物聯(lián)網關鍵技術及應用課件

Content：

1.物聯(lián)網概述

2.物聯(lián)網架構

3.物聯(lián)網關鍵技術

4.物聯(lián)網的應用

5.發(fā)展趨勢及面臨的問題目錄2023/7/21一、物聯(lián)網的概念1、物聯(lián)網（IOT）的定義早在1995年，比爾·蓋茨在《未來之路》一書中就已經提及物聯(lián)網概念。但是，“物聯(lián)網”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備與互聯(lián)網連接起來，實現(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”為“TheInternetofthings（IOT）”，并發(fā)表了年終報告《ITU互聯(lián)網

報告2005：物聯(lián)網》。報告指出，無所不在的“物聯(lián)網”通信時代即將來臨，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主動進行交換；并描繪出“物聯(lián)網”時代的圖景：當司機出現(xiàn)操作失誤時汽車會自動報警；2023/7/21物聯(lián)網(IOT)的概念

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?，F(xiàn)在較為普遍的理解是，物聯(lián)網是將各種信息傳感設備，如射頻識別（RFID）裝置、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等種種裝置與互聯(lián)網結合起來而形成的一個巨大網絡。通過裝置在各類物體上的電子標簽（RFID）、傳感器、二維碼等經過接口與無線網絡相連，從而給物體賦予智能，可以實現(xiàn)人與物體的溝通和對話，也可以實現(xiàn)物體與物體互相間的溝通和對話。2、廣義的物聯(lián)網含義廣義的物聯(lián)網就是利用條碼、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備，按約定的協(xié)2023/7/21物聯(lián)網（IOT）的概念議，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物的在任何時間、任何地點的連接（anything、anytime、anywhere），從而進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的龐大網絡系統(tǒng)。如果說互聯(lián)網實現(xiàn)了人與人之間的交流，那么物聯(lián)網可以實現(xiàn)人與物體的溝通和對話，也可以實現(xiàn)物體與物體互相間的連接和交互。

圖1-1物聯(lián)網的概念模型2023/7/21

3、物聯(lián)網（IOT）的特征

感知傳輸智能全面感知利用RFID、傳感器、二維碼等能夠隨時隨地采集物體的動態(tài)信息?？煽總鬏斖ㄟ^網絡將感知的各種信息進行實時傳送。智能處理利用計算機技術，及時對海量的數(shù)據進行信息控制，真正達到了人與物的溝通、物與物的溝通。2023/7/214、物聯(lián)網（IOT）結構示意圖2023/7/215、物聯(lián)網（IOT）提出的背景經濟危機下的推手:經濟長波理論：每一次的經濟低谷必定會催生出某些新的技術，而這種技術一定是可以為絕大多數(shù)工業(yè)產業(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業(yè)投資，以觸動新經濟周期的形成。

過去的10年間，互聯(lián)網技術取得巨大成功。目前的經濟危機讓人們又不得不面臨緊迫的選擇，物聯(lián)網技術成為推動下一個經濟增長的特別重要推手。傳感技術的成熟:隨著微電子技術的發(fā)展，涉及人類生活、生產、管理等方方面面的各種傳感器已經比較成熟。例如常見的無線傳感器（WSN）、RFID、電子標簽等。網絡接入和信息處理能力大幅提高:目前，隨著網絡接入多樣化、IP寬帶化和計算機軟件技術的飛躍發(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)網的體系架構1、應用層：應用層是構建在物聯(lián)網技術架構之上的應用系統(tǒng)，包括商業(yè)貿易、物流、農業(yè)、軍事等等不同的應用系統(tǒng)。2、網絡層：網絡層，即進行信息交換的通信網絡，包括有Internet、WIFI網以及無線通信網絡等網絡。3、信息采集層：數(shù)據采集指通過包括條碼、射頻識別、無線傳感器、藍牙等在內的自動識別與近場通信技術獲取物品編碼信息的過程。4、編碼層：編碼層是物聯(lián)網的基石，是物聯(lián)網信息交換內容的核心和關鍵字。

