物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用課件

Content：

1.物聯(lián)網(wǎng)概述

2.物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

3.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

4.物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

5.發(fā)展趨勢及面臨的問題目錄2023/7/21一、物聯(lián)網(wǎng)的概念1、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的定義早在1995年，比爾·蓋茨在《未來之路》一書中就已經(jīng)提及物聯(lián)網(wǎng)概念。但是，“物聯(lián)網(wǎng)”概念的真正提出是在1999年，由EPCglobal的Auto-ID中心提出，被定義為：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識別和管理。2005年，國際電信聯(lián)盟（ITU）正式稱“物聯(lián)網(wǎng)”為“TheInternetofthings（IOT）”，并發(fā)表了年終報(bào)告《ITU互聯(lián)網(wǎng)

報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》。報(bào)告指出，無所不在的“物聯(lián)網(wǎng)”通信時(shí)代即將來臨，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過因特網(wǎng)主動(dòng)進(jìn)行交換；并描繪出“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代的圖景：當(dāng)司機(jī)出現(xiàn)操作失誤時(shí)汽車會(huì)自動(dòng)報(bào)警；2023/7/21物聯(lián)網(wǎng)(IOT)的概念

公文包會(huì)提醒主人忘帶了什么東西；衣服會(huì)“告訴”洗衣機(jī)對顏色和水溫的要求等等?，F(xiàn)在較為普遍的理解是，物聯(lián)網(wǎng)是將各種信息傳感設(shè)備，如射頻識別（RFID）裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。通過裝置在各類物體上的電子標(biāo)簽（RFID）、傳感器、二維碼等經(jīng)過接口與無線網(wǎng)絡(luò)相連，從而給物體賦予智能，可以實(shí)現(xiàn)人與物體的溝通和對話，也可以實(shí)現(xiàn)物體與物體互相間的溝通和對話。2、廣義的物聯(lián)網(wǎng)含義廣義的物聯(lián)網(wǎng)就是利用條碼、射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)2023/7/21物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的概念議，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物的在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)的連接（anything、anytime、anywhere），從而進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的龐大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如果說互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了人與人之間的交流，那么物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)人與物體的溝通和對話，也可以實(shí)現(xiàn)物體與物體互相間的連接和交互。

圖1-1物聯(lián)網(wǎng)的概念模型2023/7/21

3、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的特征

感知傳輸智能全面感知利用RFID、傳感器、二維碼等能夠隨時(shí)隨地采集物體的動(dòng)態(tài)信息?？煽總鬏斖ㄟ^網(wǎng)絡(luò)將感知的各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送。智能處理利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，及時(shí)對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息控制，真正達(dá)到了人與物的溝通、物與物的溝通。2023/7/214、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）結(jié)構(gòu)示意圖2023/7/215、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）提出的背景經(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(huì)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(jià)值，從而帶動(dòng)新一輪的消費(fèi)增長和高額的產(chǎn)業(yè)投資，以觸動(dòng)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(dòng)下一個(gè)經(jīng)濟(jì)增長的特別重要推手。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。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(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的飛躍發(fā)展，基于海量信息收集和分類處理的能力大大提高。2023/7/21二、物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)1、應(yīng)用層：應(yīng)用層是構(gòu)建在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)之上的應(yīng)用系統(tǒng)，包括商業(yè)貿(mào)易、物流、農(nóng)業(yè)、軍事等等不同的應(yīng)用系統(tǒng)。2、網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層，即進(jìn)行信息交換的通信網(wǎng)絡(luò)，包括有Internet、WIFI網(wǎng)以及無線通信網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)。3、信息采集層：數(shù)據(jù)采集指通過包括條碼、射頻識別、無線傳感器、藍(lán)牙等在內(nèi)的自動(dòng)識別與近場通信技術(shù)獲取物品編碼信息的過程。4、編碼層：編碼層是物聯(lián)網(wǎng)的基石，是物聯(lián)網(wǎng)信息交換內(nèi)容的核心和關(guān)鍵字。

