移動等國內(nèi)傳感網(wǎng)主要的技術(shù)研究和應(yīng)用單位,將積極開展傳感網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定工作，深度參與國際標(biāo)準(zhǔn)化活動，旨在通過標(biāo)準(zhǔn)化為產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)?！拔锫?lián)網(wǎng)”涵蓋了諸多的產(chǎn)業(yè)力量，電信運營商在其中扮演什么樣的角色呢？說到底，運營商就是提供一個運營平臺，可以在上面開發(fā)各種業(yè)務(wù)。除了上述業(yè)務(wù)外，中國移動的“物聯(lián)網(wǎng)”展臺還展出了物流信息化、企業(yè)一卡通、公交視頻、校訊通、手機(jī)購電等主題，這些業(yè)務(wù)都是物聯(lián)網(wǎng)概念統(tǒng)合下的業(yè)務(wù)分支。中國電信將物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分成兩部分——“平安e家”和“商務(wù)領(lǐng)航”。中國聯(lián)通的3G污水監(jiān)測業(yè)務(wù)更脫離了個人消費的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。1.3.3第三大推動力：教育界與科技界教育部增設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)工信部采取四大措施支持電信運營企業(yè)開展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用追求先進(jìn)科學(xué)、前沿技術(shù)是科學(xué)家的天職1.4國家《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)》解析國務(wù)院頒布了《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，內(nèi)容涉及七個方面：信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)生物產(chǎn)業(yè)高端裝備制造業(yè)新能源產(chǎn)業(yè)節(jié)能環(huán)保新能源汽車新材料產(chǎn)業(yè)節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)為應(yīng)對全球氣候變化和適應(yīng)產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的國際趨勢，結(jié)合我國面臨的資源環(huán)境巨大壓力，我國將以先進(jìn)適用技術(shù)集成應(yīng)用為重點，大力發(fā)展新型高效節(jié)能、先進(jìn)環(huán)保、資源循環(huán)利用技術(shù)和裝備，發(fā)展節(jié)能環(huán)保服務(wù)業(yè)和再制造產(chǎn)業(yè)等環(huán)保產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)。1.4國家《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)》解析新能源產(chǎn)業(yè)綠色新能源技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化是解決能源危機(jī)、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的根本出路。未來我國應(yīng)積極發(fā)展新一代核能；加快太陽能熱利用技術(shù)推廣應(yīng)用，開拓多元化的太陽能光伏光熱發(fā)電市場；提高風(fēng)電技術(shù)裝備水平，有序推進(jìn)風(fēng)電規(guī)?；l(fā)展；因地制宜開發(fā)利用生物質(zhì)能。1.4國家《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)》解析新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)信息技術(shù)正在縱深發(fā)展并深刻改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)和生活方式，新一代信息技術(shù)依然是我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級的最核心技術(shù)1.4國家《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)》解析生物產(chǎn)業(yè)生命科學(xué)和生物技術(shù)將是從根本上影響21世紀(jì)人類發(fā)展的重大領(lǐng)域，將對改變消耗自然資源的傳統(tǒng)發(fā)展模式、構(gòu)建綠色可再生產(chǎn)業(yè)體系、促進(jìn)人類健康產(chǎn)生革命性影響。1.4國家《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)》解析高端裝備制造業(yè)具有技術(shù)密集、附加值高、成長空間大、帶動作用強(qiáng)等突出特點，對于加快我國工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，實現(xiàn)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要意義。1.4國家《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)》解析新材料產(chǎn)業(yè)國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)特別是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是長期以來制約我國制造業(yè)發(fā)展和節(jié)能減排目標(biāo)實現(xiàn)的瓶頸。其發(fā)展要以發(fā)揮我國在納米、超導(dǎo)、稀土等材料科學(xué)技術(shù)研究方面的優(yōu)勢為基礎(chǔ)，以滿足國家重大工程建設(shè)和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級為目標(biāo)，鞏固學(xué)科研究優(yōu)勢，大力發(fā)展新材料制備技術(shù)和裝備，大力推進(jìn)新型材料產(chǎn)業(yè)化，大力推進(jìn)大宗高端材料規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用。1.4國家《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)》解析新能源汽車產(chǎn)業(yè)新能源汽車是全球汽車行業(yè)升級轉(zhuǎn)型的方向。當(dāng)前，我國要充分發(fā)揮社會各方面的積極性，以產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟系列化為途徑，著力突破動力電池、驅(qū)動電機(jī)和電子控制領(lǐng)域關(guān)鍵核心技術(shù)，加速形成知識產(chǎn)權(quán)，推進(jìn)插電式混合動力汽車、純電動汽車推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。1.4國家《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)》解析本章小結(jié)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是隨著互聯(lián)網(wǎng)、傳感器等發(fā)展而發(fā)展的。理念是在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識別技術(shù)、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個實現(xiàn)全球物品信息實時共享的實物互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的顯著特點是技術(shù)高度集成，學(xué)科復(fù)雜交叉，綜合應(yīng)用廣泛，目前發(fā)展應(yīng)用主要體現(xiàn)在智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能家居等領(lǐng)域。本章小結(jié)通過本章的學(xué)習(xí)，能夠掌握物聯(lián)網(wǎng)的核心問題、本質(zhì)特色以及最高目標(biāo)，應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)的概念定義、基本組成結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和主要問題以及發(fā)展