編碼是物品、設備、地點、屬性等的數(shù)字化名稱。2023/7/21物聯(lián)網架構示意圖:2023/7/21物聯(lián)網體系構成根據國際電信聯(lián)盟的建議，物聯(lián)網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屬性、環(huán)境狀態(tài)、行為態(tài)勢等靜態(tài)／動態(tài)的信息進行大規(guī)模、分布式的信息獲取與狀態(tài)辨識，針對具體感知任務，常采用協(xié)同處理的方式對多種類、多角度、多尺度的信息進行在線計算與控制，并通過接入設備將獲取的信息與網絡中的其它單元進行資源共享與交互。接入：該層的主要功能是通過現(xiàn)有的移動通信網(如GSM網、T脅SCDMA網)、無線接入網(如WiMAX)、無線局域網(WiFi)、衛(wèi)將來自感知層的信息傳送到互聯(lián)網中。互聯(lián)網：該層的主要功能是以IP、，6／IPv4以及后伊星2023/7/21物聯(lián)網體系構成網等基礎設施，(Post-IP)為核心建立的互聯(lián)網平臺，將網絡內的信息資源整合成一個可以互聯(lián)互通的大型智能網絡，為上層服務管理和大規(guī)模行業(yè)應用建立起一個高效、可靠、可信的基礎設施平臺。服務管理：該層的主要功能是通過具有超級計算能力的中心計算機群，對網絡內的海量信息進行實時的管理和控制，并為上層應用提供一個良好的用戶接口。應用：該層的主要功能是集成系統(tǒng)底層的功能，構建起面向各類行業(yè)的實際應用，如生態(tài)環(huán)境與自然災害監(jiān)測、智能交通、文物保護與文化傳播、運程醫(yī)療與健康監(jiān)護等。2023/7/21三、物聯(lián)網關鍵技術

物聯(lián)網的關鍵技術有射頻識別技術、傳感技術、納米技術、智能嵌入技術、云計算、IPv6技術。當前各項技術發(fā)展并不均衡，射頻標簽、條碼與二維碼等技術已經非常成熟，傳感器網絡相關技術尚有很大發(fā)展空間。在此只介紹射頻識別技術(RFID)和傳感技術(WSN)。3.1RFID3.1.1RFID的定義RFID（RadioFrequencyIdentification）即射頻識別技術，俗稱電子標簽，通過射頻信號自動識別目標對象，并對其信息進行標志、登記、儲存和管理。3.1.2RFID系統(tǒng)組成

電子標簽：由芯片和標簽天線或線圈組成，通過電感耦合2023/7/21

RFID介紹

或電磁反射原理與讀寫器進行通信；

讀寫器：讀取(在讀寫卡中還可以寫入)標簽信息的設備；

天線：可以內置在讀寫器中，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標準ISO/IEC（國際標準化組織和國際電工委員會）制定的RFID標準概況技術標準：ISO/IEC10536、ISO/IEC14443、ISO/IEC18000系列標準等數(shù)據結構標準：ISO/IEC15424、ISO/IEC15418、ISO/IEC15434等性能標準：ISO/IEC18046、ISO/IEC18047、ISO/IEC10373-6等應用標準：ISO/IEC10374、ISO/IEC18185、ISO/IEC11784等2023/7/21

3.2無線傳感器網絡（WSN）傳感器

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

無線傳感器網絡（WSN）是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，它能夠實現(xiàn)數(shù)據的采集量化、處理融合和傳輸應用。3.2.1WSN的特征與現(xiàn)有無線網絡的差別WSN是集成了監(jiān)測、控制以及無線通信的網絡系統(tǒng)，節(jié)點數(shù)目更為龐大（上千甚至上萬），節(jié)點分布更為密集；2023/7/21WSN的特征2.由于環(huán)境影響和能量耗盡，節(jié)點更容易出現(xiàn)故障；3.環(huán)境干擾和節(jié)點故障容易造成網絡拓撲結構的變化；4.通常情況下，大多數(shù)傳感器節(jié)點是固定不動的；5.傳感器節(jié)點具有的能量、處理能力、存儲能力和通信能力等十分有限；6.傳統(tǒng)無線網絡的首要設計目標是提高服務質量和高效率帶寬利用，其次才考慮節(jié)約能源；而WSN的首要設計目標是能源的高效使用，這也是WSN和傳統(tǒng)網絡最重要的區(qū)別之一。傳感器節(jié)點的限制

電源能量有限、通信能力有限、計算和存儲能力有限。WSN的特點2023/7/21WSN的體系結構大規(guī)模網絡、自組織網絡、動態(tài)性網絡、可靠的網絡、應用相關的網絡、以數(shù)據為中心的網絡3.2.2WSN體系結構圖3-2平面拓撲結構圖3-3邏輯分層結構2023/7/21WSN的體系結構圖3-4傳感器節(jié)點體系結構圖3-5傳感器網絡協(xié)議棧2023/7/213.2.3傳感器與無線通信傳感網中使用的幾種通信技術：1、移動通信：2G、3G、B3G、LTE；2、無線局域網：WiFi：無線局域網，802.11，校園網；WiMAX：無線城域網，802.16，已成為3G標準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。工作頻率3.1G-10.6GMHz，低功耗，如射頻標簽RFID（RadioFrequencyIdentification也稱電子標簽、無線電頻率識別）。4、ZigBee：低功耗、近距離的無線組網通信技術；802.15.4（s）;5、NFC（近場通信），雙向RFID，可實現(xiàn)設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的融合2023/7/21