編碼是物品、設(shè)備、地點(diǎn)、屬性等的數(shù)字化名稱。2023/7/21物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)示意圖:2023/7/21物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)成根據(jù)國際電信聯(lián)盟的建議，物聯(lián)網(wǎng)自底向上可以為以下的過程：感知：該層的主要功能是通過各種類型的傳感器對物質(zhì)屬性、環(huán)境狀態(tài)、行為態(tài)勢等靜態(tài)／動(dòng)態(tài)的信息進(jìn)行大規(guī)模、分布式的信息獲取與狀態(tài)辨識，針對具體感知任務(wù)，常采用協(xié)同處理的方式對多種類、多角度、多尺度的信息進(jìn)行在線計(jì)算與控制，并通過接入設(shè)備將獲取的信息與網(wǎng)絡(luò)中的其它單元進(jìn)行資源共享與交互。接入：該層的主要功能是通過現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)(如GSM網(wǎng)、T脅SCDMA網(wǎng))、無線接入網(wǎng)(如WiMAX)、無線局域網(wǎng)(WiFi)、衛(wèi)將來自感知層的信息傳送到互聯(lián)網(wǎng)中。互聯(lián)網(wǎng)：該層的主要功能是以IP、，6／IPv4以及后伊星2023/7/21物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)成網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施，(Post-IP)為核心建立的互聯(lián)網(wǎng)平臺，將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息資源整合成一個(gè)可以互聯(lián)互通的大型智能網(wǎng)絡(luò)，為上層服務(wù)管理和大規(guī)模行業(yè)應(yīng)用建立起一個(gè)高效、可靠、可信的基礎(chǔ)設(shè)施平臺。服務(wù)管理：該層的主要功能是通過具有超級計(jì)算能力的中心計(jì)算機(jī)群，對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的海量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的管理和控制，并為上層應(yīng)用提供一個(gè)良好的用戶接口。應(yīng)用：該層的主要功能是集成系統(tǒng)底層的功能，構(gòu)建起面向各類行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，如生態(tài)環(huán)境與自然災(zāi)害監(jiān)測、智能交通、文物保護(hù)與文化傳播、運(yùn)程醫(yī)療與健康監(jiān)護(hù)等。2023/7/21三、物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)有射頻識別技術(shù)、傳感技術(shù)、納米技術(shù)、智能嵌入技術(shù)、云計(jì)算、IPv6技術(shù)。當(dāng)前各項(xiàng)技術(shù)發(fā)展并不均衡，射頻標(biāo)簽、條碼與二維碼等技術(shù)已經(jīng)非常成熟，傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)尚有很大發(fā)展空間。在此只介紹射頻識別技術(shù)(RFID)和傳感技術(shù)(WSN)。3.1RFID3.1.1RFID的定義RFID（RadioFrequencyIdentification）即射頻識別技術(shù)，俗稱電子標(biāo)簽，通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象，并對其信息進(jìn)行標(biāo)志、登記、儲(chǔ)存和管理。3.1.2RFID系統(tǒng)組成

電子標(biāo)簽：由芯片和標(biāo)簽天線或線圈組成，通過電感耦合2023/7/21

RFID介紹

或電磁反射原理與讀寫器進(jìn)行通信；

讀寫器：讀取(在讀寫卡中還可以寫入)標(biāo)簽信息的設(shè)備；

天線：可以內(nèi)置在讀寫器中，也可以通過同軸電纜與讀寫器天線接口相連。RFID系統(tǒng)組成圖示：2023/7/213.1.3RFID的工作頻率RFID的工作頻率可劃分為：1、LF：低頻30－300KHz，常用125KHz；2、HF：高頻3－30MHz，工作頻率為13.56MHz;3、UHF：特高頻300MHz－3GHz，工作頻率：433MHz，