3.3RFID和WSN融合

圖3-8物聯(lián)網架構物聯(lián)網架構下RFID與WSN的融合RFID側重于識別，能夠實現(xiàn)對目標的標識和管理，同時RFID系統(tǒng)具有讀寫距離有限、抗干擾性差、實現(xiàn)成本較高的不足；WSN側重于組網，實現(xiàn)數(shù)據的傳遞，具有部署簡單，實現(xiàn)成本低廉等優(yōu)點，但一般WSN并不具有節(jié)點標識功能。RFID與WSN的結合存在很大的契機。2023/7/21RFID和WSN的融合

RFID與WSN可以在兩個不同的層面進行融合：物聯(lián)網架構下RFID與WSN的融合，傳感器網絡架構下RFID與WSN的融合。圖3-9傳感器網絡架構下RFID與WSN的融合：智能基站2023/7/21RFID和WSN的融合圖3-10傳感器網絡架構下RFID與WSN的融合：智能節(jié)點圖3-11傳感器網絡架構下RFID與WSN的融合：智能傳感標簽2023/7/21四、物聯(lián)網的應用物聯(lián)網應用核心關鍵技術：

操作系統(tǒng)級應用中間件平臺各環(huán)節(jié)關鍵技術：

RFID技術(自動識別、防偽、可讀寫數(shù)據)、二維碼技術（防偽、可讀數(shù)據）、傳感器技術、自動控制技術、傳感網通訊技術（ZIGBEE）、嵌入式終端技術、IPV6、3G網絡技術、SOA架構、語音識別、視頻識別技術、云計算、SAAS服務等。物聯(lián)網的主要應用領域:

智能電網、智能交通、環(huán)保管理、一卡支付、資產管理、食品和藥品安全、精益制造、數(shù)字化倉儲等等。2023/7/21圖4-1物聯(lián)網應用示意圖2023/7/21物聯(lián)網的典型應用1、機場入侵

上海浦東國際機場防入侵系統(tǒng)鋪設了3萬多個傳感節(jié)點，覆蓋了地面、柵欄和低空探測，多種傳感手段組成一個協(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。上海移動的車務通在2010年世博會期間全面運用于上海公共交通系統(tǒng)，以最先進的技術保障了世博園區(qū)周邊大流量交通的順暢。2、電力管理

江西省電網對分布在全省范圍內的2萬臺配電變壓器安裝傳感裝置，對運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，實現(xiàn)用電檢查、電能質量監(jiān)測、負荷管理、線損管理、需求側管理等高效一體化管理，一年來降低電損1.2億千瓦時。2023/7/213、水下無線傳感器網絡技術根據目前歐美各國在研項目的文獻資料，可以大致將水下傳感器網絡的組成結構可分為以下幾類：1.基于水面浮標的(射頻+水聲通信)可任意升降的三維立體水下傳感器網絡系統(tǒng)。2.由固定在海底基站的節(jié)點構成的，可任意升降的三維立體網絡系統(tǒng)。通過光纜或聲通信與水面網關、節(jié)點聯(lián)結，將數(shù)據傳輸至基站。3.基于水面浮標節(jié)點(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（水聲通信）的三維立體系統(tǒng)。2023/7/21五、物聯(lián)網的發(fā)展趨勢及面臨的問題1.物聯(lián)網的發(fā)展趨勢：電子與建筑行業(yè)是切入點，產業(yè)鏈合力做多應用將由分散走向統(tǒng)一

物聯(lián)網的產業(yè)分工也非常明確，有專門做電子標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)網發(fā)展的推動，諸多產業(yè)鏈上的企業(yè)，其生產的產品將越來越多的被凝聚在一起，應用將由分散走向統(tǒng)一。電信運營商作為產業(yè)鏈中的重要參與者，將為應用的推廣和整合起到關鍵作用。物聯(lián)網的終極目標

物聯(lián)網的終極目標是形成覆蓋全球物互聯(lián)的理想狀態(tài)，在這個目標實現(xiàn)的過程中，物聯(lián)網的各個局部網應用可先各自發(fā)展，最后形成一個事實的標準，從小網聯(lián)成中網，再由中網聯(lián)成大網，在此過程中逐漸解決遇到的技術、標準等各種問題。2023/7/21發(fā)展趨勢及面臨的問題有關權威咨詢分析機構預測，未來物聯(lián)網的發(fā)展將經歷四個階段，包括：

階段一：2010年之前RFID被廣泛應用于物流、零售和制藥領域；

階段二：2010-2015年物體互聯(lián)；

階段三：2015-2020年物體進入半智能化；

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

末端標簽成本----需要個性化設計，可以通過示范性應用帶動研發(fā)，通過應用推廣帶動量產；

設備開發(fā)成本----通過標準化設計接入中間件平臺，2023/7/21發(fā)展趨勢及面臨的問題實現(xiàn)