866－960MHz

2.45GHz；4、SHF：超高頻3－30GHz，工作頻率：5.8GHz、24GHz；RFID工作頻率圖：0f(Hz)30k300k3M30M300M3G30G125k13.56M常用：433M866～960M5.8G2023/7/21圖3-1RFID系統(tǒng)工作原理2023/7/213.1.4RFID的ISOIEC標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際電工委員會(huì)）制定的RFID標(biāo)準(zhǔn)概況技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC10536、ISO/IEC14443、ISO/IEC18000系列標(biāo)準(zhǔn)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC15424、ISO/IEC15418、ISO/IEC15434等性能標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC18046、ISO/IEC18047、ISO/IEC10373-6等應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)：ISO/IEC10374、ISO/IEC18185、ISO/IEC11784等2023/7/21

3.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）傳感器

能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用。3.2.1WSN的特征與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的差別WSN是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目更為龐大（上千甚至上萬），節(jié)點(diǎn)分布更為密集；2023/7/21WSN的特征2.由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點(diǎn)更容易出現(xiàn)故障；3.環(huán)境干擾和節(jié)點(diǎn)故障容易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化；4.通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)是固定不動(dòng)的；5.傳感器節(jié)點(diǎn)具有的能量、處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力等十分有限；6.傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高服務(wù)質(zhì)量和高效率帶寬利用，其次才考慮節(jié)約能源；而WSN的首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是能源的高效使用，這也是WSN和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最重要的區(qū)別之一。傳感器節(jié)點(diǎn)的限制

電源能量有限、通信能力有限、計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限。WSN的特點(diǎn)2023/7/21WSN的體系結(jié)構(gòu)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)、自組織網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)、可靠的網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)、以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)3.2.2WSN體系結(jié)構(gòu)圖3-2平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖3-3邏輯分層結(jié)構(gòu)2023/7/21WSN的體系結(jié)構(gòu)圖3-4傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)圖3-5傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧2023/7/213.2.3傳感器與無線通信傳感網(wǎng)中使用的幾種通信技術(shù)：1、移動(dòng)通信：2G、3G、B3G、LTE；2、無線局域網(wǎng)：WiFi：無線局域網(wǎng)，802.11，校園網(wǎng)；WiMAX：無線城域網(wǎng)，802.16，已成為3G標(biāo)準(zhǔn)3、超寬帶UWB：特征是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。工作頻率3.1G-10.6GMHz，低功耗，如射頻標(biāo)簽RFID（RadioFrequencyIdentification也稱電子標(biāo)簽、無線電頻率識別）。4、ZigBee：低功耗、近距離的無線組網(wǎng)通信技術(shù)；802.15.4（s）;5、NFC（近場通信），雙向RFID，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的近距離通信（20cm，比蘭牙短，但是不需要加密）；6、蘭牙（Bluetooth）、紅外（IiRD）；2023/7/213.2.4WSN通信圖3-6WSN在無線通信框架中的位置2023/7/213.2.5WSN融合圖3-7WSN和其它無線通信技術(shù)的融合2023/7/21

3.3RFID和WSN融合

圖3-8物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下RFID與WSN的融合RFID側(cè)重于識別，能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的標(biāo)識和管理，同時(shí)RFID系統(tǒng)具有讀寫距離有限、抗干擾性差、實(shí)現(xiàn)成本較高的不足；WSN側(cè)重于組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，具有部署簡單，實(shí)現(xiàn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但一般WSN并不具有節(jié)點(diǎn)標(biāo)識功能。RFID與WSN的結(jié)合存在很大的契機(jī)。2023/7/21RFID和WSN的融合

RFID與WSN可以在兩個(gè)不同的層面進(jìn)行融合：物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下RFID與WSN的融合，傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下RFID與WSN的融合。圖3-9傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下RFID與WSN的融合：智能基站2023/7/21RFID和WSN的融合圖3-10傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下RFID與WSN的融合：智能節(jié)點(diǎn)圖3-11傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下RFID與WSN的融合：智能傳感標(biāo)簽2023/7/21四、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用核心關(guān)鍵技術(shù)：

操作系統(tǒng)級應(yīng)用中間件平臺各環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)：

RFID技術(shù)(自動(dòng)識別、防偽、可讀寫數(shù)據(jù))、二維碼技術(shù)（防偽、可讀數(shù)據(jù)）、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感網(wǎng)通訊技術(shù)（ZIGBEE）、嵌入式終端技術(shù)、IPV6、3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、SOA架構(gòu)、語音識別、視頻識別技術(shù)、云計(jì)算、SAAS服務(wù)等。物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域:

智能電網(wǎng)、智能交通、環(huán)保管理、一卡支付、資產(chǎn)管理、食品和藥品安全、精益制造、數(shù)字化倉儲(chǔ)等等。2023/7/21圖4-1物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示意圖2023/7/21物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用1、機(jī)場入侵

上海浦東國際機(jī)場防入侵系統(tǒng)鋪設(shè)了3萬多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，覆蓋了地面、柵欄和低空探測，多種傳感手段組成一個(gè)協(xié)同系統(tǒng)后，可以防止人員的翻越、偷渡、恐怖襲擊等攻擊性入侵。上海移動(dòng)的車務(wù)通在2010年世博會(huì)期間全面運(yùn)用于上海公共交通系統(tǒng)，以最先進(jìn)的技術(shù)保障了世博園區(qū)周邊大流量交通的順暢。2、電力管理

江西省電網(wǎng)對分布在全省范圍內(nèi)的2萬臺配電變壓器安裝傳感裝置，對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)用電檢查、電能質(zhì)量監(jiān)測、負(fù)荷管理、線損管理、需求側(cè)管理等高效一體化管理，一年來降低電損1.2億千瓦時(shí)。2023/7/213、水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)根據(jù)目前歐美各國在研項(xiàng)目的文獻(xiàn)資料，可以大致將水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)可分為以下幾類：1.基于水面浮標(biāo)的(射頻+水聲通信)可任意升降的三維立體水下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2.由固定在海底基站的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，可任意升降的三維立體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過光纜或聲通信與水面網(wǎng)關(guān)、節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)，將數(shù)據(jù)傳輸至基站。3.基于水面浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)(射頻+水聲通信)、水中自主航行器（水聲通信）和水底固定節(jié)點(diǎn)（水聲通信）的三維立體系統(tǒng)。2023/7/21五、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢及面臨的問題1.物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢：電子與建筑行業(yè)是切入點(diǎn)，產(chǎn)業(yè)鏈合力做多應(yīng)用將由分散走向統(tǒng)一

物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)分工也非常明確，有專門做電子標(biāo)簽和射頻識別的企業(yè)，也有專門做各種傳感元器件的企業(yè)等。隨著物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的推動(dòng)，諸多產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)，其生產(chǎn)的產(chǎn)品將越來越多的被凝聚在一起，應(yīng)用將由分散走向統(tǒng)一。電信運(yùn)營商作為產(chǎn)業(yè)鏈中的重要參與者，將為應(yīng)用的推廣和整合起到關(guān)鍵作用。物聯(lián)網(wǎng)的終極目標(biāo)

物聯(lián)網(wǎng)的終極目標(biāo)是形成覆蓋全球物互聯(lián)的理想狀態(tài)，在這個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過程中，物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)局部網(wǎng)應(yīng)用可先各自發(fā)展，最后形成一個(gè)事實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，從小網(wǎng)聯(lián)成中網(wǎng)，再由中網(wǎng)聯(lián)成大網(wǎng)，在此過程中逐漸解決遇到的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)等各種問題。2023/7/21發(fā)展趨勢及面臨的問題有關(guān)權(quán)威咨詢分析機(jī)構(gòu)預(yù)測，未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)歷四個(gè)階段，包括：

階段一：2010年之前RFID被廣泛應(yīng)用于物流、零售和制藥領(lǐng)域；

階段二：2010-2015年物體互聯(lián)；

階段三：2015-2020年物體進(jìn)入半智能化；

階段四：2020年之后物體進(jìn)入全智能化；2.物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的主要問題：成本問題

末端標(biāo)簽成本----需要個(gè)性化設(shè)計(jì)，可以通過示范性應(yīng)用帶動(dòng)研發(fā)，通過應(yīng)用推廣帶動(dòng)量產(chǎn)；

設(shè)備開發(fā)成本----通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)接入中間件平臺，2023/7/21發(fā)展趨勢及面臨的問題實(shí)現(xiàn)